• Control de movimiento: Los encoders lineales de gran longitud cobran protagonismo

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Diagrama: El método de detección fotoeléctrica mostrado se aplica a un encoder lineal óptico empleando una escala de vidrio. Si la escala es de acero, se utiliza un método de lectura reflexiva ligeramente modificado en el que la luz ilumina la cinta de la escala y esta se refleja en la retícula de escaneado.

Los sistemas CNC y los equipos de montaje de precisión se caracterizan por un funcionamiento muy dinámico en el que se emplean encoders lineales. En entornos difíciles es necesario disponer de medidas de posición, frecuentemente con velocidades y aceleraciones transversales elevadas. El creciente uso de encoders lineales con motores lineales de accionamiento directo subraya estos requisitos. Algunos modelos de encoder, por ejemplo, ofrecen velocidades transversales de 20 m/s o más.

La suciedad, el aceite, las astillas y los contaminantes son especialmente perjudiciales para los encoders ópticos y obligan a proteger físicamente el dispositivo o mejorar el proceso de medición. Esta es un área en la que el funcionamiento de los encoders lineales es diferente del de sus parientes giratorios, que funcionan en un ambiente estanco. Los encoders ópticos pueden clasificarse de diversas formas.

Detección óptica o magnética

Los encoders utilizan principalmente dos tecnologías, óptica y magnética, también empleadas en encoders giratorios. En este artículo no se tratarán los encoders inductivos. Los encoders lineales consisten básicamente en una escala de medición con una graduación (o información magnetizada) extremadamente precisa que transmite la posición y una cabeza de escaneado que lee la escala.

En términos simples, el proceso de medición de los encoders lineales ópticos conlleva la detección fotoeléctrica de la escala y de una retícula de escaneado que se mueven una en relación a la otra (ver el diagrama). La luz proyectada se modula cuando pasa a través de los intersticios de las rejillas en el momento en el que la escala y la retícula están alineadas o se obstruye cuando las líneas de una de las rejillas coinciden con los intersticios de la otra. Un conjunto de células fotovoltaicas convierte estas variaciones en la intensidad de la luz en señales eléctricas. La rejilla especialmente diseñada de la retícula de escaneado filtra la luz para generar señales de salida casi sinusoidales. El posterior procesamiento de las señales en la cabeza de escaneado o el controlador del sistema proporciona la salida de posición.

Los encoders lineales ópticos utilizan una escala de vidrio o de acero. El vidrio está limitado por lo general a longitudes de medición de unos 4 m, pero las escalas de acero admiten longitudes mucho mayores. La longitud de la escala de vidrio depende de la precisión de las máquinas que las fabrican, señala Nathan Mathiot, especialista de producto de marketing de máquinas herramienta de Heidenhain Corp.

Los componentes principales de los encoders lineales magnéticos son una cinta magnética y una cabeza de escaneado. La información de posición magnetizada en la cinta en un código secuencial sirve como escala de medición. Las cintas se facilitan con diversas longitudes y pueden ser extremadamente largas. Normalmente se laminan sobre una tira de acero y tienen un dorso adhesivo para facilitar el montaje en la máquina. La información de posición se lee a medida que la cabeza de escaneado recorre la cinta de medición.

Las aplicaciones de encoder lineal de gran longitud (LLL) no siempre requieren la precisión de la tecnología óptica, explica Corrie Fearon, director de marketing de la división de productos de encoder de Renishaw plc. Los encoders magnéticos constituyen una alternativa, con una precisión típica de ±20 micras/metro en las versiones de gama alta. “Los encoders magnéticos ofrecen mayores tolerancias durante la instalación o el funcionamiento, son inmunes a la suciedad y la contaminación y generalmente son más económicos que los encoders ópticos”, señala Fearon. (Más información sobre precisión y aplicaciones a continuación; también en las referencias 1 y 2, en línea).

Otras categorías de encoders

Los encoders lineales también se diseñan como dispositivos de tipo incremental o absoluto, términos heredados de los encoders giratorios. Los encoders absolutos indican la posición nada más encenderse. Los encoders incrementales requieren que el eje se mueva para establecer primero una posición de referencia. Sin embargo, las marcas de referencia codificadas por distancia (DCRM) distribuidas a intervalos por la escala minimizan la necesidad de movimiento de la máquina. La electrónica de los encoders establece la referencia absoluta una vez atravesadas dos DCRM, lo que generalmente representa unos pocos milímetros de movimiento, según Heidenhain.

“Las marcas de referencia se calculan mediante una fórmula que da lugar a un valor de posición único repetido y se convierte por lo tanto en un límite de longitud para las escalas de cinta incrementales con DCRM", explica Mathiot. El encoder lineal con codificación de distancia más largo fabricado por Heidenhain tiene 72 metros de longitud.

Fotografía: Esta máquina para el montaje de paneles de ala de Electroimpact Inc., perteneciente a la línea de producción del Airbus A380 en Broughton (Reino Unido), utiliza encoders incrementales lineales ópticos Renishaw RGH41. Las escalas de cinta RGS40 están instaladas en tres áreas de trabajo a lo largo de los 160 m de recorrido transversal de la máquina.

Las escalas de cinta absolutas también están limitadas en su longitud de medición por el código pseudoaleatorio (PRC) insertado en la guía. Como ejemplo, Mathiot señala el encoder lineal LC281 con memoria de 32 bits. “Cada incremento de 10 nanómetros utiliza uno de los 4.294.967.296 posibles valores de posición almacenados en la memoria. El PRC es único para cada valor de posición y termina por repetirse”, añade.

Renishaw indica asimismo que existe un límite de longitud máxima para los encoders incrementales en términos de “productividad asociada a una escala de esta longitud”, pero ha suministrado escalas de cinta de hasta 100 m de longitud. “En encoders absolutos, la longitud máxima de las escalas del encoder óptico Renishaw Resolute es de 10 metros actualmente, limitada por los códigos seleccionados para optimizar la inmunidad a la suciedad y las características de rendimiento”, dice Fearon. La longitud máxima de la escala del encoder magnético LMA-10 es de 16,2 m.

Los encoders lineales ópticos pueden clasificarse, a su vez, como dispositivos estancos o expuestos. En las unidades herméticas, una carcasa metálica y unos rebordes elásticos protegen la escala, la cabeza de escaneado y las guías contra la entrada de los contaminantes típicos en entornos industriales. Los encoders lineales expuestos (sin contacto) suelen ser más sencillos físicamente y es frecuente su uso en entornos más limpios.

Entornos de trabajo exigentes

Los encoders lineales ópticos sin contacto, en particular, se usan en condiciones exigentes y necesitan una mejora correctiva del escaneado óptico. Fearon explica dos formas básicas de mitigar los efectos de la contaminación: usar filtros ópticos o promediar el escaneado sobre una superficie relativamente más amplia.

Los filtros, el método más eficaz, amplifican las señales correctas a la frecuencia fundamental a la que los elementos ópticos está ajustados, al tiempo que rechazan los demás armónicos causados por la contaminación. Se trata de un método adecuado para los encoders incrementales. “Dotar de control de autoganancia (AGC) al sistema ayuda a reforzar aún más la inmunidad a la suciedad, pero hacerlo en un sistema óptico inadecuado simplemente amplifica las señales deficientes y no resuelve el desplazamiento de fase u otros problemas”, explica Fearon.

Resolute, la gama de encoders lineales sin contacto absolutos de Renishaw, emplea técnicas avanzadas diferentes para inmunizarse frente a la suciedad. Después de capturar una imagen de la escala de medición, el encoder realiza una comprobación cruzada y rechaza errores mediante un procesador de señales digitales integrado que contrarresta la dispersión de fondo aleatoria de la luz sobre la cabeza de escaneado causada por la grasa, el aceite o las partículas contaminantes que haya sobre la escala. La elevada redundancia del sistema permite determinar la posición correcta incluso cuando grandes porciones de la imagen están oscurecidas, según Fearon.

“Para aumentar la seguridad y la cobertura diagnóstica, los encoders Resolute incluyen un algoritmo de verificación de posición que rastrea la posición, asegurándose de que solo se envíen los datos correctos al accionamiento/controlador del sistema”, añade Fearon. En realidad en la cabeza de escaneado se utilizan y comprueban dos métodos de cálculo independientes. A continuación se envía el resultado correcto, liberando al accionamiento/controlador de esa tarea (ver información adicional en la Ref. 3).

Los encoders lineales ópticos estancos minimizan o eliminan la necesidad de extensas medidas de protección contra la suciedad. Heidenhain ofrece simultáneamente encoders expuestos y estancos, pero destina estos últimos exclusivamente al ámbito de las máquinas herramienta con control numérico.

“Un encoder lineal estanco es el más adecuado para entornos exigentes con presencia de refrigerante, aceite y astillas”, señala Mathiot.

Algunos ejemplos de encoders LLL herméticos Heidenhain son el LC211 (absoluto) para medidas de hasta 28 m y LB382 (incremental), disponible para un máximo de 30 m o 72 m en pedidos especiales. Ambos modelos utilizan una cinta de escala de acero. Ambos encoders ofrecen una precisión de ±5 micras (µm), definida como la tolerancia a errores de posición sobre cualquier longitud de medición de 1 m. Otros modelos alcanzan una precisión de ±3 μm. Los encoders herméticos destinados a aplicaciones en máquinas no CNC tienen un rango de medición de hasta 3 m y normalmente un grado de precisión de ±10 μm.

Heidenhain señaló asimismo que existen métodos que “reducen la sensibilidad a la contaminación” para los encoders LLL que encuentran aplicaciones en máquinas de producción o montaje de alta precisión, dispositivos de medición o accionamientos directos. Uno de los métodos mencionados es el escaneado de campo simple (en lugar de cuádruple) para generar señales de posición. Aunque las señales de salida con amplitud de experiencia en detección con campo simple cambian debido a la contaminación, se asegura que la desviación ) y la posición de fase permanecen invariables.

“Las señales siguen siendo altamente interpolables y el error de posición dentro de un periodo de señales continúa siendo reducido”, según Heidenhain. Algunos de los encoders expuestos más representativos son la serie LIC (absoluto) y la serie LIDA (incremental), con un error de posición por periodo de señal de hasta ±0,08 μm y ±0,2 μm, respectivamente.

Precisión de las señales

Gráfica: Es frecuente que la precisión real de la escala del encoder sea considerablemente mejor que el valor especificado. El ejemplo mostrado es la escala óptica RTLC de Renishaw, con una precisión total de ±4 micras a lo largo de sus 11,9 m de longitud. Cortesía de: Renishaw plc.

El uso de un campo de escaneado amplio en relación con el periodo de la rejilla de la escala también reduce la sensibilidad a la contaminación. Según se asegura, genera señales de alta calidad en presencia de contaminantes con un diámetro de hasta 3 mm y el error de posición se mantiene muy por debajo de las especificaciones del grado de precisión de la escala.

Algunas de las precisiones de escala citadas anteriormente hacen referencia a valores certificados. En la práctica, las escalas de encoder obtienen resultados considerablemente mejores (ver el diagrama).

Sick Inc., filial de la firma alemana Sick AG, ofrece varios encoders magnéticos LLL. El encoder absoluto sin contacto TTK70 tiene un grado de precisión de ±10 μm, aplicable hasta los 4 m de longitud total de la unidad. LinCoder L320, otro dispositivo absoluto sin contacto, se suministra en longitudes de hasta 40 m y con una especificación de precisión de ±0,3 mm/metro (a 20 °C).

Otro encoder de Sick resulta particularmente digno de mención por su capacidad de medición de longitudes extremas. Pomux KH53 proporciona una medición de posición absoluta de hasta 1,7 km (1.700 m).

“Dotado de protección IP 66 y carcasa de aluminio, Pomux KH53 es una solución sumamente robusta para aplicaciones con longitudes extremas en entornos exigentes”, asegura Mandee Liberty, responsable de producto de encoders absolutos y lineales de Sick.

Encoders lineales de gran longitud en aplicaciones anchas. Sick señala que las aplicaciones del KH53 pueden incluir grúas puente y sistemas de almacenamiento o cintas transportadoras, entre otras. Liberty asegura que el KH53 ha obtenido buenos resultados en aplicaciones con longitudes de medición de entre 15 y 800 metros.

Según la experiencia de Renishaw, algunas de las aplicaciones de los encoders de gran longitud consisten en máquinas rectificadoras de cojinetes grandes, etapas de fabricación de pantallas LCD, impresión en gran formato y máquinas de corte mediante láser o agua y la producción de alas de aeronaves (ver la fotografía).

Heidenhain cita algunos ejemplos de aplicaciones en la fabricación de componentes de aerogeneradores y piezas automovilísticas en una línea de transferencia. La firma ha observado, como parte de una tendencia de mercado en este sentido, que sus clientes comienzan a utilizar encoders con motores lineales para acelerar el mecanizado de las piezas.

Conceptos destacados

  • Se recomienda utilizar encoders lineales, de tipo óptico o magnético, para la realimentación directa de posición.
  • La medición y el control de posición para grandes longitudes es fundamental para la precisión de las máquinas herramienta y la producción de piezas exactas de grandes dimensiones.
  • Este artículo aborda los encoders lineales destinados a longitudes de más de 3 m.

Debe tenerse en cuenta que...

Los encoders lineales pueden ofrecer una medición sumamente precisa sobre largas distancias. ¿Qué aplicación podría mejorar con una realimentación más exacta?

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