Fondamenti dei dischi encoder
Che cos’è un disco encoder: il componente più importante dentro l’encoder
Aprendo un encoder ottico si trovano una sorgente luminosa, un disco encoder, una testina di lettura e una scheda elettronica. Il disco è la parte che ruota con l’albero e porta un pattern di precisione. Questo articolo spiega dove si trova, a che cosa serve, perché fissa il limite superiore dell’encoder e quali sono le forme più comuni: disco, nastro codificato e riga ottica.
Chi apre per la prima volta un encoder ottico spesso resta un po’ sorpreso: dentro non c’è alcun meccanismo complicato, solo un albero, una scheda elettronica, un involucro e, in mezzo, un sottile dischetto. Quel dischetto è il disco encoder. Non dà nell’occhio, ma è l’unico componente dell’intero encoder che porta davvero una “scala graduata”.
Dove si trova il disco
Prendendo come esempio un comune encoder ottico a trasmissione, dal basso verso l’alto l’ordine è all’incirca: albero e sede dei cuscinetti, sorgente luminosa, disco encoder, testina di lettura, scheda elettronica, involucro (vedi Figura 1).
- Il disco è fissato all’albero tramite un mozzo e ruota con esso;
- la sorgente luminosa sta da un lato del disco e la testina di lettura dall’altro, entrambe fisse;
- la scheda elabora i segnali provenienti dalla testina, l’involucro protegge dalla polvere e scherma la luce parassita esterna.
La versione a riflessione mette sorgente e ricevitore dallo stesso lato del disco, ma il ruolo del disco non cambia.
Che cosa fa il disco
In una frase: trasforma “di quanto si è ruotato” in “quante volte la luce è passata da chiaro a scuro”.
Sul disco ci sono uno o più anelli di pattern di precisione. La traccia incrementale porta linee equidistanti, la traccia di zero ha un’unica finestra per giro, e un disco assoluto ha in più tracce codificate. Le linee non lasciano passare la luce, gli spazi sì. Ogni volta che il disco avanza di un passo, la luce sulla testina compie un ciclo chiaro-scuro. Il reticolo di scansione e i fotorivelatori nella testina trasformano questa variazione in un segnale elettrico, che il circuito squadra in impulsi oppure invia all’interpolazione.
In altre parole, tutte le informazioni di posizione di un encoder nascono, in origine, dal pattern sul disco. Gli altri componenti si occupano di illuminare, ricevere, elaborare e proteggere.
Perché il disco fissa il limite superiore
Il circuito può amplificare, filtrare e interpolare, ma lavora solo sul segnale fornito dal disco. Diverse caratteristiche del disco corrispondono direttamente alle specifiche dell’encoder:
| Caratteristica del disco | Specifica corrispondente dell’encoder |
|---|---|
| Numero di linee | Risoluzione di base: l’angolo corrispondente a un periodo del segnale |
| Precisione di posizione delle linee | Precisione: gli errori di posizione delle linee entrano direttamente nella lettura |
| Concentricità tra tracce e albero | Errore di eccentricità: errore sinusoidale con un periodo per giro |
| Larghezza linea, bordi, opacità | Ampiezza e contrasto del segnale, e fino a che punto si può interpolare |
| Substrato | Resistenza agli urti, alla temperatura, dilatazione termica |
Due esempi di calcolo. Un disco da 2500 linee dà, con decodifica x4 delle onde quadre, 10000 conteggi per giro, ciascuno di circa 129,6″; il circuito non conterà linee che sul disco non ci sono. L’interpolazione seno/coseno può suddividere un periodo in mille e più parti, ma solo se il segnale è abbastanza pulito; se le linee stesse sono spostate di qualche secondo d’arco, per quanto fine sia la suddivisione quei secondi d’arco restano nella lettura.
Passiamo al montaggio: per un disco con raggio di lettura di 20 mm, un montaggio eccentrico di 5 μm produce con una sola testina un errore di circa 52″ (Δθ ≈ e ÷ r). È per questo che sui dischi encoder si realizza un anello di centraggio.
Forme comuni: disco, nastro codificato e riga ottica
Lo stesso principio si può realizzare in forme diverse (vedi Figura 2):
- Disco circolare: misura l’angolo di rotazione; usato in servomotori, tavole rotanti, giunti robotici e così via.
- Nastro codificato: striscia flessibile che misura spostamenti lineari; i carrelli delle stampanti usano spesso nastri codificati.
- Riga ottica: le linee sono realizzate su una riga rettilinea; nel controllo ad anello completamente chiuso delle macchine utensili CNC si aggiunge una riga ottica all’encoder del motore.
Anche i substrati sono di diversi tipi. Nei dischi in vetro le linee sono di solito cromo depositato sul vetro, formato per fotolitografia e incisione, quindi si possono ottenere linee molto fini e numerose; i dischi metallici sono per lo più in acciaio inossidabile, a riflessione, resistenti a urti e vibrazioni; i dischi in PC (policarbonato) sono leggeri e non fragili, adatti a grandi volumi e costi contenuti.
Sintesi
Il disco encoder è il componente dell’encoder che porta la “scala graduata”: tutte le informazioni di posizione provengono da lui. Il numero di linee fissa la risoluzione di base, precisione delle linee e concentricità sono la base della precisione, la qualità delle linee determina la bontà del segnale. Qualunque valutazione di un encoder, alla fine, torna a questo disco.
Traduzione dell’articolo originale cinese (0011). ENC7 – produttore di dischi encoder (richiesta) · Articoli tecnici · https://enc7.com
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