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Codificadores lineares
Os encoders lineares(Codificadores lineares) são utilizados para converter deslocamento linear em sinais elétricos (digitais ou analógicos). Eles permitem medir diretamente o movimento linear de mesas, guias ou peças de trabalho, sendo sensores de posicionamento essenciais em máquinas CNC, máquinas de medição por coordenadas (CMM), equipamentos semicondutores e plataformas avançadas de automação. Em comparação com o cálculo indireto de deslocamento via fuso ou cremalheira, os encoders lineares fornecem “medição direta”, reduzindo significativamente os efeitos da expansão térmica do fuso, da folga mecânica e dos erros de transmissão na precisão de posicionamento.
O que é um Encoder Linear (What is a Linear Encoder)
Um encoder linear é composto por uma régua (Scale/Rule) e um cabeçote de leitura (Readhead): a régua possui estruturas periódicas (ópticas, magnéticas, indutivas), e o cabeçote se move sobre ela com um espaçamento definido, lendo a posição e fornecendo sinais elétricos.
De acordo com o tipo de saída, os encoders podem ser incrementais ou absolutos; de acordo com o princípio de detecção, podem ser ópticos, magnéticos, indutivos ou capacitivos; e segundo a construção, podem ser abertos (open-type) ou selados/enclausurados (sealed/enclosed).
Princípio de Funcionamento (Working Principle)
Óptico (Optical)
- Estrutura: régua de vidro/cerâmica (ou fita de aço inox) + fonte de luz LED/laser + matriz fotossensível.
- Mecanismo: interferência por transmissão/reflexão ou franjas de Moiré, demoduladas e interpoladas pelo cabeçote.
- Características: alta resolução (nível nanométrico), erro linear de até ±1 μm/m; porém sensível à contaminação e condensação.
Magnético (Magnetic)
- Estrutura: fita magnética com polos distribuídos em passo fixo (aço ou fita flexível) + sensores Hall/AMR/GMR/TMR.
- Mecanismo: o cabeçote detecta a variação do campo magnético ao longo do deslocamento e calcula a posição.
- Características: resistente a óleo e vibrações, tolerância de montagem elevada, alcance longo (dezenas de metros); resolução e precisão inferiores às versões ópticas de alto desempenho.
Indutivo (Inductive)
- Estrutura: bobinas de excitação e de detecção no cabeçote; régua com padrões metálicos ou alvos condutivos.
- Mecanismo: acoplamento e correntes parasitas variam conforme a posição; o cabeçote demodula fase/amplitude.
- Características: resistente à contaminação, suporta altas temperaturas, imune a EMI; precisão intermediária entre ópticos e magnéticos.
Capacitivo (Capacitive)
- Estrutura: matriz de eletrodos + régua com padrões periódicos.
- Mecanismo: a matriz capacitiva varia com o deslocamento; o cabeçote faz a leitura via fase/travamento.
- Características: compacto, baixo consumo; sensível à umidade e proximidade de metais, exigindo bom aterramento e blindagem.
Tipos e Construções (Types & Constructions)
1) Por tipo de saída
- Incremental: gera pulsos A/B (com Z de referência), exige contagem no controlador; pode fornecer saída analógica 1 Vpp senoidal/cosseno para interpolação.
- Absoluto (Absolute): fornece código único em qualquer posição; pode incluir marcas de referência codificadas em distância (distance-coded reference marks), usando protocolos SSI, BiSS-C, EnDat.
2) Por embalagem e proteção
- Aberto (Open-type): cabeçote exposto, resposta dinâmica rápida, baixo atrito; ideal para ambientes limpos.
- Selado (Sealed/Enclosed): régua e cabeçote em invólucro protegido com vedações/fluxo de ar; indicado para máquinas-ferramenta e ambientes severos.
3) Por material e forma da régua
- Vidro/cerâmica: baixo coeficiente de dilatação (CTE), precisão em µm/m; requer suporte estável e controle térmico.
- Aço/inox: longo alcance, flexível; CTE elevado, exige compensação térmica.
- Fita magnética (com adesivo/trilho): fácil instalação, resistente à contaminação; precisão menor que ópticos de alto nível.
- Padrões indutivos/capacitivos: construção robusta, alta resistência ambiental.
Saídas e Interfaces (Outputs & Interfaces)
| Categoria | Estilo de saída | Aplicação típica |
|---|---|---|
| Incremental | A/B (+Z), TTL/HTL, RS422 | Contagem rápida em PLCs, malha de velocidade/posição |
| Seno/Cosseno | 1 Vpp, 11 μApp | Interpolação de alta resolução (×4 ~ ×10.000) |
| Absoluto | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | Posição absoluta, diagnósticos, temperatura/estado |
| Fieldbus/Ethernet | CANopen, EtherCAT, PROFINET | Sincronização multieixo, longas distâncias, diagnósticos online |
Frequência máxima de saída vs. velocidade (incremental):
f_max ≈ (V / Pitch) × Edges_per_cycle
- V: velocidade linear (mm/s)
- Pitch: passo da régua (mm/ciclo)
- Edges_per_cycle: nº de bordas por ciclo (ex. ×4)
Especificações-Chave (Key Specifications)
| Especificação | Faixa típica | Observações |
|---|---|---|
| Resolução | 5 μm → 0,1 μm (magnético/aço); 1 μm → 1 nm (óptico/interferométrico) | Depende da interpolação |
| Precisão linear | ±3 ~ ±10 μm/m (magnético); ±1 ~ ±3 μm/m (óptico premium) | Expressa em μm/m ou ppm |
| Repetibilidade | < ±0,1 ~ ±0,5 μm (óptico) | Influenciada pelo ambiente |
| Erro de subdivisão (SDE) | ±20 ~ ±80 nm (1 Vpp premium) | Erro periódico de interpolação |
| Jitter/Ruído | Dezenas de nm | Relacionado a ruído da fonte/analógico |
| Referências | Única, codificada em distância, bidirecional | Para homing/referência absoluta |
| Comprimento de medição | 0,1 m → 30+ m | Comprimentos longos requerem compensação |
| Altura de leitura (Ride Height) | 0,1 ~ 1,0 mm | Limitado por pitch/roll/yaw |
| CTE | Vidro/cerâmica: ~0,5–2 ppm/K; aço: ~10–17 ppm/K | Define compensação térmica |
| Proteção | IP40 (aberto) → IP67 (selado) | Considerar poeira, óleo, refrigeração |
Instalação e Erros Geométricos (Installation & Geometric Errors)
- Tolerâncias de gap/atitude: altura e ângulos pitch/roll/yaw devem estar dentro do limite, caso contrário aumentam o SDE.
- Erro de Abbe: offset entre linha de medição e eixo de movimento × erro angular gera erro adicional; alinhar ou modelar erro.
- Erro de Cosseno: desalinhamento entre encoder e direção de movimento real.
- Acoplamento térmico: fitas de aço/magnéticas devem ter montagem flutuante para evitar deformação; vidro/cerâmica requer suporte isotérmico.
- Blindagem/aterramento: aterramento em ponto único, blindagem correta para evitar loops.
Calibração e Compensação (Calibration & Compensation)
- Compensação linear: laser interferométrico, ballbar, blocos-padrão para mapear erros.
- Compensação térmica: corrigir conforme CTE + distribuição térmica; sistemas premium usam sensores no cabeçote.
- Redução do SDE: sinais 1 Vpp de alta qualidade, otimização da cadeia analógica/interpolação.
- Estratégias de referência: marcas codificadas reduzem homing; bidirecionais aumentam repetibilidade.
Comparação com Outras Tecnologias (Comparisons)
| Tecnologia | Vantagens | Limitações | Aplicações |
|---|---|---|---|
| Encoder linear (óptico) | Resolução nm, precisão μm/m, alta dinâmica | Sensível à sujeira/condensação, montagem crítica | CNC, CMM, semicondutores |
| Encoder linear (magnético) | Resistente, tolerante, longo alcance | Menor precisão que óptico | Automação, maquinário pesado |
| Interferômetro a laser | Máxima precisão, rastreável | Alto custo, sensível ao ambiente | Calibração, metrologia |
| LVDT/Eddy Current | Robusto, repetibilidade em curto alcance | Alcance limitado, não-linearidade | Controle de curso, limites |
| Encoder rotativo + fuso | Baixo custo, tecnologia madura | Erros por dilatação/f folga/passo | Posicionamento médio/baixo |
Aplicações (Applications)
- Eixos lineares de máquinas CNC (X/Y/Z): alta precisão de posicionamento mesmo sob cargas térmicas.
- CMM/microscópios de medição: interpolação nanométrica + mapeamento de erros para rastreabilidade.
- Equipamentos semicondutores: litografia/alinhamento/inspeção; exige jitter nm e baixo SDE.
- Impressão/embalagem/SMT de alta precisão: longo curso, alta velocidade, sincronização exata.
- Equipamentos médicos: mesas de CT/MRI, radioterapia.
- Logística/equipamentos pesados: sistemas de fita magnética de longo alcance, robustos.
Manutenção e Solução de Problemas (Maintenance & Troubleshooting)
Rotina
- Limpeza regular (óptico: pano sem fiapos + álcool isopropílico; magnético: remoção de partículas).
- Verificar cabos (raio de curvatura, fixação).
- Monitorar temperatura/umidade e evitar condensação.
Problemas comuns
| Sintoma | Causa possível | Solução |
|---|---|---|
| Perda de pulsos | Gap excessivo, desalinhamento, sujeira | Ajustar altura/atitude, limpar régua, verificar rigidez |
| SDE/jitter alto | Ruído/interferência, aterramento ruim | Melhorar blindagem, cabos/fonte de qualidade |
| Erro linear alto | Montagem incorreta, sem compensação térmica | Remontar com flutuação, mapear erros |
| Falha em comunicação absoluta | SSI/BiSS/EnDat incompatível | Revisar temporização, polaridade, CRC, cabos |
| Referência instável | Marca contaminada ou mal configurada | Limpar, revisar parâmetros |
Normas e Referências (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (graus de proteção IP)
- IEC 60068-2 (vibração/choque/temp./umidade)
- IEC 61000-6-2/-6-4 (EMC industrial)
- ISO 230-2/3 (precisão e comportamento térmico em máquinas-ferramenta)
- ISO 10360 (CMM, validação)
- ISO 14644 (salas limpas, semicondutores)
Nota: a aplicabilidade varia por setor e equipamento; verificar com documentação do fabricante.
Guia de Seleção (Selection Guide)
- Meta de precisão: definir repetibilidade e erro máximo aceitável.
- Princípio: óptico para alta precisão/ambientes limpos; magnético/indutivo para ambientes severos.
- Saídas & interfaces: incremental para velocidade; SSI/BiSS/EnDat ou EtherCAT para precisão/sincronismo.
- Mecânica & instalação: comprimento, material, CTE, tolerâncias, montagem (flutuante/adesivo).
- Ambiente & proteção: óleo/poeira/refrigeração → tipo selado IP adequado.
- Compensação & diagnósticos: suporte a mapeamento de erros, monitoramento de temperatura/estado.
- Ciclo de vida: facilidade de substituição, peças de reposição, calibração e suporte.
Com a compreensão dos princípios, construções e requisitos de instalação dos encoders lineares — aliados a modelagem de erros, compensação térmica e verificação padronizada — as equipes de engenharia podem garantir alta precisão, longa vida útil e capacidade de diagnóstico em posicionamento linear e controle de velocidade em ambientes industriais complexos.