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Lumière sur les codeurs

Mars 2016

Systèmes de codage absolu ou incrémental ? Lequel choisir ?

Les codeurs optiques modernes se divisent en deux types – les systèmes incrémentaux et les systèmes absolus. Tous deux sont disponibles pour axes linéaires et rotatifs pour un grand éventail de secteurs. Alors comment un concepteur système choisit-il le bon codeur pour son application ? Il y a plusieurs différences de fonction et de performances à prendre en compte :

Prendre une référence ou non ?

Hexapode SYMETRIE IA DEA

La différence qui se remarque peut-être le plus est que, avec les versions absolues, une prise d'origine (référence) devient inutile. Un codeur absolu n'exige pas un cycle de retour de référence avant chaque passe, ce qui pourrait être critique pour certaines applications. Un retour à l'origine implique une pénalité de durée, et si une machine possède plusieurs axes, les cycles de retour à l'origine peuvent s'avérer à la fois complexes et prendre du temps. De même, certains types de robots comme les hexapodes et les bras robotisés de manipulation de tranches risquent d'endommager ce qu'ils transportent ou eux-mêmes si on les force à revenir à une référence après une coupure de courant, par exemple.

Demandes de position discrètes ou sortie continue

Un contrôleur machine type peut normalement demander une position à un codeur absolu toutes les 65 µs (15 kHz), il y a donc un intervalle discret entre chaque mesure. Ceci a des implications pour une commande de vitesse haute précision, en particulier dans des applications telles que les moteurs à entraînement direct (DDR). Les codeurs incrémentaux produisent une sortie sinusoïdale continue qui contribue à minimiser les erreurs de vitesse et, de ce fait, à réduire l'ondulation de vitesse. L'effet d'ondulation provient en partie de l'amplification de très petites erreurs dans la sortie du codeur par des gains de commande supérieurs dans le contexte de la gestion d'un servomoteur à haute rigidité. Dans des applications telles que l'impression en flexographie, la manipulation de bandes, on accorde une grande importance à la réalisation d'une gestion « parfaite » de la vitesse car les ondulations de vitesse produisent des enduits inégaux et des barres horizontales indésirables sur le substrat.

Vitesse

Amicra Nova

Les codeurs incrémentaux numériques ont une vitesse maximale déterminée par la fréquence d'entrée maximum (MHz) de l'électronique de réception ainsi que par la résolution souhaitée. En conséquence, comme la fréquence maximum de l'électronique de réception est fixe, toute augmentation de résolution entraînera une réduction correspondante de la vitesse maximum et inversement. Les codeurs absolus ne sont pas affectés par ce compromis et permettent de fonctionner avec des niveaux élevés de vitesse et de résolution. Ceci est dû au fait que la position est déterminée à la demande et à l'utilisation de communications série qui donnent aux concepteurs la liberté de fonctionner à niveaux élevés de vitesse et de résolution. Ses applications types sont les équipements de montage de composants (« pick and place ») utilisés dans le secteur du montage en surface (SMT), où la tendance continue vise les vitesses de placement et une précision accrue.

Erreur cyclique

Les codeurs optiques incrémentaux sont exposés à deux sources d'erreur cycliques principales. L'une est une frange produite par une optique de filtrage qui présente des harmoniques, l'autre vient de sources électroniques tels que les détecteurs et circuits intégrés qui produisent des décalages et une ellipticité de Lissajous. Les régimes optiques peuvent être conçus afin de produire des franges adéquates sans harmoniques. Dans les systèmes absolus (une piste) purs, la source dominante d'erreur cyclique est le repli de spectre (alias). Un alias est un signal sinusoïdal qui semble identique à une autre forme d’onde quand on l'échantillonne à la même fréquence. Le repli de spectre devient problématique chaque fois qu’un grand nombre de fréquences est envoyé au détecteur.. Bien que le filtrage optique appliqué aux systèmes incrémentaux minimise cet effet, les systèmes absolus n'emploient généralement pas le filtrage numérique en raison de sa latence. Le phénomène de repli de spectre génère normalement un erreur à périodicité d'environ ≤10 µm dans le cas des systèmes absolus et c'est le résultat de l'échantillonnage discret de la période de règle due au détecteur périodique ; une conception soigneuse et un certain filtrage optique peuvent minimiser cet effet de manière à ce que son amplitude d'erreur liée soit inférieur à 10 nm. Les codeurs incrémentaux bien étudiés peuvent donner une erreur cyclique à peine meilleure que celle des systèmes absolus équivalents.

Gigue

Dans les systèmes incrémentaux et absolus, les causes fondamentales de la gigue viennent de divers types de bruit, tels que Shot, Johnson et 1/f*, lesquels se produisent sur un large spectre de fréquences. On peut réduire leur incidence par filtrage afin de réduire la gamme des fréquences (bande-passante) qui sont envoyées par le codeur au système de gestion de mouvement. Avec les codeurs incrémentaux, où les informations de position sont transmises en continu, ceci est effectué par une limitation de la bande-passante des signaux en quadrature (analogiques), ce qui réduit la vitesse maximale du codeur (voir Vitesse). Par exemple, on obtient la meilleure performance de gigue qu'on puisse tirer d'un codeur TONiC™ en limitant la vitesse maximale bien en dessous de 1 m/s. Dans les systèmes absolus où les données de position sont acquises à intervalles temporels discrets, la gigue de position est l'incertitude dans chacune de ces mesures. Il n'est pas possible de limiter la bande-passante de la même manière, bien qu'un certain filtrage numérique soit possible. C'est pourquoi les codeurs absolus ont une gigue de position légèrement supérieure à celle des systèmes incrémentaux bien réglés. Sur des platines scientifiques haute précision exigeant le maintien d'une position très stable avec une rigidité supérieure, les codeurs incrémentaux sont généralement préférés.

Au bout du compte, le choix du bon codeur dépendra de son application. Les deux systèmes sont capables d'une précision élevée mais il y a un compromis entre la résolution et la vitesse ainsi qu'illustré sur la figure.

Les ingénieurs Renishaw sont toujours à la disposition des concepteurs de systèmes au moment de sélectionner et de spécifier la solution de codage optimale. Contactez-nous si vous avez besoin d'aide.

* Le bruit de Shot provient de la nature discrète de la charge électrique. Le bruit de Shot intervient dans le comptage de photons dans les dispositifs optiques tels que les photodétecteurs.

Le bruit de Johnson est le bruit blanc aléatoire généré par l'agitation thermique des électrons dans un conducteur ou dispositif électronique.

Le bruit rose (1/f) est un signal avec un spectre de fréquence où la densité spectrale de puissance (énergie ou puissance par Hz) est inversement proportionnelle à la fréquence du signal. Dans le bruit rose, chaque octave (division/multiplication par deux de la fréquence) s'accompagne d'une ampleur égale de puissance de bruit.

Février 2016

Coûts dissimulés : l'importance des coûts totaux d'entretien (TCO) et du retour sur investissement (ROI) dans l'achat d'un codeur

Lorsqu'un client réfléchit au type de codeur à choisir pour une application il peut n'envisager que le coût d'investissement ou le prix d'achat. Ceci peut être le résultat d'une erreur d'interprétation quant à la valeur réelle d'un codeur de qualité par rapport à son procédé et aux mérites respectifs des types incrémentaux et absolus. Au moment de décider l'achat d'un système de codage, les acheteurs/prescripteurs doivent prendre en compte l'incidence du coût total d'entretien (TCO) et du retour sur investissement (ROI) par rapport au simple coût d'investissement. Pour simplifier, la TCO est la valeur d'un investissement sur toute sa période d'utilisation tandis que le ROI est le gain obtenu sur l'investissement de départ sur cette même période. Pour des systèmes de codage, ces termes peuvent sembler nouveaux mais on peut les illustrer au moyen d'exemples. Dans un scénario où un système de codage présente un avantage de temps pendant un procédé donné, l'avantage de coût est facile à identifier. Ceci peut être dû à une spécification de vitesse supérieure mais on peut l'illustrer simplement en comparant la différence entre les systèmes de codage absolus et incrémentaux.

Étant donné qu'il élimine les cycles de retour à l'origine, l'avantage économique d'un système de codage optique absolu lorsqu'on l'applique à un procédé de fabrication d'écrans plats (FPD) est affiché dans le tableau ci-dessous. Tous les chiffres sont approximatifs mais représentatifs de la moyenne industrielle*.

Poste Coût/avantageSystème de codage optique incrémentalSystème de codage optique absolu
Coût approximatif du système (1 m de règle)600 £900 £
Nombre de cycles de référence par heure0,50
Temps de référence le plus long15 s0
Nombre d’axes33
Coût horaire machine36,00 £36,00 £
Coût horaire opérateur8,00 £8,00 £
Durée de vie machine (années)33
Temps de disponibilité machine80%80%
Temps perdu par heure7,5 s0 s
Coût par heure0,073 £0,00 £
Coût sur la durée de vie de la machine (3 axes)1 281 £0,00 £
Retour sur investissement (codeurs seulement) 42,3% (381 £)

*en supposant un 16/7 (deux équipes) tournant toute l'année. La devise est la livre Sterling.

L'avantage principal, dans ce cas, du codeur absolu est qu'il permet d'éliminer les cycles de retour à l'origine (à la référence). Les codeurs absolus, contrairement aux types incrémentaux, saisissent les informations de position à la demande et peuvent redémarrer après les arrêts machine sans avoir à revenir à une origine. L'effet global est un gain de temps moyen de plusieurs secondes par heure. Cette économie serait aussi réalisée en cas d'achat d'un système de codage qui plus fiable, plus facile à mettre à niveau et moins exigeant en maintenance. Quelques secondes peuvent sembler triviales mais le facteur de coût sur une durée utile de 3 ans d'une machine à 3 axes est considérable. Mettons qu'une usine d'écrans plats type en Asie du Sud-Est a 500 machines, soit un retour investissement total d'environ 0,65 millions de livres par usine. Si on applique rigoureusement l'analyse coûts-bénéfices à la procédure de décision d'achat de codeurs, des gains financiers très significatifs sont possibles.

Les acheteurs doivent impérativement résister à la tentation de considérer un codeur comme une décision d'achat de produit. Les coûts d'investissement peuvent n'être que la pointe de l'iceberg.

Décembre 2015

Règle étalonnée sur substrat ou règle à étalonnage automatique ?

Les systèmes de codage linéaire optique ouverts comportent deux éléments principaux : une tête de lecture et une règle. Sur les systèmes asservis haute spécification, la méthode de montage de la règle peut avoir un effet spectaculaire sur le comportement du système en particulier quant à ses performances thermiques.

Les deux approches au montage de la règle sont appelées étalonnage sur substrat et étalonnage automatique.

Pour choisir en connaissance de cause le système le mieux adapté, le concepteur d'asservissement doit bien connaître les différences entre ces deux méthodes de montage de règle ainsi que leurs avantages/inconvénients relatifs dans n'importe quelle application donnée de renvoi de données de positions.

Règles étalonnées sur substrat

Les règles étalonnées sur substrat utilisent une méthode de fixation rigide des deux extrémités de la règle au substrat. Il s'agit par exemple de pinces d'extrémité fixées par colle époxy qui permettra à la règle de se dilater et contracter dans l'axe du substrat avec celui-ci. Autrement dit, le coefficient de dilatation thermique (CTE) de la règle est assorti ou "étalonné" à celui du substrat.

Limite de référence et pinces

L'adhérence de la règle au substrat entre les pinces d'extrémité est généralement réalisée au moyen d'un ruban adhésif double-côté flexible. Ceci permet de maintenir les performances de linéarité de règle à mesure que la règle se dilate ou se contracte avec les variations thermiques.

L'étalonnage sur substrat n'est réalisable que si la section transversale et la rigidité de la règle sont nettement inférieures à celles du substrat afin de ne pas nuire à sa stabilité mécanique pendant un mouvement thermique prédit.

L'avantage principal de cette approche est que le comportement thermique de la règle est facile à comprendre puisqu'il suit celui du substrat.

Règles à étalonnage automatique

Les règles à étalonnage automatique doivent, quant à elles, être posées de manière à ce que leur mouvement thermique soit indépendant du substrat. Pour gérer la dilatation thermique différentielle entre la règle et le substrat, ils peuvent être fixés solidement au substrat en un point seulement, la longueur restante étant tenue en place avec du ruban adhésif double côté, plusieurs pinces de retenue ou un porte-règle approprié.

Installation complète de système de codeur linéaire FASTRACK™

Toutefois, quelle que soit la méthode de fixation employée, la règle dite "à étalonnage automatique" ne sera jamais vraiment son propre étalon par rapport à la dilatation thermique. Ceci est dû au fait que les effets de friction et autres entraînent inévitablement une perturbation du positionnement et une hystérésis potentielle faisant que le coefficient de dilatation thermique (CTE) n'est pas précisément égal à celui du matériau de règle à son état libre. Ce comportement peut être modélisé en fonction des méthodes de fixation d'échelles à étalonnage automatique (ruban adhésif, pinces, ou porte-règle) pour guider la conception bien que, dans la pratique, le compenser ne soit pas une opération aisée. Toutefois, il est souvent possible de réaliser des règles à étalonnage automatique avec une précision élevée en particulier quand on utilise des matériaux présentant de faibles coefficients de dilatation thermique.

Renishaw propose des systèmes de montage de règles à étalonnage automatique (gammes RTL, RSL et REL) et à étalonnage sur substrat (gamme RGS).