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Codificatore rotativo
I codificatori rotativi sono sensori che convertono il movimento di rotazione meccanico in segnali digitali o analogici, ampiamente utilizzati in automazione industriale, robotica, macchine CNC, apparecchiature mediche e sistemi di trasporto. Rilevando lo spostamento angolare, la velocità e la direzione, forniscono un feedback preciso ai sistemi di controllo. Questo articolo spiega in dettaglio la definizione, i principi di funzionamento, le classificazioni, i parametri tecnici, l'analisi comparativa, gli scenari applicativi, le normative e i consigli per la selezione dei codificatori rotativi.
Cos'è un Codificatore Rotativo
Un codificatore rotativo è un dispositivo di feedback del motore o un sensore di posizione utilizzato per misurare lo spostamento angolare, la velocità e la direzione di rotazione di un albero. La sua funzione principale è convertire il movimento di rotazione in segnali elettrici decodificati da un controller per determinare la posizione attuale e lo stato del movimento del dispositivo. I codificatori rotativi sono principalmente suddivisi in codificatori incrementali, che emettono segnali a impulsi, e codificatori assoluti, che forniscono informazioni di posizione uniche.
Principi di Funzionamento
Rilevazione Ottica
- Usa una sorgente luminosa per illuminare un disco a griglia con sezioni trasparenti e opache.
- Quando il disco ruota, un fotodetettore genera segnali a impulsi.
Rilevazione Magnetica
- Utilizza sensori magnetoresistivi, effetto Hall o sensori GMR per rilevare i cambiamenti dei poli magnetici.
Rilevazione Induttiva/Capacitiva
- Le variazioni di induttanza o capacità vengono utilizzate per rilevare lo spostamento angolare, adatte per ambienti difficili (alta contaminazione, vibrazioni).
Logica del Segnale di Uscita
- I codificatori incrementali emettono le fasi A e B (quadratura) e una fase Z (impulso di riferimento zero).
- I codificatori assoluti forniscono segnali unici in codice binario a più bit o codice Gray.
Tipi
✓ In base al Segnale di Uscita
- Incrementale: Emette segnali a impulsi, adatto per la rilevazione della velocità e della direzione.
- Assoluto: Fornisce informazioni di posizione uniche, a singolo giro o multi-giro.
✓ In base alla Struttura Meccanica
- Albero Solido
- Albero Cavo
- Albero Cavo cieco
✓ In base alla Tecnologia di Rilevazione
- Codificatori Ottici
- Codificatori Magnetici
- Codificatori Induttivi
- **Codificatori Capacitiv
✓ In base ai Protocolli Industriali e Uscita
- TTL/HTL/RS422
- Sin/Cos
- SSI, BiSS-C, EnDat
- Profibus, Profinet, EtherCAT, CANopen
Specifiche Tecniche
| Parametro | Gamma/Dettagli |
|---|---|
| Risoluzione | 1 a 4.194.304 PPR o 8 a 24 bit |
| Velocità Massima | 3000 a 12.000 RPM, modelli speciali fino a 20.000 RPM |
| Grado di Protezione | IP50 a IP68 |
| Temperatura Operativa | -40°C a +105°C |
| Parametri Elettrici | 5V, 10-30V, corrente di uscita tipicamente < 100mA |
| Resistenza a Vibrazioni/Scosse | IEC 60068-2: 10-20g (vibrazione), 50-200g (scosse) |
| Tipi di Segnali di Uscita | TTL, HTL, RS422, SSI, BiSS-C, Profinet, EtherCAT |
Vantaggi e Limitazioni
Vantaggi:
- Alta risoluzione e ripetibilità.
- Risposta rapida, adatta per il controllo dinamico.
- Vari protocolli di interfaccia e comunicazione.
- Eccellente resistenza alle interferenze elettromagnetiche per ambienti industriali complessi.
Limitazioni:
- I tipi ottici sono sensibili alla contaminazione.
- I modelli ad alta risoluzione possono essere costosi.
- Alcune tecnologie possono degradarsi a temperature/vibrazioni estreme.
Confronto con Altri Sensori Angolari
| Tipo | Accuratezza | Costo | Resistenza alle Interferenze | Flessibilità Applicativa |
|---|---|---|---|---|
| Potenziometro | Bassa | Basso | Scarsa | Sistemi semplici |
| Risolutore | Media | Media | Alta | Ambienti ad alta vibrazione e temperatura |
| Codificatore Rotativo | Alta (fino a 24 bit) | Media/Alta | Alta | Vari sistemi industriali |
Campi di Applicazione
- Automazione industriale: Feedback del motore, bracci robotici.
- Macchine CNC: Feedback della posizione dell'asse del mandrino e dell'alimentazione.
- Robotica: Controllo delle articolazioni e feedback del percorso.
- Apparecchiature mediche: Rilevazione della rotazione in MRI, scanner CT.
- Elevatori e trasporti: Feedback della posizione della cabina e controllo delle porte.
- Energia eolica e solare: Angolo delle pale e sistemi di tracciamento solare.
Normative Industriali
- IEC 61800-5-2:2016: Sicurezza funzionale dei sistemi di azionamento.
- ISO 13849-1:2015: Sicurezza dei sistemi di controllo delle macchine.
- IEC 60529:2020: Protezione contro l'ingresso (codice IP).
- IEC 60068-2: Test ambientali di vibrazione e scosse.
- ISO 9001:2015: Sistemi di gestione della qualità nella produzione.
Problemi Comuni e Risoluzione
| Problema | Possibile Causa | Soluzione |
|---|---|---|
| Nessun segnale in uscita | Alimentazione scollegata, errori di cablaggio, danni al sensore | Verifica alimentazione, cablaggio, sostituzione componenti danneggiati |
| Fluttuazione o perdita di segnale | Interferenza, invecchiamento del cavo, allentamento meccanico | Verifica messa a terra, sostituzione cavi, serraggio delle parti |
| Errore o fluttuazione dell'uscita | Contaminazione ottica, interferenza magnetica, invecchiamento elettronico | Pulire componenti ottici, eliminare fonti di interferenza, sostituire componenti |
| Ritardo o perdita di passi | Misconfigurazione del protocollo o incompatibilità | Verifica protocollo, ispeziona cablaggio, aggiorna le impostazioni del controller |
Guida alla Selezione
- Requisiti dell'Applicazione: Determina i parametri di misurazione (posizione, velocità, direzione).
- Tipo di Codificatore: Scegli incrementale o assoluto (singolo giro/multi-giro).
- Tecnologia di Rilevazione: Ottica, magnetica, induttiva o capacitiva.
- Risoluzione e Segnale: Abbinare la precisione del sistema e i requisiti di interfaccia.
- Adattabilità Ambientale: Verifica grado di protezione IP e resistenza a vibrazioni/scosse.
- Interfaccia Meccanica: Diametro dell'albero, metodo di montaggio e requisiti di carico.
- Compatibilità di Comunicazione: Assicurati della compatibilità con PLC o controller di movimento.
- Normative di Conformità: Preferisci prodotti che rispettano gli standard IEC, ISO, UL e altri standard internazionali.
Riferimenti
- IEC 61800-5-2:2016
- ISO 13849-1:2015
- IEC 60529:2020
- Serie IEC 60068-2
- ISO 9001:2015
Con una comprensione approfondita della struttura, dei principi operativi, dei parametri di prestazione e delle applicazioni dei codificatori rotativi, ingegneri e integratori di sistemi possono ottenere una selezione precisa e una corretta integrazione del sistema, ottimizzando le prestazioni del controllo e l'affidabilità del sistema.