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Codificadores ópticos
Encoders ópticos têm como núcleo a grade óptica e a detecção fotoelétrica, convertendo deslocamentos rotativos ou lineares em sinais elétricos. São o principal sensor de feedback de posição em máquinas-ferramenta CNC, plataformas de semicondutores, metrologia de precisão, robótica e automação de alto desempenho. Graças à alta resolução, baixo erro de subdivisão (SDE) e excelente repetibilidade, os encoders ópticos são amplamente aplicados no posicionamento de escala nanométrica a micrométrica.
O que é um encoder óptico (What is an Optical Encoder)
Um encoder óptico é um sensor que obtém informação de posição por meio da cadeia fonte de luz — grade óptica — detecção fotoelétrica. O núcleo é composto por uma régua/escala ou disco codificado (Scale/Disk) com estrutura periódica e por um cabeçote de leitura (Readhead): o cabeçote lê, dentro de uma folga óptica especificada, as franjas ou sinais de interferência formados pela transmissão/reflexão da grade; em seguida, o sinal é processado por AFE (front-end analógico) e por circuitos de interpolação/decodificação, gerando A/B incrementais (com referência Z opcional), seno/cosseno 1 Vpp ou dados seriais de posição absoluta (SSI/BiSS/EnDat etc.).
Quanto à forma de movimento, há encoders ópticos rotativos (disco) e encoders ópticos lineares (régua). Em comparação com o cálculo indireto via fuso/cremalheira, o encoder linear permite medição direta, suprimindo significativamente erros de posicionamento causados por folga mecânica, passo do fuso e dilatação térmica; já o encoder rotativo fornece feedback angular e de velocidade de alta resolução para motores e mesas rotativas.
Princípio de funcionamento (Working Principle)
1) Imagem/Moiré (Imaging/Moiré)
- Estrutura: fonte de luz (LED/VCSEL) → óptica de colimação/imagem → máscara/grade de fase → matriz fotossensível.
- Mecanismo: o movimento relativo entre a escala e a grade de referência no cabeçote gera franjas de Moiré, produzindo sinais quase senoidais/cosenoidais; após interpolação e correção de amplitude/fase, obtém-se deslocamento de alta resolução.
2) Interferencial/grade de fase (Interferential/Phase Grating)
- Mecanismo: a diferença de fase entre ordens de difração varia linearmente com o deslocamento; a superposição resulta em senoides de alta pureza, com SDE menor e maior potencial de resolução.
3) Transmissão vs. reflexão
- Transmissão: substrato de vidro/cerâmica; alto SNR e boa linearidade, ideal para ambientes limpos e posicionamento de alta precisão.
- Reflexão: grades metalizadas ou revestidas; estrutura compacta e instalação facilitada, porém maior sensibilidade à contaminação — requer vedação eficiente e cortina de ar/raspadores.
4) Lógica de saída incremental vs. absoluta
- Incremental: pulsos A/B em quadratura (defasagem de 90°); o sentido é determinado pela ordem de fase; a referência Z ocorre uma vez por curso/rotação.
- Absoluta: em qualquer posição há um código único (binário/Gray), podendo incluir diagnóstico, temperatura e registros de status.
Resolução linear (aprox.): Δx ≈ p / (N × M)
onde p = passo (pitch) da grade, N = fator de interpolação analógica (p. ex., 100×) e M = fator de multiplicação digital (típico 4×).
Resolução angular equivalente (rotativo): θ_res = 360° / (nº de linhas × 4)
Classificação (Taxonomy)
- Por movimento: encoder óptico linear / encoder óptico rotativo (disco)
- Por saída: incremental (TTL/HTL/RS422, 1 Vpp/11 µApp) / absoluta (SSI, BiSS-C, EnDat 2.2, paralela)
- Por implementação óptica: transmissão / reflexão, imagem / interferencial, grade de amplitude / de fase
- Por invólucro: aberto (alta dinâmica, baixo atrito) / selado (IP65–IP67, resistente a névoa de óleo e fluido de corte)
- Por curso/substrato: vidro/cerâmica (baixo CTE), fita de aço (curso longo), grades refletivas revestidas etc.
Componentes críticos e cadeia de sinal (Signal Chain)
- Fonte de luz e óptica: LED/laser; colimação/foco determinam uniformidade de iluminância e deriva térmica; requerem envelhecimento e controle em malha de potência.
- Grade/disco: passo
p, ciclo de trabalho e precisão de fase definem a pureza do sinal e o SDE. - Matriz fotossensível/AFE: amostragem multicanal, ganho/offset/fase automáticos (balanceamento ABC).
- ASIC de interpolação/codificação: correção de amplitude/fase, compensação de elipticidade, filtragem digital e supressão de jitter, codificação de protocolo e drivers de linha.
- Camada física: RS422 diferencial, 1 Vpp/11 µApp, terminação e cabeamento (blindagem/aterramento) bem projetados.
Saídas e interfaces (Outputs & Interfaces)
| Formato de saída | Sinal típico | Observações |
|---|---|---|
| Onda quadrada incremental | A/B (+Z), TTL/HTL/RS422 | Contadores rápidos de PLC; malhas de velocidade/posição; para longas distâncias, preferir diferencial |
| Seno/cosseno | 1 Vpp, 11 µApp | Interpolação de ultra-alta resolução; SDE e jitter dependem da qualidade da cadeia |
| Serial absoluta | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | Valor absoluto mono/multivoltas; registros de diagnóstico/temperatura/alarmes |
| Fieldbus | EtherCAT, PROFINET, CANopen | Sincronismo multieixo, clock distribuído, configuração online |
Largura de banda (linear, aprox.): f_max ≈ (v / p) × edges
onde v = velocidade linear e edges = bordas válidas por período (p. ex., quadratura 4×).
Indicadores de desempenho (Key Specifications)
| Indicador | Faixa típica / Observações |
|---|---|
| Resolução | Linear: 1 µm → 1 nm; Rotativo: ≤ 24 bits equivalentes |
| Exatidão linear | Óptico high-end: ±1 a ±3 µm/m; Padrão: ±3 a ±10 µm/m |
| Repetibilidade | ≤ ±0,1 a ±0,3 µm (linear); em ângulo pode atingir sub-arc-second |
| SDE (erro de subdivisão) | Cadeia 1 Vpp de alta qualidade: ±20 a ±80 nm |
| Jitter | Dezenas de nanômetros; influenciado por AFE e ruído de fase do clock |
| Erro de fase/ciclo | A/B a 90° ± (1–5)°; ciclo 50% ± (2–10)% |
| Capacidade de velocidade | Linear > 1 m/s; Rotativo até > 12.000 RPM (conforme interface) |
| Grau ambiental | IP40 (aberto) a IP67 (selado); ensaios de vibração/choque conforme IEC 60068-2 |
Instalação e fontes de erro (Installation & Error Sources)
- Folga óptica e atitude (pitch/roll/yaw) → desbalanceamento de amplitude e aumento do SDE
- Erro de Abbe: offset × erro angular; alinhar a linha de medição ao centro de movimento ou compensar via software
- Erro cosseno (aprox. para pequenos ângulos):
e ≈ (L × θ²) / 2 - Excentricidade/batimento do eixo (rotativo): introduz harmônicos fundamental/2ª harmônica no erro angular
- Dilatação térmica (CTE): vidro/cerâmica com baixo CTE; fita de aço requer compensação térmica e fixação flutuante
- EMC/aterramento: aterramento em ponto único, blindagem e caminhos de retorno bem definidos para evitar ruído de modo comum e laços de terra
Calibração e compensação (Calibration & Compensation)
- Mapeamento linear: medir a curva de erro com interferômetro a laser/ballbar e carregar a LUT no controlador
- Compensação térmica: combinar temperatura da escala/estrutura com modelo de CTE para correção em tempo real
- Correção de amplitude/fase/elipticidade: balanceamento adaptativo antes da interpolação
- Estratégia de referência: pontos de referência codificados por distância reduzem o trajeto de homing e melhoram a reprodutibilidade
Comparações com outras tecnologias (Comparisons)
| Tecnologia | Resolução/Exatidão | Robustez a sujeira/ambiente | Curso típico | Principais limitações |
|---|---|---|---|---|
| Encoder óptico | ★★★★★ | ★★★ | Médio/Longo | Sensível a contaminação/condensação; exige instalação precisa |
| Encoder magnético | ★★☆ | ★★★★ | Longo | Linearidade e SDE inferiores |
| Indutivo/Capacitivo | ★★★ | ★★★★ | Médio | Sensível a metal próximo/ correntes de Foucault ou umidade |
| Resolver/Potenciômetro | ★★ | ★★★★★/★ | Médio/Curto | Baixa resolução ou interface pouco intuitiva |
Aplicações (Applications)
CNC (eixos lineares e rotativos), CMM e plataformas de metrologia, alinhamento/exposição/inspeção em semicondutores, mesas de movimento de precisão, juntas de robôs e monitoramento de folga em redutores, equipamentos de imagem médica/radioterapia, controle síncrono em impressão e embalagem, colocação/inspeção de componentes eletrônicos e manuseio em alta velocidade.
Manutenção e troubleshooting (Maintenance & Troubleshooting)
- Rotina: limpeza periódica (pano sem fiapos + solvente adequado), verificação do raio mínimo de dobra e blindagem de cabos, monitoramento de temperatura/umidade e condensação
- Sintomas comuns e ações:
- Perda de pulsos/bordas: folga/entreferro fora do limite, contaminação → ajustar alinhamento/limpar/adicionar vedação e cortina de ar
- Aumento de SDE/jitter: ruído na cadeia AFE/interpolação, aterramento deficiente → otimizar alimentação/cabeamento/terminação
- Falha de comunicação absoluta: parâmetros/polaridade SSI/BiSS/EnDat incompatíveis → conferir comprimento de quadro, CRC, temporização e impedância
- Erro harmônico angular (rotativo): excentricidade/runout → melhorar concentricidade/rigidez dos mancais e aplicar compensação harmônica
Guia de seleção (Selection Guide)
- Exatidão/repetibilidade alvo (µm/m ou segundos de arco) e dinâmica de velocidade
- Princípio óptico (transmissão/reflexão; imagem/interferencial) e passo
p - Interface de saída (A/B/Z, 1 Vpp, SSI/BiSS/EnDat, fieldbus) e largura de banda do controlador
- Invólucro e ambiente (aberto/selado; grau IP; presença de fluido de corte/poeira)
- Projeto mecânico e térmico (tolerâncias de folga e atitude, CTE, montagem flutuante)
- Compensação e diagnóstico (mapas de erro, registros de temperatura/status, alarmes online)
- Ciclo de vida (manutenibilidade de cabos/cabeçote, disponibilidade de sobressalentes, capacidade de calibração metrológica)
Normas e referências (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (graus de proteção IP)
- IEC 60068-2 (vibração/choque/temperatura-umidade)
- IEC 61000-6-2 / -6-4 (EMC industrial — imunidade/emissão)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (ensaios de posicionamento e características térmicas de máquinas-ferramenta)
- ISO 10360 (verificação de CMM)
- ISO 14644 (requisitos para salas limpas)
Resumo: Ao dominar princípios, especificações, interfaces e práticas de instalação/compensação de encoders ópticos, é possível alcançar operação de longo prazo precisa, robusta e diagnosticável mesmo em condições industriais complexas.