Guía definitiva de tipos de codificadores: Del control de movimiento al aprendizaje automático

Introducción: ¿Qué son los codificadores y por qué son necesarios?

La tecnología moderna es una danza complicada en la que la precisión es la clave. Ya sean los brazos robóticos que ensamblan smartphones o los algoritmos que le dicen qué comprar a continuación, la capacidad de percibir, interpretar y actuar sobre los datos con capacidad de respuesta es lo que marca la diferencia entre el éxito y el fracaso. La unidad central de esta precisión es el codificador. Esencialmente, un codificador es un dispositivo, un sensor o un algoritmo que cambia el formato de la información de una cosa a otra. Esta definición es imprecisa, pero se aplica de forma muy concreta y contundente.

En el sentido físico de la ingeniería y la automatización, un codificador es un componente electromecánico que convierte el movimiento mecánico, o movimiento, por ejemplo, un eje en un sistema de automatización como la rotación del eje de un motor, o el movimiento lineal de un componente, en una señal eléctrica. La señal proporciona información de retorno de la posición, velocidad, dirección o conteo del eje, lo que permite que las máquinas funcionen de forma muy controlada y precisa. El buen funcionamiento de las máquinas CNC, la automatización de cintas transportadoras y los intrincados robots no habrían sido posibles sin el uso de encóderes. Desempeñan un papel vital en las máquinas contemporáneas, ya que proporcionan los órganos sensoriales en el control de actividades inteligentes a través de distintas aplicaciones y en diferentes condiciones del entorno.

El algoritmo para la conversión de datos (es decir, variables categóricas, por ejemplo, rojo, verde, azul) en una representación numérica que pueda ser leída y analizada por modelos de aprendizaje automático se denomina codificador en el contexto digital de la ciencia de datos y el aprendizaje automático. Dicha transformación es un principio fundamental para preparar los datos para su análisis, permitiendo a los algoritmos ver algunos patrones y hacer predicciones.

Por tanto, el conocimiento de las variedades de codificadores no es simplemente teórico. Es una necesidad esencial de ingenieros, científicos de datos, desarrolladores e integradores de sistemas. El tipo de encóder, desde un dispositivo real utilizado con un motor hasta un método de software utilizado con un conjunto de datos, influye directamente en el rendimiento, la fiabilidad y la eficacia de ese sistema. Esta guía cubrirá el microcosmos del panorama de los encóderes y desmitificará las tecnologías utilizadas, además de permitirle tomar decisiones informadas sobre la aplicación que elija.

Diferentes tipos de codificadores: Visión general y principales diferencias

El mundo de los codificadores se divide básicamente en dos universos diferentes: los codificadores de la ciencia de los datos y los codificadores físicos que miden el movimiento. Sus formas son disímiles y difieren absolutamente en sus funciones aunque casualmente comparten un nombre y un principio central como la conversión.

Los codificadores físicos son codificadores de hardware que deben medir el movimiento. Son los sentidos que actúan como retroalimentación en miles de máquinas que están automatizadas. La mayor diferenciación en este grupo tiene que ver con el tipo de movimiento que computan:

• Codificadores rotatorios: La finalidad de estos dispositivos es medir los movimientos de rotación. Se apoyan en un disco giratorio, por ejemplo, el eje de un motor, y producen una señal de salida relacionada con la posición angular o la velocidad del eje. Prácticamente se encuentran en todas partes en el control de la rotación.
• Codificadores lineales: Por el contrario, los encóderes lineales miden el movimiento lineal. Son un transductor (o cabeza lectora) y una escala que miden la posición relativa como un movimiento a lo largo de una distancia especificada. Desempeñan funciones muy críticas, como en máquinas herramienta, impresoras 3D e impresoras tridimensionales y máquinas de medición de coordenadas (MMC).

Codificadores de ciencia de datos Procesos algorítmicos utilizados en el preprocesamiento de datos como parte de un flujo de trabajo de aprendizaje automático. Tienen por objeto transformar los datos no numéricos en una representación numérica, en la que puedan aplicarse modelos matemáticos. Los más importantes son:

• Codificadores categóricos: Estos algoritmos utilizan variables, que son categóricas. Ejemplos típicos de codificación son la codificación unívoca o codificación en la que se introduce un valor binario por columna por clasificación y otra es la codificación de etiquetas en la que a cada clasificación se le asigna un código distinto. En este caso, la selección de una técnica se basa en la naturaleza de los datos y en las necesidades del modelo de aprendizaje automático.
• Aprendizaje de funciones Codificadores (por ejemplo, autocodificadores): Codificadores de aprendizaje de características (por ejemplo, autocodificadores): Son construcciones de redes neuronales más avanzadas que tratan de encontrar representaciones comprimidas eficientes de los datos. Un autocodificador comprende un codificador que transforma las cantidades de entrada en un espacio latente de baja dimensión y un decodificador que reconstruye las cantidades originales en el espacio de entrada mediante una transducción de la relación comprimida entre las cantidades de entrada y la representación comprimida. Pueden aplicarse en tareas como la reducción de la dimensionalidad, la extracción de características y la detección de anomalías.

Reconocer el concepto en esta división de niveles es el paso inicial. En el caso del ingeniero, las opciones están entre diversos grados de sensores físicos en términos de movimiento, tecnología y salida. Para los científicos de datos, el mayor dilema es qué algoritmo servirá a sus datos de representación más adecuada dado un modelo.

Codificadores rotatorios: La solución de control de movimiento más común

En última instancia, no hay dispositivo más fundamental o de mayor alcance que un codificador rotatorio en lo que respecta al control del movimiento. Su aplicación es importante: retroalimentar en tiempo real la posición angular, la velocidad y la dirección de un eje giratorio. Es la parte fundamental de cualquier sistema de control en bucle cerrado, porque permite que una pieza de maquinaria adapte dinámicamente su funcionamiento para conseguir unos parámetros exactos. Ya se trate de los micromovimientos de un brazo robótico o de la velocidad superior a la media de una máquina de envasado, el codificador rotatorio es fundamental para la ejecución impecable de los comandos.

Los codificadores rotatorios en automatización y robótica son demasiado esenciales para subestimarlos. Permiten que el sistema de control de un motor garantice que el eje ha alcanzado el ángulo correcto, que la velocidad de giro está en un nivel óptimo y que se dirige en la dirección correcta. Esto es lo que se necesita en automatización para garantizar la repetibilidad, la precisión y la seguridad. Los sistemas sin esta respuesta eficaz tendrían que funcionar en “bucle abierto”, estimando de hecho que se han obedecido sus órdenes, lo cual es inviable en cualquier sistema de alta precisión.

Encóderes absolutos frente a incrementales: ¿Cuál se adapta mejor a sus necesidades?

Entre la clase de encóderes rotativos (y lineales), quizá una de las diferencias más significativas sea la de absoluto frente a incremental. La selección de uno de ellos depende directamente de si la aplicación requiere información posicional, especialmente la puesta en marcha del sistema y la pérdida de potencia.

Los codificadores incrementales son los caballos de batalla de numerosos sistemas de control de movimiento. Funcionan mediante una serie de impulsos que se producen continuamente a medida que gira el eje. Suelen poseer dos canales de salida (A y B), 90 desfasados, que permiten al sistema de control decidir en qué sentido se va a girar. Estos impulsos también pueden denominarse número de impulsos y, midiéndolos, el sistema puede deducir las posiciones relativas y la velocidad. Pero un encoder incremental puede decirse a sí mismo que se ha movido y hasta dónde; no sabe dónde está. Como resultado, en estas aplicaciones, al arrancar o después de una pérdida de potencia, el sistema tendrá que pasar por un procedimiento de “homing”, que es un movimiento hacia un punto de referencia de inicio conocido o un interruptor de límite para alcanzar una posición de referencia cero.

• Ideal para: Aplicaciones que requieren control de velocidad y medición de longitud moderada, junto con aplicaciones en las que se puede tolerar una secuencia de referencia. Son en gran medida menos costosos y menos elaborados de construir.

En cambio, los codificadores absolutos ofrecen un código digital distintivo para cada una de las posiciones de los ejes. La alimentación puede desconectarse y conectarse, y cuando vuelve, devuelve el codificador a su posición real sin tener que reajustarse a un punto de referencia. Se realiza mediante un disco con patrón individual que representa cada una de las posiciones. Los encóderes absolutos multivuelta pueden controlar incluso el número de revoluciones completas, lo que los hace adecuados para trabajos de posicionamiento detallados.

• Lo mejor para: Los codificadores absolutos en cambio ofrecen un código digital distintivo a cada una de las posiciones de los ejes. La alimentación puede desconectarse y conectarse, y cuando vuelve, devuelve el codificador a su posición real sin tener que reiniciarse en un punto de referencia. Se realiza mediante un disco con patrón individual que representa cada una de las posiciones. Los encóderes absolutos multivuelta pueden controlar incluso el número de revoluciones completas, lo que los hace adecuados para trabajos de posicionamiento detallados.

Tecnologías de codificación: Ópticos, magnéticos y mecánicos

Un segundo detalle importante que determina el rendimiento, la durabilidad y la idoneidad de un codificador en un entorno concreto es la tecnología interna utilizada para detectar el movimiento, como en el caso de los codificadores rotatorios ópticos. Estas tres tecnologías son óptica, magnética y mecánica.

Los más utilizados y populares se denominan codificadores ópticos y se caracterizan por su alta resolución y precisión. Se activan haciendo brillar una luz LED a través de un disco pregrabado (el disco de código) con un patrón de líneas transparentes y opacas. Un sensor óptico situado en el lado opuesto lee este patrón y lo convierte en una señal eléctrica digital.

• Ventajas: Es el más preciso y el más resolutivo disponible. Constituyen la referencia del sector cuando se requieren aplicaciones de alta precisión, como en el procesamiento de semiconductores y la metrología de alta precisión.
• Limitaciones: Puede haber golpes, vibraciones y sensibilidad a los contaminantes de la óptica interna, lo que puede causar la obstrucción de la trayectoria de la luz (polvo o aceite) dando lugar a errores de señal- particularmente en entornos exigentes.

Los codificadores magnéticos ofrecen una mayor robustez y durabilidad. Se basan en un rotor magnetizado (y una serie de polos magnéticos, que son detectados por sensores magnéticos (normalmente de efecto Hall o magnetorresistivos). El rotor gira, y los sensores observan este cambio del campo magnético y producen una señal.

• Ventajas: Muy resistentes a los golpes, a las vibraciones, a la humedad y al polvo. Su aspecto físico duradero las cualifica para su uso en entornos duros como acerías, equipos de construcción y uso en lavados.
• Limitaciones: Aunque los codificadores magnéticos modernos son mucho mejores, tienen menor resolución y precisión que los codificadores ópticos.

Los más básicos y sencillos son los codificadores mecánicos (también llamados codificadores de contacto). Se basan en un par de contactos físicos y trazas conductoras en una placa de circuito impreso para obtener la posición. El eje gira y los contactos siguen las pistas a través del circuito abriendo y cerrando un circuito para formar una señal codificada.

• Ventajas: Bajo coste y diseño sencillo.
• Limitaciones: Son susceptibles al desgaste mecánico, ya que está físicamente en contacto, de ahí su corta vida útil y bajo puede ser poco fiable. También sufren rebote de contacto y muy baja resolución, y son inadecuados para el control de movimiento de precisión.

Elegir el codificador adecuado para su aplicación

Seleccionar el encóder ideal requiere una evaluación sistemática de las necesidades específicas de su aplicación. Más allá de los tipos básicos, debe tener en cuenta varios parámetros clave de rendimiento para garantizar una funcionalidad y longevidad óptimas.

Estos son los factores prácticos que deben guiar su proceso de selección:

1. Resolución: Es el número de puntos de medición por revolución (para rotativos) o por unidad de longitud (para lineales). Suele especificarse en impulsos por revolución (PPR) para encóderes incrementales o en bits para encóderes absolutos (por ejemplo, un encóder de 12 bits tiene 2^12 o 4.096 posiciones únicas). Una mayor resolución permite un control más preciso, pero no siempre es necesaria y puede aumentar el coste.
2. Precisión: No confundir con la resolución, la precisión se refiere a lo cerca que está la salida del encóder de la posición física real. Un encóder de alta resolución no es necesariamente muy preciso. La precisión es fundamental para aplicaciones de metrología y posicionamiento de precisión.
3. Entorno: Tenga en cuenta las condiciones de funcionamiento. ¿Estará el encóder expuesto a polvo, humedad, temperaturas extremas, golpes fuertes o vibraciones? Un encóder magnético es más adecuado para una fábrica sucia y con muchas vibraciones, mientras que un encóder óptico destacaría en un entorno limpio y controlado.
4. Velocidad (RPM): El encóder debe ser capaz de manejar la velocidad máxima de rotación del eje de su aplicación sin perder pulsos o generar errores.
5. Requisitos físicos y de montaje: Asegúrese de que las dimensiones físicas del encóder, el tamaño del eje (o el tamaño del orificio para encóderes de eje hueco) y el patrón de montaje se ajustan a su diseño mecánico.
6. Tipo de salida: La salida eléctrica (por ejemplo, HTL, TTL, colector abierto) debe ser compatible con su sistema de control (PLC, controlador de movimiento, etc.).

Cuadro sinóptico de selección de codificadores

Cómo se utilizan los codificadores rotatorios en robótica y automatización

Los encóderes giratorios, en los campos de la robótica y la automatización industrial, no sólo desempeñan un papel facilitador, sino también de posicionamiento exacto y precisión. La maquinaria compleja es capaz de realizar tareas que poseen una repetibilidad y precisión sobrehumanas gracias a su capacidad de proporcionar información precisa en tiempo real.

En robótica industrial, cada una de las articulaciones de un brazo robótico multieje lleva instalado un encóder absoluto de alta precisión. Cuando el controlador instalado en el robot da instrucciones a la articulación para que funcione en un ángulo determinado, el codificador proporcionará la realimentación para verificar cuándo la articulación ha alcanzado ese ángulo concreto. Este control de realimentación y bucle cerrado permite al brazo trazar una trayectoria programada que puede alcanzar la precisión de milímetros agotados necesaria en aplicaciones de soldadura, pintura y pick-and-place. La naturaleza absoluta de los codificadores también significa que el robot siempre tendría conocimiento de su postura, de modo que incluso en caso de parada total, las secuencias de recalibración no serían largas y muy probablemente peligrosas.

Los codificadores rotatorios son la columna vertebral de muchos procesos industriales. Los codificadores incrementales se instalan en los motores de las cintas transportadoras y las máquinas de llenado de una línea de embotellado de alta velocidad. Ofrecen realimentación de velocidad para que las cintas funcionen a una velocidad absolutamente sincronizada, atrapando las botellas y evitando atascos o derrames. Cuando se utiliza una máquina CNC, los servomotores utilizados para mover los ejes X, Y y Z tienen codificadores para posicionar la herramienta de corte con un grado extremo de precisión, lo que permite a una máquina cortar incluso formas complejas con tolerancias casi estrictas.

Tipos de codificadores en ciencia de datos y aprendizaje automático

Trasladando esto al ámbito digital, los codificadores en el campo de la ciencia de datos se utilizan prácticamente con el mismo fin: convertir la información en una forma con la que un sistema pueda interactuar. En este caso, el sistema o algoritmo de trabajo es un algoritmo de aprendizaje automático y el lenguaje son las matemáticas. Numerosos modelos de aprendizaje automático, como la regresión lineal y las redes neuronales, trabajan con números como datos. Existe la posibilidad de que todo el conjunto de datos tenga características categóricas, es decir, que sea el tipo de producto, la ubicación geográfica del cliente o las respuestas en la encuesta; entonces, el modelo no puede entrenarse en absoluto hasta que se codifica en números.

El objetivo principal del procedimiento de codificación con variables categóricas es producir un valor numérico que retenga la información contenida en las categorías iniciales sin confundir al algoritmo. Los dos métodos más populares son:

• Codificación de etiquetas: La codificación de etiquetas codifica cada categoría con un número entero único. Como ejemplo, Rojo, Verde y Azul podrían cambiarse a 0, 1 y 2. Esto es fácil y puede ser problemático. Cuando esos números se introducen en un modelo, se puede cometer el error de suponer que existe una relación ordinal (por ejemplo, que Azul > Verde > Rojo) cuando no es así. Se emplea sobre todo con las variables que tienen una secuenciación natural (por ejemplo, Bajo, Medio, Alto).
• Codificación de una sola vez: Es a la vez el método más seguro y el más popular de variables categóricas nominales (no ordenadas). Cambia una columna categórica por varias columnas binarias nuevas, una columna por categoría. Para una observación individual, una columna que representa su categoría se codifica como 1, y las demás como 0. Esto no encuentra el problema del orden sugerido, pero se producirá un gran conjunto de valores (alta dimensionalidad) si la variable incluye numerosas categorías.

Además de la mera codificación categórica, los autocodificadores son una extensión de esta noción de codificación hacia la extracción de características y la reducción de la dimensionalidad. Constituyen una instancia de una red neuronal no supervisada, que se entrena para recrear su entrada. A continuación, el módulo codificador de la red se entrena para reducir la representación a una dimensionalidad baja y dispersa y, por tanto, capturar los aspectos más importantes de los datos. A continuación, esta representación codificada puede introducirse en otros modelos de aprendizaje automático, lo que puede producir un rendimiento mejorado y un entrenamiento más rápido.

Por qué los codificadores rotatorios OMCH son la elección ideal para aplicaciones de precisión

En el mundo del control de movimiento de precisión, la calidad de los componentes determina la calidad de los resultados. Cada elección, especialmente la selección de un dispositivo de realimentación, tiene un impacto directo en la precisión, fiabilidad y longevidad del sistema. Por ello, los ingenieros e integradores de sistemas más exigentes recurren a una fuente de confianza para sus aplicaciones más críticas.

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