Spiegazione dei parametri chiave dell’encoder
Per valutare e selezionare correttamente un encoder, è necessario comprendere in profondità i parametri chiave che influenzano la precisione di misura, l’intervallo di velocità, l’adattabilità ambientale, la durata e altri aspetti. Questa pagina offre un’analisi professionale e dettagliata dei parametri elettrici, meccanici e ambientali comuni a vari tipi di encoder.
1. Risoluzione (Resolution)
1.1 Definizione e modalità di rappresentazione
- Encoder incrementale: generalmente indicata in PPR (Pulses Per Revolution) o CPR (Counts Per Revolution), ad esempio 1000, 2500, 5000 PPR; con quadratura 4×PPR.
- Encoder assoluto: indicata in bit per la risoluzione per giro (es. 13 bit = 8192 posizioni), o come “bit multi-giro + bit per giro” (es. 25 bit multi-giro).
- Encoder lineare: espressa in LPI (Lines Per Inch), CPI (Counts Per Inch) o “µm/impulso”.
1.2 Risoluzione e prestazioni di sistema
- Maggiore risoluzione → cattura di movimenti più fini, posizionamento e controllo velocità più precisi.
- Risoluzioni molto elevate richiedono controller e processori ad alte prestazioni, altrimenti rischiano perdite di impulsi o ritardi.
- Ad alta velocità, una risoluzione elevata aumenta la frequenza degli impulsi: verificare larghezza di banda di cavi e driver.
1.3 Dettagli aggiuntivi
- Alcuni encoder supportano tecniche di interpolazione per aumentare ulteriormente la risoluzione elettronica.
- Distinguere tra risoluzione meccanica (numero reale di scanalature sul disco) e risoluzione elettronica (output interpolato).
2. Precisione (Accuracy)
2.1 Precisione in senso ampio e stretto
- Precisione ampia: massima deviazione tra il valore in uscita e la posizione reale; influenzata da errori del disco, montaggio meccanico, gioco cuscinetti, ecc.
- Precisione stretta: alcuni produttori indicano solo la precisione di incisione o di lettura del sensore, escludendo errori di montaggio e cuscinetti.
2.2 Unità tipiche di misura
- Encoder angolari: arcsec (secondi d’arco), arcmin (minuti d’arco), gradi (°) o percentuale di risoluzione.
- Encoder lineari: µm/m, ppm (parti per milione) o altri indicatori.
2.3 Fonti di errore
- Errori di fabbricazione: discrepanze nel passo delle incisioni o eccentricità.
- Non linearità del sensore: distorsione ai bordi di sensori ottici o magnetici.
- Errori di montaggio: eccentricità, gioco dei cuscinetti, disallineamento delle flange.
- Influenze ambientali: deriva termica, vibrazioni, contaminazione.
2.4 Miglioramento e compensazione della precisione
- Utilizzo di dischi di alta qualità o componenti ottici/magnetici di precisione.
- Calibrazione con interferometro laser e creazione di tabelle di compensazione.
- Aumento della rigidità dei cuscinetti per ridurre i giochi radiali/assiali.
3. Ripetibilità (Repeatability)
3.1 Concetto
- La ripetibilità valuta la coerenza delle letture multiple nella stessa posizione, indipendentemente dalla precisione assoluta.
- Anche con precisione assoluta media, un’eccellente ripetibilità permette correzioni software per posizionamenti precisi.
3.2 Fattori influenti
- Gioco meccanico: gap o deformazioni elastiche in ingranaggi, giunti, viti.
- Scintillio del segnale: incertezza nel punto di commutazione dei sensori.
- Interferenze ambientali: temperatura, EMI, vibrazioni.
3.3 Misure di miglioramento
- Ottimizzare la catena cinematica, usare giunti di qualità e garantire l’allineamento assiale.
- Acquisire più campioni e applicare filtri/medie.
- Ridurre vibrazioni e fonti di disturbo.
4. Velocità massima e risposta in frequenza (Max Speed & Frequency Response)
4.1 Velocità massima
- Encoder rotativi: RPM (revolutions per minute), es. 6000 RPM.
- Encoder lineari: m/s o mm/s.
- Oltre la velocità massima si possono verificare perdite o distorsioni di segnale.
4.2 Risposta in frequenza
- Capacità dell’encoder di mantenere forma d’onda e conteggio corretti all’aumentare della velocità.
- Frequenza impulsi = RPM × PPR / 60 per encoder incrementali.
- Per encoder assoluti dipende dalla velocità di comunicazione seriale o dalla frequenza di aggiornamento.
4.3 Note
- Il controller deve supportare conteggi ad alta velocità o parsing seriale veloce.
- Cavi e circuiti di ricezione devono avere larghezza di banda sufficiente per evitare attenuazioni e rumore eccessivo.
5. Tensione di alimentazione e consumo (Supply Voltage & Power Consumption)
5.1 Intervallo di alimentazione
- TTL: 5 V DC; HTL: 10–30 V DC; alcuni modelli high-end supportano 4.5–30 V.
- Encoder con interfaccia industrial Ethernet spesso compatibili con 24 V.
5.2 Valutazione del consumo
- Encoder ottici con sorgente luminosa consumano generalmente più potenza.
- Encoder magnetici/capacitiv i hanno basso consumo, ma in ambienti freddi possono richiedere preriscaldamento.
- Operazioni ad alta velocità e risoluzione incrementano consumo di processori e driver interni.
5.3 Compatibilità e stabilità
- Ripple e cadute istantanee di alimentazione possono causare reset o perdita di impulsi.
- Nei sistemi multi-asse, considerare la caduta di tensione nei cavi e sezioni adeguate.
6. Tipi di uscita e livelli di segnale (Output Types & Signal Levels)
6.1 Uscita incrementale
- Onde quadrate A/B/Z: livelli TTL, HTL, RS422.
- Uscita sinusoidale (1 Vpp): per misure ad alta precisione su grating ottico/magnetico, con interpolazione.
6.2 Uscita assoluta
- Parallel I/O: Gray Code, Binary, ecc.
- Serial I/O: protocolli SSI, BiSS, EnDat, riducono cablaggio e aumentano immunità ai disturbi.
- Bus/Ethernet: CANopen, Profibus, EtherCAT, Profinet per controllo multi-nodo.
6.3 Uscita analogica
- Tensione (0–5 V, 0–10 V) o corrente (4–20 mA), adatta a sistemi di controllo analogico tradizionale.
- Precisione influenzata da ripple di alimentazione e impedenza del cavo.
7. Grado di protezione (IP Rating)
7.1 Norme IP
- IP65: protezione dalla polvere, resistenza a getti d’acqua a bassa pressione.
- IP67: immersione breve, tenuta stagna elevata.
- IP68: funzionamento in immersione prolungata.
7.2 Strategia di scelta
- Ambienti esterni, alimentare, lavaggio richiedono IP elevati.
- IP più alti comportano costi maggiori e considerazioni su dissipazione e attriti cuscinetti.
8. Carico sui cuscinetti e durata meccanica (Bearing Load & Mechanical Life)
8.1 Tipo di cuscinetti e carichi
- Cuscinetti a sfera di precisione o a contatto obliquo.
- Carico radiale: forza perpendicolare all’asse; carico assiale: spinta lungo l’asse.
8.2 Durata e manutenzione
- Velocità elevate, carichi pesanti e temperature estreme riducono la vita dei cuscinetti.
- Modelli high-end possono impiegare cuscinetti in ceramica o lubrificanti speciali per maggiore durata.
8.3 Note di installazione
- Giunti flessibili o supporti esterni possono scaricare i carichi radiali.
- Garantire allineamento per evitare coppie e vibrazioni eccessive.
9. Parametri ambientali (Environment Parameters)
9.1 Intervallo di temperatura
- Temperatura operativa: –20 °C ~ +85 °C per mantenere precisione.
- Temperatura di stoccaggio: più ampia, ma evitare degradazione ottica/lubrificante.
9.2 Umidità, condensa e corrosione
- In alta umidità/condensa, migliorare tenuta e trattamenti anticorrosione.
- In ambienti acidi, alcalini o salini usare involucri in acciaio inox o rivestimenti resistenti.
9.3 Resistenza a vibrazioni e urti
- Specificare limite in g o m/s²; per macchine utensili o test auto servono specifiche più severe.
- Ammortizzatori esterni o supporti antivibranti aiutano a ridurre gli urti.
9.4 EMC/ESD
- Cablaggi schermati e adeguata messa a terra per ambienti ad alto EMI.
- Protezioni ESD (anelli di terra, TVS) per salvaguardare l’elettronica interna.
10. Sicurezza funzionale e ridondanza (Functional Safety & Redundancy)
10.1 Livelli di sicurezza (SIL / PL)
- SIL (IEC 61508/62061) e PL (ISO 13849).
- Per AGV, ascensori, robotica collaborativa, scegliere encoder con certificazione SIL2 o SIL3.
10.2 Progettazione ridondante
- Doppia testa lettura o doppio canale: verifica incrociata dei dati, commutazione di sicurezza.
- Riduce significativamente i rischi di fermo macchina per guasto sensore.
10.3 Autodiagnosi interna
- Rilevamento di decadimento del LED, anomalie magnetiche o surriscaldamento con allarmi.
- Logiche di “safe stop” o “speed reduction” per aumentare la sicurezza di sistema.
11. Linearità e calibrazione (Linearity & Calibration)
11.1 Origine degli errori lineari
- Distribuzione non perfettamente uniforme di grating o pattern magnetico.
- Gioco o variazioni angolari tra testa di lettura e scala.
11.2 Calibrazione e compensazione
- In applicazioni di alta precisione (semiconduttori, metrologia), uso di interferometro laser per generare curve di errore.
- Alcuni encoder memorizzano tabelle di compensazione interne per correggere automaticamente l’output.
11.3 Compensazione locale e integrazione di sistema
- Se il movimento copre solo una piccola area, concentrarsi sulla calibrazione di quella zona.
- In combinazione con elevata ripetibilità, si ottiene un’estrema precisione di posizionamento.
12. Linee guida per scelta e integrazione (Selection & Integration)
12.1 Requisiti dell’applicazione
- Tipo di moto: rotativo/lineare, range di velocità, profili di accelerazione.
- Precisione di sistema: risoluzione, accuratezza, ripetibilità.
- Vincoli ambientali: grado IP, temperatura, polvere/umidità, vibrazioni.
12.2 Interfaccia meccanica ed elettrica
- Verificare compatibilità di diametro asse, tipo di flangia e carico sui cuscinetti.
- Assicurarsi che tensione di alimentazione, livelli logici e protocollo di comunicazione siano compatibili con il controller.
- Stimare lunghezza cavi, cadute di tensione e attenuazione del segnale; usare cablaggi schermati o twisted-pair se necessario.
12.3 Installazione, messa a punto e manutenzione
- Garantire concentricità ed evitare carichi radiali/assiali eccessivi.
- Consigliare giunti flessibili per compensare micro-eccentricità.
- Ispezioni periodiche di guarnizioni, anelli anti-polvere, cablaggi e connettori.
13. Conclusione
Comprendere a fondo i parametri chiave di un encoder è essenziale per ottimizzare efficienza e sicurezza del controllo industriale. Gli indicatori principali sono:
- Risoluzione, precisione, ripetibilità: definiscono la finezza del controllo e la accuratezza del posizionamento
- Velocità massima, risposta in frequenza: prevengono perdite di impulsi ad alta velocità
- Grado di protezione, carico sui cuscinetti: garantiscono durata in ambienti e condizioni gravose
- Compatibilità elettrica, interfacce di comunicazione: assicurano integrazione efficiente con driver, PLC e reti industriali
- Sicurezza funzionale, ridondanza: rispondono ai requisiti di affidabilità nelle applicazioni critiche
Conoscendo il significato e gli standard di prova di questi parametri, è possibile prendere decisioni più consapevoli nella scelta, integrazione e manutenzione degli encoder, migliorando l’efficienza e la sicurezza dei sistemi di automazione industriale.