¿Qué es un codificador? De los principios básicos a la aplicación

Los encóderes (también llamados sensores de movimiento o transductores de posición) son una parte muy importante de la automatización, pero ¿qué son los encóderes? ¿Qué son los encóderes, cómo funcionan y por qué son tan importantes en las máquinas actuales?

Parece que en el entorno de la automatización industrial y la electrónica digital contemporáneas la precisión ya no es un lujo, sino la exigencia esencial de eficacia, seguridad y calidad. La clave de esta precisión es un componente importante: el encóder del eje. Aunque puede ser una máquina pequeña, su importancia es más grande que la montaña. Sus usos son tan numerosos en el control de movimiento que se ha convertido en el mecanismo de retroalimentación sensorial en este ámbito de aplicaciones, permitiendo situar un movimiento físico en una vernácula digital que los sistemas de control pueden leer y ante la que pueden reaccionar. El documento ofrecerá un análisis en profundidad de los distintos tipos de codificadores, incluido su funcionamiento, los distintos tipos de tecnologías disponibles y cómo se utilizan, así como las cuestiones clave durante la selección de un dispositivo concreto que se adapte a su uso particular.

¿Qué es un codificador? Definición de su función principal

Un encóder es un dispositivo en los términos más sencillos y es un dispositivo vital que se utiliza para codificar el movimiento mecánico en señal eléctrica, ya sea posición, velocidad, dirección o lecturas constantes en un conjunto determinado. A continuación, un tipo de dispositivo de control interpreta esta señal; puede tratarse de un controlador lógico programable (PLC) o una unidad de control numérico por ordenador (CNC) o un accionamiento de motor.

Puede considerarse un transductor de movimiento. En cualquier sistema de control de movimiento de bucle cerrado, un controlador envía una orden a un motor. El encóder, normalmente conectado al eje del motor o a algún otro elemento móvil, mide los cambios de posición resultantes y envía un informe al controlador. Éste es el bucle de realimentación que permite al controlador asegurarse de que la orden emitida se ha realizado con precisión y, en caso de desviación, corregirla en tiempo real. Esta retroalimentación no habría sido posible y, por lo tanto, los sistemas operativos en un modo sin retroalimentación o de bucle abierto habrían sido muy imprecisos y podrían haber fallado debido a cualquier cambio en la carga, el desgaste de los componentes mecánicos o incluso el entorno. Esto hace que el encóder sea, por tanto, la conexión más importante que facilita la precisión, repetibilidad y fiabilidad de la máquina automatizada.

Cómo funcionan los codificadores: Una mirada al interior de la tecnología

El método por el que un encóder traduce el movimiento en una señal viene determinado por su tecnología subyacente. Aunque existen varios métodos, la gran mayoría de los encóderes industriales se basan en principios ópticos o magnéticos, cada uno de los cuales ofrece ventajas distintas para diferentes entornos operativos.

El codificador óptico: La luz al servicio de la precisión

Lo último en aplicaciones de alta precisión y gran exactitud son los codificadores ópticos. Funcionan sobre el concepto de la interrupción de un haz de luz. En qué consiste su núcleo:

1. Un diodo emisor de luz (LED) que suministrará una fuente de luz fija.
2. Disco índice (o escala lineal) de cristal, o de plástico flexible y resistente, cuyo dibujo es un conjunto de líneas o ranuras opacas y transparentes. Este disco se monta en el eje giratorio.
3. La otra cara del disco tiene un conjunto fotodetector en un lado y un fotoled (PCL) que detecta la luz generada por el LED.

El disco enchufable junta el LED y el fotodetector en el disco de código a medida que el eje gira. Las partes transparentes de la estructura dejan pasar la luz y las opacas la bloquean. Esta interrupción continua forma una onda de impulsos luminosos que el fotodetector traduce en una señal eléctrica de onda cuadrada. El patrón y la frecuencia de dichos pulsos son exactamente proporcionales a la velocidad y la revolución del eje. Cuanto menor sea el patrón en el disco, mayor será el número de impulsos producidos por el disco por revolución y mayor será la resolución. Los encóderes rotativos absolutos y otros tipos ópticos pueden tener resoluciones muy superiores a decenas de miles de impulsos por revolución (PPR), lo que resulta significativo en aplicaciones como el mecanizado CNC, la robótica y los dispositivos médicos, ya que la precisión es primordial.

El codificador magnético: Durabilidad en entornos difíciles

Los encóderes magnéticos son robustos y fiables, sobre todo allí donde el polvo, la humedad, el aceite y las fuertes vibraciones podrían ocultar un sistema óptico. Utilizan campos magnéticos en lugar de haces de luz. Entre los elementos importantes están:

1. Una rueda o anillo magnético, con sucesivos polos magnetizados (polos alternos de Norte y Sur), alrededor de toda la circunferencia. Esta rueda se sujeta al eje giratorio.
2. Un conjunto de sensores, normalmente un sensor de efecto Hall o magnetorresistivo, que mide cuando varía el campo magnético al girar sobre la rueda.

Los sensores utilizados detectan los polos norte y sur al pasar y dan lugar a la salida de señal del codificador, que tiene la misma forma que la señal eléctrica. Como este proceso no depende de una línea de visión obvia, el codificador magnético tiende a resistir mucho a los contaminantes. Tradicionalmente, su resolución ha sido inferior a la de los codificadores ópticos, pero el desarrollo de los sistemas de comunicación, los protocolos de comunicación y el procesamiento de señales reduce considerablemente esta diferencia. Actualmente, los codificadores magnéticos ofrecen una solución de alto rendimiento para las aplicaciones más exigentes en acerías, cadenas de montaje como las de automóviles, plantas de procesamiento de alimentos, etc.

Existen otras tecnologías, como los codificadores mecánicos (por contacto), capacitivos y de inducción, cada una de las cuales tiene su uso específico, pero los ópticos y los magnéticos son los que más han dominado los diversos sectores debido a su rendimiento y fiabilidad.

Los principales tipos de salida de los codificadores: De las señales básicas a la comunicación inteligente

Aunque los encóderes se suelen agrupar en función de su tecnología de detección (óptica, magnética, capacitiva, etc.), también existe otra forma, posiblemente más práctica, de clasificar los encóderes: por el tipo de señal que producen. La salida es lo que determina la forma en que los datos sobre la posición o el movimiento se transmiten al controlador y, por último, determina la compatibilidad de un encóder con el marco de un sistema determinado. Conocer estos tipos de salidas es importante a la hora de elegir el encóder adecuado que debe utilizarse en su aplicación.

1. Salida incremental: La base de la retroalimentación del movimiento

Los encóderes de salida incremental proporcionan una serie de impulsos eléctricos en relación con el movimiento. La respuesta es absoluta, en el sentido de que el encóder no indica la posición definitiva sobre la que se ha estado, sino el movimiento que se ha producido. Estas señales se generan normalmente en dos canales, que son ondas cuadradas en cuadratura (A y B) para que el sistema pueda medir tanto la dirección como la velocidad. Un tercer canal Z opcional proporciona un impulso de referencia una vez por revolución.

Casos prácticos
Opción perfecta en medición de velocidad, realimentación de la velocidad del motor y posicionamiento sencillo en situaciones en las que se puede localizar una pérdida de potencia. Se utiliza en sistemas transportadores, en máquinas textiles y en la automatización de embalajes.

2. Salida Absoluta: Posición que nunca olvida

Definición
Los encóderes absolutos se utilizan para ofrecer un valor digital exclusivo, en lugar de cada posición del eje. Esta salida indica siempre la posición real, incluso después de un ciclo de alimentación, por lo que estos encóderes son esenciales para sistemas en los que el cambio de posición es caro o imposible. El estado suele representarse en binario, código gris u otra forma, y puede enviarse en serie (ejemplo looping o en paralelo (ejemplo bus paralelo), o como una simple salida digital.

Casos prácticos
Las aplicaciones incluyen el uso en robótica, equipos médicos y máquinas CNC donde la memoria del sistema y la recuperación determinista son importantes.

3. Salida de comunicación serie: Transferencia de datos eficiente y de alta resolución

Definición
Los encóderes de salida de comunicación serie envían la información de posición en protocolos de comunicación digital, normalmente a dos o cuatro hilos. Estos protocolos (por ejemplo, SSI, BiSS-C, EnDat o Hiperface) son capaces de informar de una posición de alta resolución y baja latencia y, con frecuencia, también incluyen diagnósticos u otra información de estado. Las interfaces serie son síncronas con el reloj, inmunes al ruido, a diferencia de las salidas de señal sin procesar, por lo que tienen una mayor integridad en distancias más largas.

Casos prácticos
Más comunes en servoaplicaciones de alta precisión, máquinas herramienta y en la construcción de semiconductores. Pueden encontrarse habitualmente en aplicaciones que requieren un alto nivel de precisión en la retroalimentación en el rango de las micras y una mayor robustez de las comunicaciones.

4. Salida de bus de red: Codificadores inteligentes para sistemas conectados

Definición
Los encóderes de salida de red (bus de campo o Ethernet industrial) son componentes inteligentes de un sistema de automatización. Funcionan con estándares de comunicación industrial en tiempo real como CANopen, PROFINET, EtherCAT, Modbus y DeviceNet, y añaden no sólo posición y velocidad, sino también diagnóstico, configuración y coordinación multieje. Estos encóderes pueden tener firmware y procesadores integrados.

Casos prácticos
Es perfecto con redes de automatización complejas y distribuidas en las que el alto volumen es un factor importante, como en líneas de montaje de automóviles, plantas de embalaje, centros logísticos y células robotizadas de fabricación. Facilita el mantenimiento predictivo, el diagnóstico remoto y el plug and play en PLC o controladores modernos.

Tabla resumen: Tipos de salida frente a tipos de codificador

Comprender las especificaciones clave: Especificaciones técnicas

Para elegir un codificador hay que conocer sus principales parámetros de rendimiento:

• Resolución: Define el incremento de movimiento más pequeño que puede detectar el encóder. Para los encóderes incrementales, se mide en impulsos por revolución (PPR) o líneas por revolución (LPR). Para los encóderes absolutos, se define mediante el valor número de salidas (bits). Por ejemplo, un encóder absoluto de 13 bits proporciona 8.192 posiciones únicas por revolución.
• Precisión: Mide la desviación entre la posición notificada por el encóder y la posición física real.
• Repetibilidad: Mide la capacidad del encóder para notificar sistemáticamente el mismo valor para la misma posición física.
• Señales de salida: Se refiere a las características eléctricas de la salida. En electrónica digital, pueden incluir formatos TTL o HTL.

Aplicaciones clave en automatización industrial y robótica

Las aplicaciones prácticas de los encóderes abarcan casi todos los rincones del mundo industrial. Su capacidad para proporcionar una respuesta precisa es el factor que permite a los rendimiento general del sistema de maquinaria moderna.

• Robótica: Cada articulación de un robot industrial contiene un encóder absoluto que proporciona información precisa sobre la posición del brazo.
• Mecanizado CNC: Los codificadores de los servomotores proporcionan información sobre la posición de los ejes de la máquina.
• Sistemas de transporte: Los codificadores incrementales se utilizan para controlar la velocidad de las cintas transportadoras.
• Envasado y etiquetado: Los codificadores garantizan la precisión de la temporización.
• Impresión y Plotters: Los codificadores controlan la posición del cabezal para alta precisión salidas.
• Líneas de montaje de automóviles: Los codificadores sincronizan robots y cintas transportadoras para producir vehículos con precisión.
• Productos sanitarios: Los codificadores sirven de apoyo a los sistemas de imagen y cirugía robótica.

Las técnicas de aprendizaje automático se utilizan cada vez más para analizar datos de posición de codificadores para optimizar rendimiento general del sistema en diversos sectores.

Elegir el codificador adecuado: Por qué es fundamental para el éxito de su sistema

Elegir uno es realmente elegir la mejor manera de optimizar el rendimiento de su sistema total, minimizar los costes y tener fiabilidad a largo plazo. Ya sea un brazo robótico para realizar montajes de precisión, una línea de producción automatizada o hardware para fabricar equipos médicos, el encóder que elija puede romper o hacer su proyecto.

Cómo afecta el codificador adecuado a su sistema

El encóder en la automatización industrial tiene la misión de proporcionar información precisa sobre su posición, velocidad y dirección. Un encóder incorrecto, en términos de resolución, tipo o incapacidad para sincronizarse con las señales de salida, puede causar una cascada de problemas:

• Aumento del tiempo de inactividad: Un codificador defectuoso puede romperse antes de la hora prevista, lo que provoca reparaciones descoordinadas y el cese de la producción.
• Resultados imprecisos: No puede arriesgarse a tener resultados inexactos con su sistema, especialmente cuando no es exacto con su codificador, de ahí que su sistema pueda conducir a una producción defectuosa, componentes mal ajustados o incluso condiciones peligrosas.
• Recursos desaprovechados: Un fallo en la retroalimentación del codificador puede significar que su máquina también está computando movimientos erróneos causando pérdidas innecesarias de tiempo y materias primas.

Por ejemplo, en el mecanizado CNC, un encóder defectuoso puede provocar cortes imprecisos o errores de posición y, por tanto, una pieza defectuosa cuya reparación puede costar mucho dinero. En las cadenas de montaje rápidas, cada segundo cuenta: una señal lenta o una respuesta errónea pueden hacer que la empresa pierda productividad y genere un mayor índice de desechos.

Por qué OMCH es su empresa de automatización industrial de confianza

OMCH es una empresa de fabricación de componentes de automatización que ha transformado un pequeño taller en una empresa globalmente competente que presta servicio a más de 72.000 clientes en diferentes partes del mundo. - La cartera de codificadores de OMCH ofrece resistencia industrial, fiabilidad de señal y precisión de bajo coste con casi 40 años de diseño, fabricación y asistencia B2B global.

He aquí por qué los clientes confían en los codificadores OMCH:

1. Calidad fiable con certificaciones mundiales
   El codificador OMCH se fabrica según la certificación ISO 9001 y cuenta con las certificaciones CE, CCC y RoHS, lo que significa que ha sido aprobado internacionalmente en cuanto a normas de seguridad y rendimiento.
2. Diseñado para entornos exigentes
   Los encóderes fabricados para soportar una resistencia excesiva a las vibraciones, el aceite, el polvo y las variaciones de temperatura están diseñados en nuestros encóderes para enfrentarse a los entornos industriales más duros.
3. A la medida de su aplicación
   ¿Necesita especificaciones personalizadas? OMCH es compatible con la fabricación OEM, la configuración de cableado personalizado y las señales de salida de producción, por lo que la integración es sencilla en distintas plataformas, como PLC, controladores de movimiento y variadores de velocidad.
4. Ecosistema de automatización completo
   OMCH no es sólo un proveedor de sensores-ofrecemos una línea completa de sus necesidades de automatización, incluyendo sensores de proximidad, SMPS, relés, neumática (a través de HEBAI) y otros-así que usted puede conseguir todo aquí.
5. Servicio B2B global, experiencia local
   Con más de 28 años de experiencia en mercados globales, OMCH comprende los nuevos requisitos de los clientes de automatización global; satisfaciendo los requisitos tecnológicos, financieros y operativos de los clientes de Brasil e India.

Conclusión: El codificador como pilar de la automatización moderna

El encóder es mucho más que un sensor cautivo. Es la columna vertebral de la automatización en la era contemporánea, el objeto que conecta el espacio digital de un mando y el mundo mecánico. Los encóderes permiten a las máquinas trabajar con más rapidez, precisión y eficacia que nunca, ya que proporcionan información de posición rápida y precisa. Conocer los encóderes disponibles, su tecnología y especificaciones importantes es una información fundamental que los ingenieros o diseñadores deben poseer para crear la próxima generación de aplicaciones de control de movimiento. Con los avances tecnológicos en áreas de encóderes prioritarios en electrónica digital a encóderes inteligentes con aprendizaje automático, la importancia del encóder es el único aspecto que probablemente se amplíe en la búsqueda hacia un control de movimiento perfecto.

Preguntas frecuentes sobre codificadores

1. ¿Qué es un codificador?

Un codificador es un transductor electromecánico que toma el movimiento mecánico, que puede ser de rotación o lineal (desplazamiento lineal), y lo codifica en una señal digital. A continuación, un controlador o un ordenador la lee para controlar la velocidad, la posición, la dirección o el recuento. Los encóderes tienen una gran aplicación en los sistemas de control de movimiento para permitir una retroalimentación sencilla que automatice el funcionamiento de la maquinaria y la precisión en el proceso, como en el mecanizado CNC, la robótica o incluso las líneas de montaje.

2. ¿Cómo funciona un codificador?

El principio de los codificadores es medir algún cambio en el paradero, la velocidad o el curso de un elemento que gira o se desplaza. Disponen de tecnologías ópticas, magnéticas o de otro tipo, con las que producen señales eléctricas de respuesta al movimiento. Los codificadores ópticos, por ejemplo, emiten luz a un disco codificador que interrumpe la luz y genera impulsos, mientras que los magnéticos recogen las variaciones de los campos magnéticos. Éstas se convierten en datos que procesan los controladores.

3. ¿Para qué sirven los codificadores?

Los encóderes encuentran aplicación en muchos procedimientos para controlar y seguir el movimiento mecánico. Desempeñan un papel fundamental en su aplicación en sistemas como la robótica, las máquinas CNC, la automatización industrial y las cintas transportadoras para ofrecer retroalimentación. Los encóderes permiten seguir la posición, medir la velocidad y encontrar la dirección, garantizando la precisión y la capacidad de la máquina. También se aplican en ascensores, dispositivos médicos y sistemas de automoción.

4. ¿Cuál es la diferencia entre encóderes incrementales y absolutos?

Los codificadores incrementales dan información de posición relativa, dan una serie de pulsos internamente para decir que el movimiento ocurrió pero no en qué posición estaba después de que se pierde la energía. Algunos de los ámbitos en los que pueden utilizarse perfectamente son la medición de la velocidad. Los encóderes absolutos, por el contrario, hacen de cada posición un código distinto, de modo que se puede mantener la posición correcta incluso cuando se corta la alimentación. Los encóderes absolutos son más importantes en situaciones de memorización (por ejemplo, robótica y otros mecanizados de alta precisión).

5. ¿Qué significa codificador en automatización?

Un encóder, en el contexto de la automatización, es una máquina que da información sobre la posición, velocidad o dirección del movimiento de cualquiera de las secciones móviles de una máquina. Transforma el movimiento mecánico en señales eléctricas interpretables por los controladores, de modo que los sistemas puedan estabilizar sus operaciones y situarlas en la dirección correcta en tiempo real. Los codificadores resultan fundamentales para el funcionamiento preciso, eficaz e irrefutable de la producción automatizada, las cadenas de montaje y la robótica.