La storia degli encoder

Gli encoder sono sensori fondamentali nei moderni sistemi di controllo industriale e automazione. Le loro origini risalgono agli anni '40, quando venivano utilizzati come convertitori angolari meccanici. Con l'avanzare della tecnologia in elettronica, ottica, comunicazione e MEMS, gli encoder si sono evoluti in piattaforme multifunzionali con precisione nanometrica, comunicazione intelligente e capacità di autodiagnosi.

Anni '40–'60: Prototipi iniziali e l’era meccanica

• Negli anni '40, spinti dalle esigenze di radar militari e navigazione aerea, ingegneri tedeschi e britannici svilupparono convertitori rotativi a spazzole per misurare lo spostamento angolare.
• Nel 1947, i Bell Labs negli Stati Uniti introdussero il concetto di conversione degli angoli meccanici in segnali elettrici impulsivi, un prototipo di disco encoder.
• All’inizio degli anni '50 furono introdotti i primi encoder meccanici, basati su contatti rotanti a spazzola per generare segnali.
• Questi encoder emettevano tipicamente il codice Gray, utilizzato nei primi telemetri militari e nei computer analogici.

Caratteristiche principali:

• Contatto meccanico completo, soggetto a usura e instabilità
• Uscita del segnale tramite commutazione o tensione analogica
• Utilizzo molto limitato, principalmente in ambito militare

Anni '70–'80: Ascesa degli encoder ottici e incrementali

• Nel 1971, BEI Precision Instruments (USA) lanciò il primo encoder incrementale ottico commerciale.
• I dischi retinati in plastica o vetro avevano strisce incise che, attraversate dalla luce, venivano rilevate da fotodiodi generando impulsi A/B.
• Nel 1974, la tedesca Heidenhain introdusse il canale Z (impulso zero) per il riferimento di origine.
• Nel 1976, Koyo Electronics (Giappone) rese disponibili encoder incrementali per l’industria e per sistemi CNC, favorendone l'adozione globale.

Innovazioni:

• Rilevamento senza contatto, maggiore durata e affidabilità
• Emergere degli standard di uscita TTL e HTL
• Risoluzioni da 1000 a 5000 PPR

Anni '90: Encoder assoluti e boom del controllo digitale

• Tra il 1989 e il 1992, produttori europei come Baumer e Heidenhain introdussero encoder assoluti monogiro, con dischi multitraccia e fotodiodi per generare dati di posizione paralleli.
• Nel 1993, SICK Stegmann (Germania) sviluppò encoder assoluti multigiro con contatori meccanici o rilevamento magnetico.
• L’interfaccia SSI (Synchronous Serial Interface) divenne uno standard seriale promosso da Hubner (Germania).
• Gli encoder programmabili permisero la configurazione tramite software di risoluzione e direzione.

Progressi tecnici:

• Memoria della posizione dopo spegnimento
• Integrazione di chip ASIC per miniaturizzazione
• Maggiore immunità ai disturbi e affidabilità

Anni 2000: Fieldbus, Ethernet e integrazione nei sistemi

• Gli encoder adottarono la comunicazione fieldbus industriale: CANopen (CiA 406), Profibus, DeviceNet.
• I nuovi protocolli Ethernet industriali come EtherCAT (Beckhoff), Profinet (Siemens) ed EtherNet/IP (Rockwell) si diffusero nel controllo ad alta velocità.
• Nel 2005, Tamagawa (Giappone) lanciò encoder rotativi con ridondanza certificata SIL2, utilizzati in ascensori, robot e sistemi ferroviari.
• Gli encoder iniziarono a integrare compensazione termica, filtri digitali e diagnostica, diventando sensori intelligenti.

Tendenze chiave:

• Comunicazione in rete al posto dei cavi impulsivi
• Risoluzione multigiro oltre i 30 bit
• Hot-plug, configurazione online e aggiornamenti remoti

Dal 2010 a oggi: Encoder intelligenti, micro kit e wireless

• Gli encoder intelligenti supportano Bluetooth, IO-Link e Wi-Fi industriale, abilitando comunicazione bidirezionale con PLC o cloud.
• Sono emersi micro encoder magnetici per robot collaborativi (Cobots), AGV e droni, con diametri fino a 12 mm e peso inferiore a 10 g.
• Gli encoder magnetici lineari ad alta risoluzione (es. Renishaw, RSF) servono l’industria dei semiconduttori con precisione submicrometrica.
• Sensori ibridi con visione artificiale e IMU integrati stanno crescendo, offrendo dati di movimento completi a 6 gradi di libertà.

Prospettive future

1. Intelligenza ed Edge Computing: elaborazione dei dati integrata, manutenzione predittiva e AI locale.
2. Sensori fusi multidimensionali: integrazione con sensori di temperatura, IMU, coppia e accelerazione.
3. Encoder definiti via software (SD-E): configurazione remota di risoluzione, direzione, protocolli e diagnostica.
4. Design eco-sostenibile: materiali a basso attrito, basso consumo e installazione modulare.
5. Ottimizzazione della filiera globale: maggiore capacità nazionale per retinature, chip su misura e protocolli.

Conclusione

L’evoluzione degli encoder riflette la trasformazione industriale più ampia: dall’analogico al digitale, dal centralizzato all’intelligente. Nati in ambito militare, gli encoder sono ora onnipresenti nell’industria civile. Comprenderne la storia aiuta a cogliere l’essenza tecnica e a prepararsi al futuro del sensing industriale.