Qu'est-ce qu'un codeur ? Des principes de base à l'application

Les codeurs (également appelés capteurs de mouvement ou transducteurs de position) constituent un élément très important de l'automatisation, mais qu'est-ce que les codeurs ? Qu'est-ce qu'un codeur, comment fonctionne-t-il et pourquoi est-il si important dans les machines contemporaines ?

Il semble que dans l'environnement de l'automatisation industrielle contemporaine et de l'électronique numérique, la précision ne soit plus un luxe, mais une exigence essentielle d'efficacité, de sécurité et de qualité. La clé de cette précision est un composant important : le codeur d'arbre. Bien qu'il s'agisse d'une petite machine, son importance dépasse la montagne. Ses utilisations sont si nombreuses dans le contrôle des mouvements qu'il est devenu le mécanisme de rétroaction sensorielle dans ce domaine d'applications, permettant à un mouvement physique d'être placé dans une langue vernaculaire numérique que les systèmes de contrôle peuvent lire et à laquelle ils peuvent réagir. Ce document propose une analyse approfondie des différents types de codeurs, y compris leur fonctionnement, les différents types de technologies disponibles et leur mode d'utilisation, ainsi que les questions clés lors de la sélection d'un dispositif particulier adapté à votre utilisation spécifique.

Qu'est-ce qu'un codeur ? Définition de sa fonction principale

Un codeur est un dispositif dans les termes les plus simples et c'est un dispositif vital qui est utilisé pour coder le mouvement mécanique en signal électrique, qu'il s'agisse de la position, de la vitesse, de la direction ou de lectures constantes dans un ensemble donné. Un dispositif de contrôle interprète ensuite ce signal ; il peut s'agir d'un contrôleur logique programmable (PLC), d'une unité de commande numérique par ordinateur (CNC) ou d'un entraînement de moteur.

Il peut être considéré comme un transducteur de mouvement. Dans tout système de contrôle de mouvement en boucle fermée, un contrôleur envoie une commande à un moteur. Les changements de position qui en résultent sont mesurés par le codeur, normalement connecté à l'arbre du moteur ou à un autre élément mobile, et transmettent un rapport au contrôleur. C'est cette boucle de rétroaction qui permet au contrôleur de s'assurer que la commande émise a été exécutée avec précision et, en cas d'écart, de la corriger en temps réel. Un tel retour d'information n'aurait pas été possible et, par conséquent, les systèmes d'exploitation sans retour d'information ou en mode boucle ouverte auraient été très imprécis et auraient pu tomber en panne en raison de toute modification de la charge, de l'usure des composants mécaniques ou même de l'environnement. Le codeur est donc la connexion la plus importante qui facilite la précision, la répétabilité et la fiabilité d'une machine automatisée.

Fonctionnement des codeurs : Un aperçu de la technologie

La méthode par laquelle un codeur traduit un mouvement en un signal est déterminée par sa technologie sous-jacente. Bien qu'il existe plusieurs méthodes, la grande majorité des codeurs industriels reposent sur des principes optiques ou magnétiques, chacun offrant des avantages distincts pour différents environnements d'exploitation.

Le codeur optique : L'utilisation de la lumière pour une précision ultime

Les codeurs optiques constituent le nec plus ultra des applications de haute précision. Ils fonctionnent sur le concept de l'interruption d'un faisceau de lumière. Ce qui constitue le cœur du système :

1. Une diode électroluminescente (DEL) qui fournit une source de lumière fixe.
2. Un disque d'indexation (ou échelle linéaire) en verre ou en plastique souple et durable, dont le motif est un ensemble de lignes ou de fentes opaques et transparentes. Ce disque est monté sur l'arbre rotatif.
3. L'autre face du disque comporte un assemblage de photodétecteurs d'un côté et une photodiode (PCL) qui détecte la lumière générée par la diode électroluminescente.

Le disque enfiché réunit la DEL et le photodétecteur dans le disque de codage lorsque l'arbre tourne. Les parties transparentes de la structure laissent passer la lumière et les parties opaques la bloquent. Cette perturbation continue forme une vague d'impulsions lumineuses que le photodétecteur traduit en un signal électrique carré. Le motif et la fréquence de ces impulsions sont exactement proportionnels à la vitesse et à la révolution de l'arbre. Plus le motif du disque est petit, plus le nombre d'impulsions produites par le disque par tour est élevé et plus la résolution est grande. Les codeurs rotatifs absolus et d'autres types de codeurs optiques peuvent avoir des résolutions bien supérieures à des dizaines de milliers d'impulsions par révolution (PPR), ce qui est important dans des applications telles que l'usinage CNC, la robotique et les appareils médicaux, où la précision est primordiale.

Le codeur magnétique : Durabilité pour les environnements difficiles

Les codeurs magnétiques sont robustes et fiables, en particulier là où la poussière, l'humidité, l'huile et les fortes vibrations peuvent masquer un système optique. Ils utilisent des champs magnétiques au lieu d'un faisceau lumineux. Parmi les éléments importants, on peut citer

1. Une roue ou un anneau magnétique, avec des pôles magnétiques successifs (pôles alternatifs du Nord et du Sud), tout autour de la circonférence. Cette roue est fixée à l'arbre rotatif.
2. Un réseau de capteurs, généralement un capteur à effet Hall ou un capteur magnétorésistif, qui mesure lorsque le champ magnétique varie en tournant sur la roue.

Les capteurs utilisés détectent les pôles Nord et Sud lorsqu'ils passent et produisent le signal de sortie du codeur, qui se présente sous la même forme que le signal électrique. Comme ce processus ne dépend pas d'une ligne de visée évidente, le codeur magnétique a tendance à résister fortement aux contaminants. Leur résolution est traditionnellement inférieure à celle des codeurs optiques, mais le développement des systèmes de communication, des protocoles de communication et du traitement des signaux réduit considérablement cet écart. Actuellement, les codeurs magnétiques offrent une solution très performante pour répondre aux applications difficiles dans les aciéries, les chaînes de montage comme celles de l'automobile, les usines de transformation des aliments, etc.

Il existe d'autres technologies telles que les codeurs mécaniques (à contact), capacitifs et à induction, chacune ayant son utilisation spécifique, mais les codeurs optiques et magnétiques ont dominé les diverses industries en raison de leurs performances et de leur fiabilité.

Les principaux types de sortie des codeurs : Des signaux de base à la communication intelligente

Bien que les codeurs soient généralement regroupés en fonction de leur technologie de détection (optique, magnétique, capacitive, etc.), il existe également une autre manière, peut-être plus pratique, de les classer : par le type de signal qu'ils produisent. La sortie détermine la manière dont les données relatives à la position ou au mouvement sont transmises au contrôleur et, enfin, elle détermine la compatibilité d'un codeur avec un système donné. Il est important de connaître ces types de sorties pour choisir le codeur approprié à utiliser dans votre application.

1. Sortie incrémentale : Les fondements du retour d'information sur le mouvement

Les codeurs à sortie incrémentale fournissent une série d'impulsions électriques en relation avec le mouvement. La réponse est absolue dans le sens où le codeur n'indique pas une position définie sur l'endroit où vous avez été, mais le mouvement du codeur a eu lieu. Ces signaux sont généralement générés sur deux canaux, qui sont des ondes carrées en quadrature (A et B), de sorte que le système peut mesurer à la fois la direction et la vitesse. Un troisième canal Z, en option, fournit une impulsion de référence une fois par tour.

Cas d'utilisation
Option parfaite pour la mesure de la vitesse, le retour d'information sur la vitesse du moteur et le positionnement simple dans les situations où une perte de puissance peut être anticipée. Utilisé dans les systèmes de convoyage, les machines textiles et l'automatisation de l'emballage.

2. Sortie absolue : La position qui n'oublie jamais

Définition
Les codeurs absolus sont utilisés pour offrir une valeur numérique exclusive, au lieu de chaque position d'arbre. Cette sortie indique toujours la position réelle, même après un cycle d'alimentation, de sorte que ces codeurs sont essentiels pour les systèmes où le repositionnement est coûteux ou impossible. L'état est généralement représenté en binaire, en code gris ou sous une autre forme, et peut être envoyé en série (exemple de bouclage) ou en parallèle (exemple de bus parallèle), ou en tant que simple sortie numérique.

Cas d'utilisation
Les applications comprennent la robotique, les équipements médicaux et les machines à commande numérique où la mémoire du système et la récupération déterministe sont importantes.

3. Sortie de communication série : Transfert de données efficace et à haute résolution

Définition
Les codeurs de sortie à communication série envoient les informations de position dans des protocoles de communication numérique, le plus souvent sur deux ou quatre fils. Ces protocoles (par exemple SSI, BiSS-C, EnDat ou Hiperface) sont capables d'indiquer une position à haute résolution et à faible latence et incluent souvent des diagnostics ou d'autres informations d'état. Les interfaces sérielles sont synchronisées avec l'horloge, insensibles au bruit, contrairement aux sorties de signaux bruts, et présentent donc une meilleure intégrité sur de longues distances.

Cas d'utilisation
Ils sont surtout utilisés dans les applications d'asservissement de haute précision, les machines-outils et la construction de semi-conducteurs. Ils peuvent être couramment rencontrés dans les applications qui exigent un niveau élevé de précision dans la rétroaction dans la plage du micron et une robustesse améliorée de la communication.

4. Sortie bus réseau : Codeurs intelligents pour systèmes connectés

Définition
Les codeurs de sortie en réseau (bus de terrain ou Ethernet industriel) sont des composants intelligents d'un système d'automatisation. Ils fonctionnent selon des normes de communication industrielle en temps réel telles que CANopen, PROFINET, EtherCAT, Modbus et DeviceNet, ajoutant non seulement la position et la vitesse, mais aussi les diagnostics, la configuration et la coordination multi-axes. Ces codeurs peuvent être dotés de microprogrammes et de processeurs intégrés.

Cas d'utilisation
Il est parfait pour les réseaux d'automatisation complexes et distribués où le volume est un facteur important, comme dans les chaînes de montage automobile, les usines d'emballage, les centres logistiques et les cellules robotisées de fabrication. Il facilite la maintenance prédictive, les diagnostics à distance et l'intégration dans les automates ou les contrôleurs modernes.

Tableau récapitulatif : Types de sorties et types d'encodeurs

Comprendre les principales spécifications : Spécifications techniques

Pour choisir un encodeur, il faut comprendre ses principaux paramètres de performance :

• Résolution: Définit le plus petit incrément de mouvement que le codeur peut détecter. Pour les codeurs incrémentaux, il est mesuré en impulsions par tour (PPR) ou en lignes par tour (LPR). Pour les codeurs absolus, elle est définie par le paramètre nombre de sorties (bits). Par exemple, un codeur absolu de 13 bits fournit 8 192 positions uniques par tour.
• Précision: Mesure l'écart entre la position signalée par le codeur et la position physique réelle.
• Répétabilité: Mesure la capacité du codeur à indiquer de manière cohérente la même valeur pour la même position physique.
• Signaux de sortie: Se réfère aux caractéristiques électriques de la sortie. En électronique numérique, il peut s'agir de formats TTL ou HTL.

Applications clés de l'automatisation industrielle et de la robotique

Les applications pratiques des codeurs couvrent pratiquement tous les aspects du monde industriel. Leur capacité à fournir un retour d'information précis est le facteur déterminant de l'évolution de l'industrie. performance globale du système des machines modernes.

• Robotique: Chaque articulation d'un robot industriel contient un codeur absolu qui fournit un retour d'information précis sur la position du bras.
• Usinage CNC: Les codeurs des servomoteurs fournissent un retour d'information sur la position des axes de la machine.
• Systèmes de convoyage: Les codeurs incrémentaux sont utilisés pour contrôler la vitesse des bandes transporteuses.
• Emballage et étiquetage: Les encodeurs garantissent la précision de la synchronisation.
• Impression et traceurs: Les encodeurs contrôlent la position de la tête pour haute précision des sorties.
• Lignes d'assemblage automobile: Les encodeurs synchronisent les robots et les convoyeurs pour une production précise des véhicules.
• Dispositifs médicaux: Les codeurs soutiennent les systèmes d'imagerie et de chirurgie robotique.

Les techniques d'apprentissage automatique sont de plus en plus utilisées pour analyser les données de position des encodeurs pour optimiser performance globale du système dans divers secteurs d'activité.

Choisir le bon encodeur : Pourquoi c'est essentiel pour la réussite de votre système

Choisir l'un ou l'autre, c'est vraiment choisir la meilleure façon d'optimiser les performances de l'ensemble du système, de minimiser les coûts et d'obtenir une fiabilité à long terme. Qu'il s'agisse d'un bras robotisé pour réaliser un assemblage de précision, d'une ligne de production automatisée ou de matériel pour la fabrication d'équipements médicaux, le codeur que vous choisissez peut être déterminant pour votre projet.

L'impact du bon encodeur sur votre système

Dans le domaine de l'automatisation industrielle, le codeur a pour mission de fournir des informations précises sur sa position, sa vitesse et sa direction. Un codeur inadapté, en termes de résolution, de type ou d'incapacité à se synchroniser avec les signaux de sortie, peut entraîner une cascade de problèmes :

• Augmentation des temps d'arrêt: Un codeur défectueux peut se briser avant la date prévue, ce qui entraîne des réparations non coordonnées et l'arrêt de la production.
• Résultats inexacts: Vous ne pouvez pas risquer d'obtenir des résultats inexacts avec votre système, surtout si vous n'êtes pas précis avec votre codeur, car votre système peut entraîner une production défectueuse, des composants mal réglés ou même des conditions dangereuses.
• Ressources gaspillées: Un retour d'information défectueux de l'encodeur peut signifier que votre machine calcule également des mouvements erronés, ce qui entraîne des pertes de temps et de matières premières inutiles.

Par exemple, dans le domaine de l'usinage CNC, un codeur défectueux peut entraîner une coupe imprécise ou des erreurs de position, d'où une pièce défectueuse dont la réparation peut coûter cher. Dans les chaînes de montage à évolution rapide, chaque seconde compte - un signal lent ou un retour d'information erroné peut faire perdre à l'entreprise une partie de sa productivité et augmenter le taux de rebut.

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Conclusion : Le codeur, pilier de l'automatisation moderne

Le codeur est bien plus qu'un capteur captif. C'est l'épine dorsale de l'automatisation à l'ère contemporaine, l'objet qui relie l'espace numérique d'une commande et le monde mécanique. Les codeurs permettent aux machines de travailler plus rapidement, plus précisément et plus efficacement que jamais en fournissant des informations de position rapides et précises. Connaître les codeurs disponibles, leur technologie et leurs principales caractéristiques est une information essentielle que les ingénieurs ou les concepteurs doivent posséder pour créer la prochaine génération d'applications de contrôle du mouvement. Avec les avancées technologiques dans les domaines des codeurs prioritaires dans l'électronique numérique et des codeurs intelligents avec apprentissage automatique, l'importance du codeur est le seul aspect susceptible d'être amplifié dans la recherche d'un contrôle parfait du mouvement.

Questions fréquemment posées sur les codeurs

1. Qu'est-ce qu'un codeur ?

Un codeur est un transducteur électromécanique qui capte le mouvement mécanique, qui peut être de type rotatif ou linéaire (déplacement linéaire), et l'encode en un signal numérique. Ce dernier est ensuite lu par un contrôleur ou un ordinateur pour contrôler la vitesse, la position, la direction ou le comptage. Les codeurs trouvent de nombreuses applications dans les systèmes de contrôle des mouvements pour permettre un retour d'information facile qui automatiserait le fonctionnement des machines et la précision du processus, comme dans l'usinage CNC, la robotique ou même les chaînes d'assemblage.

2. Comment fonctionne un codeur ?

Le principe des codeurs est de mesurer un changement dans la localisation, la vitesse ou la trajectoire d'un objet tournant ou se déplaçant. Ils sont dotés de technologies optiques, magnétiques ou autres, qui leur permettent de produire des signaux électriques en réponse à un mouvement. Les codeurs optiques, par exemple, émettent de la lumière vers un disque codé qui interrompt la lumière et génère des impulsions, tandis que les codeurs magnétiques recueillent les variations des champs magnétiques. Celles-ci sont ensuite transformées en données qui sont traitées par des contrôleurs.

3. À quoi servent les codeurs ?

Les codeurs sont utilisés dans de nombreuses procédures pour contrôler et suivre les mouvements mécaniques. Ils jouent un rôle essentiel dans les systèmes tels que la robotique, les machines à commande numérique, l'automatisation industrielle et les convoyeurs à bande pour fournir un retour d'information. Les codeurs permettent de suivre la position, de mesurer la vitesse et de trouver la direction, garantissant ainsi la précision et la capacité de la machine. Ils sont également utilisés dans les ascenseurs, les appareils médicaux et les systèmes automobiles.

4. Quelle est la différence entre les codeurs incrémentaux et absolus ?

Les codeurs incrémentaux donnent des informations sur la position relative. Ils émettent une série d'impulsions en interne pour indiquer qu'un mouvement s'est produit, mais pas la position dans laquelle il se trouve après une coupure de courant. Ils peuvent être parfaitement utilisés, entre autres, pour mesurer la vitesse. Les codeurs absolus, en revanche, font de chaque position un code distinct, de sorte que la position correcte peut être maintenue même en cas de coupure de courant. Les codeurs absolus sont plus importants dans les situations de mémorisation (par exemple, la robotique et d'autres types d'usinage de haute précision).

5. Quelle est la signification de l'encodeur dans l'automatisation ?

Dans le contexte de l'automatisation, un codeur est une machine qui donne des informations sur la position, la vitesse ou la direction du mouvement de n'importe quelle section mobile d'une machine. Il transforme les mouvements mécaniques en signaux électriques interprétables par les contrôleurs, ce qui permet aux systèmes de stabiliser leurs opérations et de les orienter dans la bonne direction en temps réel. Les codeurs sont essentiels à la précision, à l'efficacité et à l'irréfutabilité de la production automatisée, des lignes d'assemblage et de la robotique.