Qu’est-ce qu’un codeur ?
Les codeurs de position sont utilisés dans un large éventail d’applications et de secteurs et présentent toute une série de concepts techniques et de terminologie.
Cet article a pour but d’expliquer les codeurs de position en termes simples : il décrit en quoi consiste un codeur, les différents types de codeurs, leur fonctionnement et leurs applications.
Qu’est-ce qu’un codeur ?
Un codeur est un dispositif électromagnétique qui convertit des informations d’un format ou d’un code à un autre. Un codeur de position, tel que ceux réalisés par Renishaw, convertit un mouvement linéaire ou rotatif en un signal électrique qui fournit des informations sur la position, la vitesse et la direction du mouvement.
Les codeurs de position peuvent utiliser une gamme de technologies de détection différentes : Renishaw se spécialise dans les systèmes de codage optique, inductif et laser. RLS, société associée à Renishaw, est spécialisée dans les codeurs magnétiques.
Qu’est-ce qu’un codeur optique et quel est son fonctionnement ?
Les codeurs optiques sont des dispositifs qui utilisent une source lumineuse et un photodétecteur se déplaçant le long de lignes graduées pour produire un signal électrique. Ce signal peut être lu par un dispositif de commande (ou automate) au sein d’un système d’asservissement. Renishaw possède plus de trente ans d’expérience dans la conception et la fabrication de codeurs optiques hautes performances, de même qu’en matière d’assistance technique associée.
Un codeur optique comprend deux composants : la règle et la tête de lecture.
1 : Tête de lecture 2 : Règle
Règle de codeur
Les règles de codeur optique sont graduées à l’aide de lignes noires parallèles, très similaires aux graduations d’une règle classique. Ces lignes, ou graduations, sont « lues » par un système optique situé à l’intérieur de la tête de lecture afin de créer des signaux électriques ou des images qui seront ensuite traités. Les lignes sont positionnées avec précision sur le matériau de la règle afin de garantir des performances de mesure appropriées du système.
Les règles de codeur optique peuvent prendre différentes formes : linéaires souples, linéaires rigides, disques et anneaux. Ces différentes formes permettent de mesurer et de contrôler différents types de mouvements, comme les mouvements linéaires, les rotations complètes et les arcs partiels de rotation, ou différentes combinaisons correspondantes.
Les règles de codeur optique doivent être stables et robustes et sont généralement fabriquées à partir de matériaux tels que l’acier inoxydable ou le verre.
Tête de lecture de codeur
La tête de lecture contient un système optique et un bloc électronique qui génèrent un signal électrique de sortie décrivant la position et la direction du mouvement de la tête de lecture par rapport à la règle.
Grâce au traitement du signal et à l’interpolation numérique, les codeurs optiques peuvent résoudre des mouvements de l’ordre du milliardième de mètre (1 nm).
Un nanomètre correspond au rayon d’une hélice d’ADN, à la largeur de deux molécules de glucose ou à la longueur d’onde d’un rayon X.
Types de codeurs optiques
Codeurs ouverts
Un codeur optique ouvert comprend une règle et une tête de lecture séparées par un petit espace, appelé entrefer, et configurées pour mesurer un mouvement linéaire, rotatif ou en arc partiel. Sa conception sans contact bénéficie d’une friction nulle et d’une absence totale d’usure mécanique ou d’hystérésis.
Codeurs hermétiques
Dans les systèmes de codage hermétiques, la règle et la tête de lecture sont montées dans un logement étanche qui protège le codeur contre la contamination par des débris solides et la pénétration de fluides dans les environnements difficiles. Par exemple, les codeurs hermétiques sont généralement utilisés sur les machines-outils, où une grande précision et une résistance aux contaminations par les débris d’usinage et les restes de liquide de coupe sont importantes.
Mouvement
Les codeurs optiques peuvent mesurer le mouvement sous différentes formes, en fonction du type et de la structure du mouvement de la machine à mesurer.
Linéaire
Les codeurs linéaires indiquent la position le long d’une ligne droite et sont utilisés pour les axes X, Y ou Z, comme dans une machine à mesurer tridimensionnelle (MMT) dans un système cartésien.
Rotatif
Les codeurs rotatifs indiquent la position angulaire d’une pièce rotative à l’aide d’une règle en forme d’anneau ou de disque. Ces codeurs permettent de contrôler les mouvements rotatifs, par exemple d’une table rotative ou des articulations d’un robot.
Arc partiel
Certaines règles de codeur linéaire sont souples et peuvent être enroulées autour d’un tambour, d’un arbre ou d’une surface courbe d’une machine afin de permettre le contrôle d’un mouvement rotatif de moins d’un tour.
Quelles sont les différences entre les codeurs absolus et incrémentaux ?
Les codeurs incrémentaux peuvent uniquement détecter un mouvement par rapport à leur position actuelle ou à une entité de référence connue. Le signal de position de sortie augmente ou diminue (selon la direction) d’un comptage à la fois lorsque la tête de lecture se déplace par rapport à la règle.
Les codeurs absolus décodent immédiatement leur position actuelle sans qu’aucun mouvement ne soit nécessaire.
Une des principales différences entre les comportements des codeurs incrémentaux et absolus réside dans leur réaction en cas de panne électrique. Si un codeur absolu subit une panne électrique, la tête de lecture sera toujours en mesure d’indiquer correctement sa position actuelle au moment du rétablissement du courant, même si elle s’est déplacée pendant la coupure. Les codeurs incrémentaux perdent leurs informations de position pendant une coupure de courant et doivent réacquérir leur position de référence au moment du rétablissement du courant.
Une autre distinction importante concerne la communication : les codeurs absolus permettent une communication série bidirectionnelle entre l’automate et la tête de lecture, tandis que les codeurs incrémentaux permettent une communication unidirectionnelle via des signaux analogiques ou numériques de la tête de lecture vers l’automate.
Position incrémentale
Les graduations d’une règle incrémentale sont parallèles et régulièrement espacées, comme sur une règle sans chiffres. Au démarrage, une position de référence est détectée par lecture d’une marque de référence intégrée à l’échelle incrémentale. Parfois dénommée « position d’origine », la référence est un point fixe unique qui est situé n’importe où sur l’axe de mesure et qui sert de point de référence à la machine. Toutes les informations de position sont relatives à cette référence.
En général, un codeur incrémental délivre en sortie ses informations de position sous la forme de deux ondes analogiques déphasées de 90 degrés entre elles, comme une onde sinusoïdale et une onde cosinusoïdale, ou sous la forme de deux signaux numériques décalés de 90 degrés, c’est-à-dire en quadrature. Ces signaux peuvent être interprétés par l’automate afin de calculer l’amplitude et la direction du mouvement le long de la règle de codeur.
La règle de codeur incrémental peut être fabriquée en grandes longueurs pour les installations à grande échelle ou coupée à la longueur souhaitée pour s’adapter à n’importe quelle longueur d’axe.
1 : sens de comptage décroissant, 2 : position de référence, 3 : marque de référence, 4 : position de l’automate = nombre de comptages à partir de la référence, 5 : sens de comptage croissant, 6 : Variation du comptage incrémental
Position absolue
Dans un système de codage absolu, des informations de position spécifiques sont codées dans toutes les sections de la règle, comme une règle graduée classique. Ces positions spécifiques sont définies par des ensembles de lignes parallèles dont certaines sont manquantes, comme s’il s’agissait d’un code-barres. Grâce à ce motif non répétitif, la tête de lecture trouve immédiatement sa position au démarrage.
L’automate demande périodiquement des informations de position à la tête de lecture, qui capture alors un instantané de la règle et décode l’image en une position spécifique, qui est ensuite renvoyée à l’automate par le biais d’un protocole de communication série.
Différents protocoles de communication standard sont disponibles, souvent associés à des fabricants spécifiques d’automates.
Les règles absolues s’appuient sur des motifs courts et uniques (ou mots) composés de lignes et d’espaces pour identifier la position. Comme ces mots ont un nombre fini de configurations possibles, les règles de codeur absolu ont une longueur de mesure maximale. Dans le cas du système de codage absolu RESOLUTE™ de Renishaw, cette longueur de mesure maximale est de 21 mètres.
1 : sens de position décroissante, 2 : position de référence, 3 : position de l’automate = position de la tête de lecture - décalage numérique, 4 : sens de position croissante, 5 : position absolue, 6 : décalage numérique de la position de référence, 7 : « origine »
Dans quel cas utiliser un codeur incrémental ?
Les codeurs incrémentaux sont utilisés dans une grande variété d’applications d’asservissement telles que l’automatisation industrielle, les machines à mesurer tridimensionnelles (MMT) et les équipements de fabrication de semi-conducteurs. Les codeurs incrémentaux permettent une mesure précise de la position à des résolutions fines et à des vitesses de scanning élevées.
Dans quel cas utiliser un codeur absolu ?
Les codeurs absolus sont particulièrement adaptés aux machines qui doivent conserver les informations de position après un cycle d’alimentation. Les applications englobent les robots chirurgicaux et les machines où les cycles de retour à une marque de référence fixe ne sont pas souhaitables.
Dans quel cas utiliser un codeur optique ?
Les codeurs optiques sont des dispositifs de mesure de position polyvalents utilisés dans un large éventail d’applications pour mesurer et contrôler les mouvements linéaires ou rotatifs.
Ils sont utilisés dans de nombreux secteurs et applications tels que la métrologie, la fabrication de semi-conducteurs, la robotique, l’automatisation, les machines-outils et la recherche scientifique.
Qu'est-ce qu'un codeur inductif ?
Un codeur absolu inductif est un type de capteur de position qui utilise l'induction électromagnétique pour mesurer la position ou le mouvement d'un axe.
Les codeurs inductifs allient robustesse, résistance aux contaminations, immunité aux champs magnétiques externes et haute précision.
Les applications englobent les cardans, les appareils médicaux, l'automatisation générale, les véhicules aériens sans pilote, les robots et les servomoteurs.
Pour en savoir plus, consultez la page Web sur les codeurs inductifs Renishaw.
Qu'est-ce qu'un codeur magnétique ?
Les systèmes de codage magnétiques utilisent une règle magnétisée comportant une série de pôles magnétiques alternés. Le mouvement le long de la règle est déterminé par une tête de lecture qui contient un capteur qui détecte la variation du champ magnétique lorsque la tête de lecture se déplace et qui convertit cette variation en un signal électrique.
Les codeurs magnétiques sont souvent utilisés en robotique (par exemple dans les véhicules à guidage automatique) et dans les applications d'impression.
Pour en savoir plus sur les systèmes de codage magnétiques, rendez-vous sur le site Web de RLS.
Qu'est-ce qu'un codeur laser ?
Les systèmes de codage laser utilisent la longueur d'onde d'une lumière laser comme unité de mesure en détectant la différence de longueur de trajet entre un trajet de référence fixe et un trajet de mesure variable. Les codeurs laser offrent une mesure de position qui allie haute précision et résolution fine.
Les codeurs laser sont souvent utilisés dans les industries aérospatiale et maritime, ainsi que dans d'autres applications spécialisées.
Pour en savoir plus, consultez les pages Web sur les codeurs laser Renishaw.
Regardez notre webinaire à la demande
Le webinaire de présentation des systèmes de codage vise à décrire en termes simples le fonctionnement d’un codeur.
Il explique le rôle de la règle et de la tête de lecture, les différents types de codeurs disponibles, leur fonctionnement et leurs applications.
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