Los codificadores ópticos suelen ser los equipos más fiables para la medición precisa y el control de movimiento. Gracias a su alta precisión, alta resolución y repetibilidad, así como a su capacidad para funcionar en diferentes condiciones ambientales y a su precio relativamente bajo, se utilizan en diversas aplicaciones. Por ejemplo, en máquinas herramienta de control manual y CNC, robots, sistemas de servicio, sistemas de monitorización y diagnóstico de fallos, sistemas de seguimiento, mesas de posicionamiento lineales y rotativas, y otras aplicaciones de posicionamiento de precisión.

 

 

La precisión y exactitud general de un codificador lineal Depende principalmente de la calidad de la escala de medición y del error de subdivisión no lineal (SDE) dentro de un ciclo de señal. Una alta precisión y resolución son cruciales para aplicaciones que requieren un posicionamiento preciso y una buena repetibilidad. En algunas aplicaciones, los codificadores electrónicos no solo se utilizan para la estimación de la posición, sino que también proporcionan retroalimentación para el control de velocidad.

 

SDE (también conocido como error de interpolación) es un ciclo que ocurre durante cada período de rotación del codificador, dependiendo de la calidad de la escala de medición principal de la señal eléctrica generada. Este error se produce durante el proceso de interpolación porque la señal electrónica analógica distorsionada del codificador impide que forme una nueva señal cuadrilateral. En la práctica, el error SDE no causará problemas hasta que su amplitud alcance el tamaño del paso de medición. En otras palabras, el tamaño del SDE es el límite de la resolución máxima. Si el error de posicionamiento es grande, el paso de incremento mínimo medible carece de importancia. Esto es especialmente importante para aplicaciones que requieren un posicionamiento preciso y repetibilidad. En máquinas donde el eje de avance o la mesa giratoria se accionan directamente, los errores de interpolación no lineal no solo causan errores de posicionamiento, sino también ruido fuerte, calentamiento adicional y reducción de velocidad.

 

La calidad de una señal eléctrica depende en gran medida de diferentes aspectos, como el principio de escaneo óptico, el diseño del cabezal de lectura y su capacidad para soportar diversas deformaciones, vibraciones mecánicas o cambios de temperatura. Para mejorar la calidad de la señal y aumentar la robustez del codificador, los fabricantes utilizan métodos avanzados de escaneo óptico, como los principios de escaneo de campo único o interferométrico, o implementan rejillas de análisis multipista especialmente configuradas para eliminar las señales armónicas de alto orden. Desafortunadamente, todas estas mejoras requieren configuraciones de codificador más complejas y componentes ópticos costosos. Los parámetros de señal no equivalentes, como la amplitud relativa, el ajuste de DCo, el desfase y la forma de onda no sinusoidal, deben corregirse antes del proceso de interpolación. Muchos métodos de investigación para abordar este problema implican el uso de corrección digital y tablas de prospectos, o la creación de diferentes algoritmos para la compensación lineal y dinámica. Debido al corto alcance de la SDE, que presenta repeticiones en cada ciclo, su compensación es una tarea difícil.

 

Es fundamental comprender los límites funcionales del codificador de medición de desplazamiento utilizado para que la aplicación funcione correctamente y se realicen los ajustes necesarios. El SDE es uno de los parámetros que deben investigarse primero, especialmente si la señal eléctrica del codificador no se corrige ni compensa antes del proceso de interpolación. El método presentado en este artículo permite estimar la magnitud del error de interpolación y su tendencia a lo largo de un período. Investigaciones experimentales sobre errores de interpolación de codificadores estándar específicos a diferentes velocidades de escaneo han demostrado que la magnitud de este error de baja frecuencia depende en gran medida de la velocidad de recorrido del cabezal de lectura del codificador. Además, un análisis armónico detallado del SDE puede proporcionar una comprensión más clara de las propiedades físicas de los errores y mejorar el rendimiento de los codificadores y de toda la aplicación.

 

 

Utilizar diferentes tipos de principios de escaneo óptico para fotodiodos (como el efecto Talbot, el efecto Lau, el efecto Moiré, la imagen de rejilla generalizada y la interferometría). Generar señales electrónicas de salida para determinar posiciones precisas. Según los dispositivos electrónicos utilizados posteriormente, los codificadores ópticos pueden tener diferentes interfaces para garantizar un intercambio de información fiable. Una de las interfaces más utilizadas para la medición incremental de la posición son dos señales de tensión analógicas casi sinusoidales (Figura 1). Las señales A y B están desplazadas 90 grados, con una amplitud típica de 1 Vpp.

 

Entre ellos, Xposition es la posición relativa entre la escala de medición y el cabezal de lectura; p. el período de la regla principal; SA y SB, el período de los valores de las señales de salida A y B en una posición determinada; SA y SB, respectivamente, son los valores de las señales de salida A y B en una posición determinada.

 

Figura 1. Definición de la interfaz de señal de codificador óptico diferencial de 1 Vpp

 

Este proceso se denomina interpolación y está directamente relacionado con la calidad de la señal. La interfaz de 1 Vpp se utiliza principalmente en aplicaciones donde la interpolación y la digitalización de señales analógicas son ejecutadas por dispositivos electrónicos posteriores de los terminales.

 

Es muy cómodo observar y rastrear la calidad y precisión del codificador combinando la señal simulada del codificador en el eje X y el eje Y del osciloscopio. Desafortunadamente, en aplicaciones prácticas, la señal de salida del codificador se distorsiona debido a imperfecciones en las operaciones de fabricación, ensamblaje y escaneo óptico, así como a impactos negativos debido a cambios en las condiciones ambientales. La distorsión de la señal conduce a SDE, que se repite dentro de cada ciclo de la rejilla del codificador. El cambio en el nivel de fondo de la señal (UA_o ff, UB_o ff) generalmente es causado por defectos o contaminantes en la escala de medición del codificador. Esta distorsión conduce a una distorsión centrada alrededor de la curva de Lissajou, como se muestra en la Figura 2a. La amplitud inconsistente (UA, UB) entre los picos de las señales A y B puede deberse a una iluminación desigual o inconsistente del fotodetector. La Figura 2c muestra que un desplazamiento de fase de 90 grados causa un cambio en la curva. La principal causa de este error es la inclinación entre la cubierta de la malla de escaneo y la escala de medición principal. Todos los armónicos superiores causados ​​por la optoelectrónica y la electrónica hacen que la señal no sea una onda sinusoidal perfecta. Este tipo de error forma una curva de Lissajous no circular, como se muestra en la Figura 2d.

 

Figura 2. Curva de Lissajous de la señal del codificador óptico con error de subdivisión relativo (SDE): (a) error de ajuste; (b) error de amplitud; (c) error del desfasador; (d) error de forma de la señal.

 

 

La fuerza magnética de la forma normal SDE se determina generalmente mediante un codificador de referencia y un interferómetro láser. La diferencia entre la información de posición independiente del dispositivo de referencia y la última lectura del codificador lineal se considera un error.

 

Otro método implementado en este artículo se basa en pruebas de velocidad constante. El cabezal de lectura del codificador que se prueba se acciona a velocidad constante y su señal de salida de potencia se registra mediante un osciloscopio digital. Debido a la alta frecuencia de muestreo, la señal del codificador analógico se representa como un conjunto de puntos discretos. Suponiendo que la velocidad de escaneo es constante y sabiendo que el número de muestras utilizadas debe seleccionarse considerando el muestreo de Nyquist-Shannon, esto implica combinar valores de posición teóricamente razonables en estos puntos. Por ejemplo, si la velocidad de escaneo es de 100 mm/s, el período de rejilla del codificador de prueba es de 20 µm y la frecuencia de muestreo es de 250 MHz, entonces hay 50 000 puntos de muestreo por ciclo. El primer punto corresponde al valor de posición del láser y el último punto (50 000) corresponde a 20 µm. Para obtener resultados estadísticamente fiables, este programa debe repetir varios ciclos y varios valores de medición diferentes, y debe utilizarse el método de evaluación promedio.

 

Elegimos un codificador óptico estándar (escaneo de 4 campos) como objeto de investigación experimental. Se utilizó una plataforma de traducción móvil basada en tecnología de accionamiento directo para probar la alta precisión y la baja fricción del cabezal de lectura del codificador a diversas velocidades constantes.

 

Figura 3. Configuración experimental diseñada. El codificador de línea de prueba está conectado al soporte de traslación de línea de accionamiento directo mediante un soporte de montaje.

 

El servomotor trifásico con cepillo de alambre de hierro, en la etapa de traslación, está controlado por un controlador de movimiento ACS con un controlador integrado. En la fase de traslación, se utiliza un codificador óptico lineal sin contacto integrado como sistema de retroalimentación para un posicionamiento de alta resolución y un control de movimiento suave. Se utiliza un osciloscopio digital para muestrear y registrar las señales eléctricas. El diagrama esquemático del dispositivo experimental se muestra en la Figura 4.

 

Figura 4. Diagrama esquemático de la configuración experimental

 

 

1. Controlador de movimiento: Controlador de movimiento servo con controlador de movimiento ACS incorporado SPiiPlusCMnt.

 

2. Plataforma de traslación lineal: Plataforma de traslación lineal de accionamiento directo eléctrico “STANDA” 8MTL1401-300.

 

3. Codificador lineal probado: codificador lineal óptico PrecizikaMetrologyL18 (exploración de 4 rejillas) (longitud de medición = 300 mm, período de rejilla = 20 µ m).

 

4. Equipo de adquisición y procesamiento de datos: un osciloscopio digital PicoScope3000 y un ordenador portátil equipado con el software adecuado.

 

Para analizar las propiedades de estos errores a diferentes velocidades, se utilizó el algoritmo de la Transformada Rápida de Fourier (FFT). Dado que estos errores son cíclicos, su análisis armónico ayuda a identificar nuevos defectos de señal que los causan. Los armónicos de tercer orden y superiores se deben a la distorsión de orden superior de las señales eléctricas. Generalmente, se deben al efecto de birrefringencia durante el proceso de modulación óptica. Por lo tanto, el error compuesto por armónicos se puede representar mediante la siguiente fórmula:

 

entre δ (x) representa la SDE de la rejilla del codificador dentro de un ciclo, Ai y ji representan la amplitud y fase de los armónicos, y x representa la posición relativa dentro de un ciclo p.

 

 

En primer lugar, verificamos el rendimiento del codificador de línea de prueba a diferentes velocidades. El proveedor del codificador especificó una velocidad de recorrido máxima de 100, 500 y 1000 mm/s. La Figura 5 muestra las curvas de Lissajous para varios ciclos de señal a 100, 500 y 1000 mm/s.

 

Figura 5. Curvas de Lissajous para varios períodos de señal a velocidades de 100, 500 y 1000 milímetros por segundo.

 

En estos gráficos se observa que el rendimiento del codificador comienza a disminuir. A medida que aumenta la velocidad de escaneo, el tamaño y la forma de la curva de Lissajou cambian, introduciendo una SDE más alta. Para una investigación más detallada, el cabezal de lectura del codificador de prueba se movió dentro de un rango de velocidad de 100 a 1100 milímetros por segundo, a una velocidad de 100 milímetros por segundo. Registre la señal eléctrica de salida utilizando una frecuencia de muestreo de 250 MHz y determine la SDE según el método descrito en la sección anterior. A modo de ejemplo, cuando el cabezal de lectura se mueve a una velocidad de 300 milímetros por segundo, la representación gráfica de las señales electrónicas y su combinación en el diagrama XY se muestra en la Figura 6.

 

Figura 6. Señales electrónicas y su rendimiento en el diagrama XY. El codificador opera a una velocidad lateral de 300 milímetros. La SDE promedio calculada a esta velocidad se muestra en la Figura 7.

 

El análisis FFT muestra que el primer, segundo y tercer armónicos tienen el mayor impacto en la amplitud del error. Por lo tanto, los tres primeros armónicos se muestran en el mismo gráfico para mostrar el impacto de cada uno. La amplitud total del error es de ± 0.185 µm. El segundo armónico, repetido dos veces por ciclo, produce el valor máximo de error.

 

Figura 7. SDE promedio y su descomposición en tres primeros armónicos, cuando la velocidad de la lata es 300 mm/s.

 

Se realizó un procesamiento de datos similar a la velocidad de todas las pruebas. El margen de error total calculado se representa gráficamente, como se muestra en la Figura 8.

 

Los resultados muestran una fuerte relación lineal entre la velocidad de escaneo y el SDE total. Más del 85 % del valor de error determinado por el experimento puede relacionarse matemáticamente con la velocidad de mejora continua del codificador (R² = 0.8581). El error más grave es de ± 0.52 µm a 1100 mm/s, y existe una diferencia significativa en la relación lineal entre los dos errores de 900 y 1000 mm/s.

 

Figura 8. Dependencia del SDE total con la velocidad de escaneo. Puntos de datos y primer parámetro estadístico.

 

Para comprender el significado físico de los errores que ocurren durante el proceso de escaneo, analizamos el tamaño y el comportamiento de los primeros tres armónicos de error, y su dependencia de la velocidad de escaneo del codificador de prueba se muestra en la Figura 9.

 

Figura 9. El tercer armónico de las SDE determinadas a diferentes velocidades.

 

La parte máxima del SDE a cada velocidad se debe al segundo armónico. Este armónico muestra una fuerte relación lineal con la velocidad de cruce (R² = 0.96). Su tamaño aumenta proporcionalmente al aumentar la velocidad. Este error se debe a cambios en la amplitud de la señal, desfases o una combinación de estos.

 

El primer armónico del error muestra una relación no lineal. El valor de la amplitud comienza a aumentar cuando la velocidad del codificador alcanza o supera los 500 mm/s. Dentro del rango de 900 a 1000 mm/s, observe que los saltos extremos en los valores se encuentran en dicho rango. En esta región, la amplitud disminuye relativamente de 0.26 micras a 0.01 micras. Este armónico se debe al desplazamiento horizontal de la señal eléctrica desde cero.

 

El cambio en el significado del tercer armónico no es significativo en comparación con otros. Su amplitud alcanza un valor máximo de 0.06 µm. Esta amplitud se observó a una velocidad de escaneo de 900 milímetros por segundo, al igual que el primer armónico. Generalmente, este tercer armónico es el resultado de cambios durante el proceso de escaneo óptico.

 

 

• A cada velocidad, la mayor parte del presupuesto SDE forma un segundo armónico. Esto está directamente relacionado con el aumento de velocidad. Esto significa que la diferencia en la amplitud de la señal o el desfase aumenta con el aumento de la velocidad. El error de amplitud o de fase puede deberse a la física de los principios de escaneo óptico, así como al comportamiento dinámico y un ajuste incorrecto. Componentes electrónicos (como fotodiodos, chips de procesamiento usados ​​o amplificadores analógicos) o la calidad y otros impactos de los cables utilizados. No solo debemos prestar atención a estos aspectos durante el proceso de diseño, sino también al seleccionar el codificador adecuado para aplicaciones específicas. Por ejemplo, el principio de funcionamiento del codificador probado se basa en el método de escaneo de cuatro campos. Si la aplicación requiere una mayor estabilidad de la velocidad de escaneo o aumenta la posibilidad de contaminación por incrustaciones en la medición, se debe seleccionar un codificador óptico basado en el principio de escaneo de campo único.
• Los valores totales de SDE calculados a velocidades de 900 y 1000 milímetros por segundo difieren de la relación lineal determinada. Al analizar el primer mapa armónico, cuando la velocidad supera los 500 mm/s, el error de ajuste de la señal del codificador comienza a mostrar cambios significativos. El cabezal de lectura es una pieza mecánica compleja que incluye componentes ópticos y electrónicos, así como una suspensión de resortes. Por lo tanto, incluso la más mínima traslación, cambio de distancia, inclinación o cambio de posición relativa entre la malla de escaneo y el sistema de medición puede generarse por la frecuencia de resonancia, la fricción u otras fuerzas.
• El análisis FFT muestra que la parte principal de la SDE se compone únicamente de unos pocos primeros armónicos. Esto significa que, mediante una ecuación simple que contiene solo información de tres primeros armónicos (n=3), la tendencia de la SDE puede calcularse con bastante precisión.