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Encoder in dettaglio

Marzo 2016

Encoder assoluti e incrementali: quale scegliere?

I moderni encoder ottici si dividono in due categorie: incrementali e assoluti. Entrambi i modelli sono adatti per applicazioni su assi lineari e rotativi, in un'ampia varietà di settori industriali. Come scegliere il tipo di encoder più adatto per le proprie esigenze? Prima di decidere quale encoder acquistare, è necessario prendere in considerazione una serie di fattori:

Utilità dei riferimenti

Esapode di SYMETRIE IA DEA

Le differenza principale fra le due tipologie di sistema consiste nel fatto che gli encoder assoluti non hanno bisogno di tornare alla posizione iniziale per il riferimento. L'eliminazione del ciclo di rientro per il riferimento prima di ciascuna corsa rappresenta un vantaggio importante in alcune applicazioni. Soprattutto nel caso delle macchine multiasse, i cicli di rientro per il riferimento possono essere lunghi e complessi, causando perdite di tempo indesiderate. Inoltre, alcuni tipi di robot, come ad esempio gli esapodi e i bracci per la gestione dei wafer potrebbero rovinarsi o danneggiare il prodotto se obbligati a eseguire il rientro di riferimento in condizioni particolari, come ad esempio dopo un blackout.

Posizione discreta o produzione continua

In genere, il controllo di una macchina richiede la posizione all'encoder assoluto ogni 65 µs (15 kHz), lasciando un intervallo di tempo discreto fra una lettura e l'altra. Questo fattore incide sull'accuratezza dei controlli di velocità, soprattutto in applicazioni quali i motori DDR. Gli encoder incrementali producono uscite sinusoidali continue che contribuiscono a ridurre gli errori di velocità e il ripple. L'effetto ripple è parzialmente dovuto al fatto che alcuni errori minimi dell'uscita dell'encoder vengono amplificati da guadagni più alti utilizzati per controllare servomotori particolarmente rigidi. In alcune applicazioni, come ad esempio nella stampa flexografica, viene data molta enfasi all'ottenimento di un "perfetto" controllo della velocità, perché i ripple causano disomogeneità e producono barre orizzontali indesiderate sul substrato.

Velocità

Amicra Nova

La velocità massima degli encoder incrementali digitali è determinata dalla frequenza massima di input (MHz) delle elettroniche di ricezione e dalla risoluzione impostata. Dato che la frequenza massima delle elettroniche di ricezione è fissa, a un aumento della risoluzione corrisponde inevitabilmente una riduzione della velocità massima e viceversa. Gli encoder assoluti non sono soggetti a questa regola e possono funzionare ad alta velocità anche con risoluzioni elevate, perché utilizzano comunicazioni seriali e rilevano la posizione quando richiesto. In questo modo i progettisti possono avere tutta la libertà necessaria per lavorare con velocità e risoluzioni elevate. Alcuni esempi di applicazioni: macchine "pick and place" destinate al settore delle tecnologie SMT (Surface-Mount Technology), in cui si richiedono velocità di posizionamento e accuratezza elevate.

Errore ciclico

Gli encoder ottici incrementali sono soggetti a due tipi di errori principali. Uno è causato dal campo marginale che viene prodotto dallo schema delle ottiche di filtraggio e crea armoniche. L'altro deriva da componenti elettronici, fra cui detettori e circuiti integrati, che producono offset Lissajous ed ellitticità. Per risolvere il primo problema, si possono progettare regimi ottici in grado di produrre campi marginali privi di armoniche. Nei sistemi assoluti puri (con riga singola) la principale causa di errori è l'aliasing. Con il termine "alias" si indica un segnale sinusoidale che, se campionato alla stessa velocità, appare identico a un'altra forma d'onda. L'aliasing diventa problematico quando il detettore riceve una grande quantità di frequenze. I sistemi incrementali dispongono solitamente di filtri ottici che riducono tali effetti, ma negli encoder assoluti raramente sono utilizzati filtri digitali, perché tendono ad aumentare i tempi di latenza. Il fenomeno dell'aliasing spesso produce errore di periodicità di circa ≤10 µm nel caso dei sistemi assoluti ed è il risultato di un campionamento discreto del periodo della riga, dovuto al detettore periodico. Una progettazione accurata e l'introduzione di ottiche di filtraggio può ridurre tale effetto, portando l'errore ad esso correlato al di sotto di 10 nm. Gli encoder incrementali ben progettati possono mostrare prestazioni migliori in termini di errore ciclico rispetto a sistemi assoluti equivalenti.

Jitter

Per quanto riguarda i sistemi incrementali e assoluti, le cause alla base del jitter sono i diversi tipi di rumore (ad esempio, Shot, Johnson e 1/f)* presenti su un vasto spettro di frequenze. È possibile ridurre l'impatto di tali rumori limitando l'intervallo di frequenze (larghezza di banda) che vengono passate dall'encoder al sistema di controllo del movimento. Negli encoder incrementali, che ricevono costantemente informazioni sulla posizione, si può limitare la larghezza di banda dei segnali di quadratura (analogici), ma in questo modo si riduce la velocità massima (vedere Velocità). Ad esempio, le prestazioni ottimali di un encoder TONiC™ si ottengono limitando la velocità massima a un valore ben al disotto di 1 m/s. I sistemi assoluti acquisiscono le informazioni sulla posizione ad intervalli di tempo discreti e il jitter rappresenta l'incertezza presente in ciascuna di tali misure. In questo caso, non è possibile limitare la larghezza di banda, nel modo descritto in precedenza, tuttavia si possono applicare dei filtri digitali. Di conseguenza, gli encoder assoluti tendono ad avere un jitter posizionale leggermente superiore rispetto a un sistema incrementale ben calibrato. Nel caso di basi ad alta precisione per applicazioni scientifiche, che richiedono stabilità di posizionamento ed elevata rigidità, è generalmente preferibile ricorrere a un sistema incrementale.

In pratica, la scelta dell'encoder dipende principalmente dal tipo di applicazione. Entrambi i sistemi assicurano accuratezza elevata, ma è necessario operare un compromesso fra risoluzione e velocità, come mostrato nella figura.

I tecnici Renishaw sono sempre disponibili per aiutare i progettisti di sistemi a scegliere e configurare la soluzione ottimale per qualsiasi esigenza. Contattateci per richiedere assistenza.

* Il rumore Shot è originato dalla natura discreta della carica elettrica ed è tipico del conteggio fotonico eseguito dai dispositivi ottici, come ad esempio i fotodetettori.

Il rumore Johnson è il rumore bianco casuale, generato dall'agitazione termica degli elettroni in un dispositivo elettronico o conduttore.

Il rumore rosa (1/f) è un segnale con uno spettro di frequenza tale per cui la densità spettrale dell'alimentazione (energia o potenza per Hz) risulta inversamente proporzionale alla frequenza del segnale. Nel rumore rosa ciascuna ottava (raddoppio o dimezzamento della frequenza) ha la stessa quantità di potenza rumorosa.

Febbraio 2016

Costi nascosti: l'importanza di TCO & ROI nell'acquisto di un encoder

Durante la scelta dell'encoder per un'applicazione, si tende a prendere in considerazione solo il "costo capitale" o il prezzo. Questo approccio non consente di capire appieno il valore effettivo dell'introduzione di un encoder di qualità nel processo produttivo e le differenze fra i sistemi incrementali e assoluti. Al momento di acquistare un encoder, non basta vedere il costo capitale, è necessario valutare anche l'impatto del costo totale di proprietà (TCO - Total Cost of Ownership) e il ritorno sull'investimento (ROI - Return on Investment). In altre parole, il TCO è il valore di un investimento nell'intero periodo di utilizzo, mentre il ROI indica il guadagno rispetto all'investimento iniziale sullo stesso periodo. Nel caso degli encoder questi termini possono apparire inusuali, ma l'esempio di seguito illustra bene la situazione. In uno scenario in cui l'encoder assicura un risparmio di tempo nello svolgimento di un processo, l'identificazione del vantaggio economico è abbastanza chiara. Tale risultato potrebbe essere dovuto a un aumento delle specifiche di velocità, ma può essere spiegato confrontando la differenza fra un encoder incrementale e uno assoluto.

La tabella di seguito mostra i vantaggi economici derivanti dall'eliminazione dei cicli di rientro di un encoder ottico assoluto durante la produzione di uno schermo piatto (FPD). Tutte le cifre sono approssimative, ma rappresentano la media del settore*.

Voce costi/vantaggiEncoder ottico incrementaleEncoder ottico assoluto
Costo approssimativo del sistema (riga da 1 m)£ 600£ 900
Numero di cicli di riferimento all'ora0,50
Tempo di riferimento più lungo15 secondi0
Numero di assi33
Costo orario della macchina£ 36,00£ 36,00
Costo orario dell'operatore£ 8,00£ 8,00
Durata della macchina (anni)33
Tempo di attività della macchinaPercentuale di scarti = 80%Percentuale di scarti = 80%
Tempo sprecato ogni ora7,5 secondi0 secondi
Costo orario£ 0,073£ 0,00
Costo per tutta la durata della macchina (3 assi)£ 1.281£ 0,00
ROI (solo encoder) 42,3% (£ 381)

*Si presume un ciclo di lavoro di 16 ore al giorno (doppio turno) per 7 giorni la settimana, senza interruzioni durante l'anno. La valuta è la sterlina britannica.

In questo caso, il vantaggio principale dell'encoder assoluto sta nell'eliminazione dei cicli di rientro (ritorno al punto di riferimento). A differenza dei modelli incrementali, gli encoder assoluti acquisiscono informazioni "on demand"" sulla posizione e, in caso di arresto della macchina, sono in grado di ripartire senza prima ritornare alla posizione iniziale di riferimento. Ciò comporta un risparmio di diversi secondi all'ora (un risultato che si potrebbe ottenere anche acquistando un encoder con caratteristiche superiori in termini di affidabilità, aggiornabilità e necessità di manutenzione). Anche se una manciata di secondi può apparire un risultato insignificante, le implicazioni nell'intero periodo di attività (3 anni) di una macchina a 3 assi vanno tenute in attenta considerazione. In un tipico stabilimento di FPD dell'estremo oriente sono presenti circa 500 macchine, per cui il ROI totale si avvicina a £0,65 milioni. Tramite l'applicazione rigorosa di analisi di costi e vantaggi, l'acquisto di un encoder può trasformarsi in una preziosa opportunità di guadagno economico.

È importante che l'acquirente sappia resistere alla tentazione di pensare all'acquisto di un encoder come a una semplice decisione relativa all'acquisizione di un bene. I costi di capitale potrebbero rappresentare solo la punta dell'iceberg.

Dicembre 2015

Righe vincolate al substrato e righe non vincolate

Gli encoder ottici, lineari, aperti includono due elementi fondamentali: lettore e riga. Nel caso dei sistemi di movimento con specifiche elevate, il metodo di installazione della riga può avere un impatto molto rilevante sul funzionamento complessivo, soprattutto per quanto riguarda le prestazioni termiche.

Esistono due approcci all'installazione della riga, definiti riga vincolata al substrato e riga non vincolata.

Per compiere una scelta informata sul sistema più indicato, chi progettista del sistema di movimento deve conoscere le differenze fra i due tipi di installazione e i relativi vantaggi/svantaggi in base al tipo di applicazione.

Righe vincolate al substrato

Le estremità di queste righe vengono fissate al substrato (ad esempio, tramite morsetti con colla epossidica) per fare in modo che l'espansione e la contrazione assiale di riga e substrato siano identiche. In altre parole, il coefficiente di espansione termica (CTE) della riga corrisponde (è "vincolato") a quello del substrato.

Limiti di riferimento e morsetti

L'aderenza della riga al sostrato fra le due estremità viene solitamente assicurata tramite nastro biadesivo. In questo modo, le prestazioni di linearità vengono preservate anche quando la riga si espande o si contrae a causa delle variazioni termiche.

La riga può essere vincolata al substrato solo se la sua sezione trasversale e la rigidità risultano sensibilmente inferiori a quelle del substrato e non compromettono la stabilità meccanica durante gli scostamenti termici previsti.

Tale approccio fornisce il vantaggio di capire facilmente il comportamento della riga in caso di variazioni termiche, perché sarà identico a quello del substrato.

Righe non vincolate

Le righe non vincolate devono essere montate in modo da consentire un movimento termico indipendente rispetto al substrato. Per assicurare un'espansione separata, la riga può essere fissata in modo rigido al substrato solo ad una estremità, utilizzando quindi biadesivo, clip o una guida per mantenere la riga in posizione.

Installazione completa dell'encoder lineare FASTRACK™

Qualunque sia il metodo di fissaggio adottato, la riga non vincolata non risulta mai completamente indipendente nella risposta alle variazioni termiche, perché attrito e altri effetti causano inevitabilmente interferenze di posizionamento e potenziali problemi di isteresi. Per tale ragione, il coefficiente di espansione termica risulta defferente da quello del materiale di cui è composta la riga al suo stato libero. È possibile creare un modello comportamentale dei metodi di fissaggio delle righe non vincolate (nastro adesivo, clip e guida) da utilizzare come guida. Tuttavia la compensazione non è mai un processo semplice e immediato. Ad ogni modo, le righe non vincolate sono spesso prodotte con grande accuratezza, soprattutto quelle che utilizzano materiali a bassissimo coefficiente di espansione termica.

Renishaw produce righe non vincolate (serie RTL, RSL e REL) e sistemi vincolati al substrato (RGS).