O que é um codificador? Dos princípios básicos à aplicação

Os encoders (também chamados de sensores de movimento ou transdutores de posição) são uma parte muito importante da automação, mas o que são encoders? O que são encoders, como eles funcionam e por que são tão importantes nas máquinas atuais?

Parece que, no ambiente da automação industrial contemporânea e da eletrônica digital, a precisão não é mais um luxo, mas uma exigência essencial de eficiência, segurança e qualidade. A chave para essa precisão é um componente importante: o codificador de eixo. Embora possa ser uma máquina pequena, sua importância é maior do que a montanha. Seus usos são tão numerosos no controle de movimento que ele se tornou o mecanismo de feedback sensorial nesse campo de aplicações, permitindo que um movimento físico seja colocado em um vernáculo digital que os sistemas de controle possam ler e reagir. O documento oferecerá uma análise profunda de vários tipos de codificadores, incluindo como eles operam, os vários tipos de tecnologias disponíveis e como são usados, bem como os principais problemas durante a seleção de um dispositivo específico para atender ao seu uso particular.

O que é um codificador? Definição de sua função principal

Um codificador é um dispositivo em termos mais simples e é um dispositivo vital usado para codificar o movimento mecânico em um sinal elétrico, seja ele de posição, velocidade, direção ou leituras constantes em um determinado conjunto. Um tipo de dispositivo de controle interpreta esse sinal, que pode ser um controlador lógico programável (PLC), uma unidade de controle numérico computadorizado (CNC) ou um acionamento de motor.

Ele pode ser considerado um transdutor de movimento. Em qualquer sistema de controle de movimento de malha fechada, um controlador envia um comando a um motor. As alterações resultantes nas posições são medidas pelo codificador, normalmente conectado ao eixo do motor ou a algum outro elemento móvel e fornece um relatório ao controlador. Esse é o loop de feedback que permite que o controlador se certifique de que o comando emitido foi feito com precisão e, quando houver algum desvio, corrija-o em tempo real. Esse feedback não teria sido possível e, portanto, os sistemas operacionais em um modo sem feedback ou de loop aberto seriam altamente imprecisos e poderiam falhar devido a qualquer alteração na carga, desgaste dos componentes mecânicos ou até mesmo do ambiente. Isso torna o codificador, portanto, a conexão mais importante que facilita a precisão, a repetibilidade e a confiabilidade da máquina automatizada.

Como os codificadores funcionam: Um olhar sobre a tecnologia

O método pelo qual um codificador converte o movimento em um sinal é determinado por sua tecnologia subjacente. Embora existam vários métodos, a grande maioria dos codificadores industriais se baseia em princípios ópticos ou magnéticos, cada um oferecendo vantagens distintas para diferentes ambientes operacionais.

O codificador óptico: Usando a luz para obter a máxima precisão

O que há de mais moderno em aplicações de alta precisão e exatidão são os codificadores ópticos. Eles funcionam com base no conceito de interrupção de um feixe de luz. Em que consiste seu núcleo:

1. Um diodo emissor de luz (LED) que fornecerá uma fonte fixa de luz.
2. Um disco de índice (ou escala linear) em vidro ou em um plástico flexível e durável, cujo padrão é um conjunto de linhas ou ranhuras opacas e transparentes. Esse disco é encaixado no eixo giratório.
3. O outro lado do disco tem um conjunto de fotodetectores em um lado e um LED fotográfico (PCL) que detecta a luz gerada pelo LED.

O disco conectado reúne o LED e o fotodetector no disco de código à medida que o eixo gira. As partes transparentes da estrutura permitem a passagem da luz e as partes opacas bloqueiam a luz. Essa interrupção contínua forma uma onda de pulsos de luz que o fotodetector converte em um sinal elétrico de onda quadrada. O padrão e a frequência desses pulsos são exatamente proporcionais à velocidade e à rotação do eixo. Quanto menor for o padrão no disco, maior será o número de pulsos produzidos pelo disco por rotação e maior será a resolução. Os codificadores rotativos absolutos e outros tipos ópticos podem ter resoluções muito superiores a dezenas de milhares de pulsos por revolução (PPR), o que é significativo em aplicações como usinagem CNC, robótica e dispositivos médicos, pois a precisão é fundamental.

O codificador magnético: Durabilidade para ambientes agressivos

Os codificadores magnéticos são robustos e confiáveis, especialmente onde poeira, umidade, óleo e vibração pesada podem encobrir um sistema óptico. Eles usam campos magnéticos em vez de feixes de luz. Entre os elementos importantes estão:

1. Uma roda ou anel magnético, com polos magnetizados sucessivos (polos alternados de Norte e Sul), em toda a circunferência. Essa roda é presa ao eixo giratório.
2. Um conjunto de sensores, geralmente um sensor de efeito Hall ou um sensor magnetorresistivo, que mede quando o campo magnético varia ao girar na roda.

Os sensores usados detectam os polos norte e sul à medida que eles passam e resultam na saída de sinal do codificador, que tem a mesma forma que o sinal elétrico. Como esse processo não depende de uma linha de visão óbvia, o codificador magnético tende a resistir muito aos contaminantes. Tradicionalmente, sua resolução é menor do que a dos codificadores ópticos, mas o desenvolvimento de sistemas de comunicação, protocolos de comunicação e processamento de sinais reduz consideravelmente essa diferença. Atualmente, os codificadores magnéticos oferecem uma solução de alto desempenho para atender às aplicações desafiadoras em usinas siderúrgicas, linhas de montagem como as linhas de montagem de automóveis, fábricas de processamento de alimentos e assim por diante.

Há outras tecnologias, como codificadores mecânicos (baseados em contato), capacitivos e de indução, cada uma delas com seu uso específico, mas a óptica e a magnética têm dominado principalmente os diversos setores devido ao seu desempenho e confiabilidade.

Os principais tipos de saída do codificador: Dos sinais básicos à comunicação inteligente

Embora os codificadores sejam comumente agrupados em termos de sua tecnologia de detecção (óptica, magnética, capacitiva etc.), há também uma maneira diferente, mas possivelmente mais prática, de classificá-los: pelo tipo de sinal que produzem. A saída é o que determina a maneira pela qual os dados sobre a posição ou o movimento são transmitidos ao controlador e, por fim, determina a compatibilidade de um codificador com uma determinada estrutura de sistema. Conhecer esses tipos de saída é importante para escolher o codificador adequado a ser usado em sua aplicação.

1. Saída incremental: A base do feedback de movimento

Os codificadores de saída incremental fornecem uma série de pulsos elétricos em relação ao movimento. A resposta é absoluta no sentido de que o codificador não informa a posição definitiva de onde você esteve, mas o movimento do codificador ocorreu. Esses sinais são normalmente gerados em dois canais, que são ondas quadradas em quadratura (A e B), de modo que o sistema pode medir tanto a direção quanto a velocidade. Um terceiro canal Z opcional fornece um pulso de referência uma vez por revolução.

Casos de uso
Opção perfeita para medir a velocidade, feedback da velocidade do motor e posicionamento simples em situações em que uma perda de energia pode ser evitada. É usado em sistemas de transportadores, em máquinas têxteis e na automação de embalagens.

2. Saída absoluta: Posição que nunca esquece

Definição
Os encoders absolutos são usados para oferecer um valor digital exclusivo, em vez de cada posição do eixo. Essa saída sempre indica a posição real, mesmo após um ciclo de energia, portanto, esses codificadores são essenciais para sistemas em que o re-homing é caro ou impossível. O estado geralmente é representado em código binário, código cinza ou outra forma, e pode ser enviado em série (exemplo de looping ou em paralelo (exemplo de barramento paralelo), ou como uma saída digital simples.

Casos de uso
As aplicações incluem o uso em robótica, equipamentos médicos e máquinas CNC em que a memória do sistema e a recuperação determinística são importantes.

3. Saída de comunicação serial: Transferência de dados eficiente e de alta resolução

Definição
Os codificadores de saída de comunicação serial enviam as informações de posição em protocolos de comunicação digital, geralmente em dois ou quatro fios. Esses protocolos (por exemplo, SSI, BiSS-C, EnDat ou Hiperface) são capazes de informar uma posição de alta resolução e baixa latência e, com frequência, também incluem diagnósticos ou outras informações de estado. As interfaces seriais são sincronizadas com o relógio, imunes a ruídos, ao contrário das saídas de sinal bruto, e, portanto, têm integridade aprimorada em distâncias maiores.

Casos de uso
Mais comuns em aplicações servo de alta precisão, máquinas-ferramentas e na construção de semicondutores. Podem ser comumente encontrados em aplicações que exigem um alto nível de precisão no feedback na faixa de mícrons e maior robustez na comunicação.

4. Saída de barramento de rede: Codificadores inteligentes para sistemas conectados

Definição
Os encoders de saída em rede (fieldbus ou Ethernet industrial) são componentes inteligentes de um sistema de automação. Eles funcionam usando padrões de comunicação industrial em tempo real, como CANopen, PROFINET, EtherCAT, Modbus e DeviceNet, acrescentando não apenas posição e velocidade, mas também diagnósticos, configuração e coordenação de vários eixos. Esses codificadores podem ter firmware e processadores incorporados.

Casos de uso
É perfeito para redes de automação complexas e distribuídas em que o alto volume é um fator importante, como em linhas de montagem automotivas, fábricas de embalagens, centros de logística e células de robôs de fabricação. Facilita a manutenção preditiva, o diagnóstico remoto e o plug and play em PLCs ou controladores modernos.

Tabela de resumo: Tipos de saída versus tipos de codificador

Entendendo as principais especificações: Especificações técnicas

A seleção de um codificador requer a compreensão de suas principais métricas de desempenho:

• Resolução: Define o menor incremento de movimento que o codificador pode detectar. Para codificadores incrementais, é medido em pulsos por revolução (PPR) ou linhas por revolução (LPR). Para codificadores absolutos, é definido pelo número de saídas (bits). Por exemplo, um codificador absoluto de 13 bits fornece 8.192 posições exclusivas por revolução.
• Precisão: Mede o desvio entre a posição informada pelo codificador e a posição física real.
• Repetibilidade: Mede a capacidade do codificador de informar consistentemente o mesmo valor para a mesma posição física.
• Sinais de saída: Refere-se às características elétricas da saída. Na eletrônica digital, elas podem incluir os formatos TTL ou HTL.

Principais aplicativos em automação industrial e robótica

As aplicações práticas dos encoders abrangem quase todos os cantos do mundo industrial. Sua capacidade de fornecer feedback preciso é o fator que possibilita a desempenho geral do sistema de maquinário moderno.

• Robótica: Cada junta de um robô industrial contém um codificador absoluto para fornecer feedback preciso sobre a posição do braço.
• Usinagem CNC: Os codificadores nos servomotores fornecem feedback de posição para os eixos da máquina.
• Sistemas de transporte: Os codificadores incrementais são usados para monitorar a velocidade das correias transportadoras.
• Embalagem e rotulagem: Os codificadores garantem a precisão do tempo.
• Impressão e plotadoras: Os codificadores controlam a posição do cabeçote para alta precisão saídas.
• Linhas de montagem automotivas: Os codificadores sincronizam os robôs e as esteiras transportadoras para uma produção precisa de veículos.
• Dispositivos médicos: Os codificadores são compatíveis com sistemas de imagem e de cirurgia robótica.

As técnicas de aprendizado de máquina são cada vez mais usadas para analisar dados de posição de codificadores para otimizar desempenho geral do sistema em vários setores.

Escolhendo o codificador certo: Por que é fundamental para o sucesso do seu sistema

Escolher qual deles é realmente escolher a melhor maneira de otimizar o desempenho de todo o seu sistema, minimizar os custos e ter confiabilidade a longo prazo. Seja um braço robótico para fazer montagens de precisão, uma linha de produção automatizada ou hardware para fabricar equipamentos médicos, o codificador que você selecionar pode prejudicar ou melhorar o seu projeto.

Como o codificador certo afeta seu sistema

O codificador na automação industrial tem a tarefa de fornecer informações precisas sobre sua posição, velocidade e direção. O codificador errado, em termos de resolução, tipo ou incapacidade de sincronização com os sinais de saída, pode causar uma cascata de problemas:

• Aumento do tempo de inatividade: Um codificador ruim pode quebrar antes do tempo programado, o que leva a reparos descoordenados e ao término da produção.
• Resultados imprecisos: Não se pode correr o risco de ter resultados imprecisos com o sistema, especialmente quando não se é exato com o codificador, pois o sistema pode levar a uma produção defeituosa, componentes mal ajustados ou até mesmo condições perigosas.
• Desperdício de recursos: A falha no feedback do codificador pode significar que sua máquina também está computando movimentos errados, causando desperdício desnecessário de tempo e matérias-primas.

Por exemplo, na usinagem CNC, um codificador defeituoso pode causar um corte impreciso ou erros de posição e, portanto, uma peça defeituosa que pode custar muito caro para ser consertada. Em linhas de montagem de movimento rápido, cada segundo é importante - um sinal lento ou um feedback errôneo pode fazer com que a empresa perca um pouco de produtividade e crie uma taxa maior de refugos.

Por que a OMCH é a sua empresa confiável de automação industrial

OMCH A OMCH Inc. é uma empresa de fabricação de componentes de automação que transformou uma pequena oficina em uma empresa globalmente competente que atende a mais de 72.000 clientes em diferentes partes do mundo. - O portfólio de codificadores da OMCH oferece força industrial, confiabilidade de sinal e precisão de baixo custo, com quase 40 anos de projeto, fabricação e suporte B2B global.

Veja por que os clientes confiam nos codificadores OMCH:

1. Qualidade confiável com certificações globais
   O codificador OMCH é produzido de acordo com a certificação ISO 9001 e tem certificação CE, CCC e RoHS, o que significa que foi aprovado internacionalmente em termos de padrões de segurança e desempenho.
2. Projetado para ambientes exigentes
   Os encoders construídos para suportar uma resistência excessivamente alta a vibrações, óleo, poeira e variações de temperatura são projetados em nossos encoders para enfrentar os ambientes industriais mais adversos.
3. Adaptado ao seu aplicativo
   Você precisa de especificações personalizadas? O OMCH é compatível com a fabricação de OEM, configuração de fiação personalizada e sinais de saída de produção, de modo que a integração é fácil em diferentes plataformas, como PLCs, controladores de movimento e drives de reavaliação.
4. Ecossistema de automação completa
   A OMCH não é apenas uma fornecedora de sensores - oferecemos uma linha completa para suas necessidades de automação, incluindo sensores de proximidade, SMPS, relés, pneumáticos (por meio da HEBAI) e outros - portanto, você pode obter tudo isso aqui.
5. Serviço B2B global, conhecimento local
   Com mais de 28 anos de experiência em mercados globais, a OMCH compreende os novos requisitos dos clientes de automação global, atendendo aos requisitos tecnológicos, financeiros e operacionais de clientes no Brasil e na Índia.

Conclusão: O codificador como um pilar da automação moderna

O codificador é muito mais do que um sensor cativo. Ele é a espinha dorsal da automação na era contemporânea, o objeto que conecta o espaço digital de um comando e o mundo mecânico. Os codificadores permitem que as máquinas trabalhem com mais rapidez, precisão e eficiência do que nunca, fornecendo informações de posição rápidas e precisas. Saber quais codificadores estão disponíveis, sua tecnologia e especificações importantes são informações essenciais que os engenheiros ou projetistas precisam ter para criar a próxima geração de aplicativos de controle de movimento. Com os avanços tecnológicos em áreas de codificadores prioritários em eletrônica digital para codificadores inteligentes com aprendizado de máquina, a importância do codificador é o único aspecto que provavelmente será ampliado na busca pelo controle de movimento perfeito.

Perguntas frequentes sobre codificadores

1. O que é um codificador?

Um codificador é um transdutor eletromecânico que recebe o movimento mecânico, que pode ser do tipo rotacional ou linear (deslocamento linear), e o codifica em um sinal digital. Esse sinal é então lido por um controlador ou computador para monitorar a velocidade, a posição, a direção ou a contagem. Os codificadores têm grande aplicação em sistemas de controle de movimento para permitir um feedback fácil que automatize o funcionamento de máquinas e a precisão do processo, como em usinagem CNC, robótica ou até mesmo em linhas de montagem.

2. Como funciona um codificador?

O princípio dos codificadores é medir alguma alteração no paradeiro, na velocidade ou no curso de um item que está girando ou se deslocando. Eles têm tecnologias ópticas, magnéticas ou outras, com as quais produzem sinais elétricos de resposta ao movimento. Os codificadores ópticos, por exemplo, emitem luz para um disco de código que interrompe a luz e gera pulsos, enquanto os magnéticos coletam variações em campos magnéticos. Esses são então transformados em dados que são processados pelos controladores.

3. Para que são usados os codificadores?

Os codificadores encontram aplicação em muitos procedimentos para controlar e rastrear o movimento mecânico. Eles desempenham papéis essenciais em sua aplicação em sistemas como robótica, máquinas CNC, automação industrial e correias transportadoras para oferecer feedback. Os codificadores permitem rastrear a posição, medir a velocidade e encontrar a direção, garantindo a precisão e a capacidade da máquina. Eles também são aplicados em elevadores, dispositivos médicos e sistemas automotivos.

4. Qual é a diferença entre encoders incrementais e absolutos?

Os codificadores incrementais fornecem informações sobre a posição relativa; eles emitem uma série de pulsos internamente para informar que o movimento ocorreu, mas não a posição em que se encontrava após a perda de energia. Algumas das áreas em que eles podem ser perfeitamente usados incluem a medição de velocidade. Os codificadores absolutos, por outro lado, transformam cada posição em um código distinto, de modo que a posição correta pode ser mantida mesmo quando a energia é desligada. Os codificadores absolutos são mais importantes em situações de memorização (por exemplo, robótica e outros tipos de usinagem de alta precisão).

5. Qual é o significado do codificador na automação?

Um codificador, no contexto da automação, é uma máquina que fornece informações sobre a posição, a velocidade ou a direção do movimento de qualquer uma das seções móveis de uma máquina. Ele transforma o movimento mecânico em sinais elétricos que podem ser interpretados pelos controladores, de modo que os sistemas possam estabilizar suas operações e colocá-los na direção certa em uma perspectiva de tempo real. Os codificadores são essenciais para o desempenho preciso, eficiente e irrefutável da produção automatizada, das linhas de montagem e da robótica.