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Comment les codeurs optiques fonctionnent-ils ?

RESOLUTE™

RESOLUTE utilise une communication bidirectionnelle purement série avec une gamme de protocoles standard, certains étant ouverts, d'autres propriétaires.

Schéma optique codeur RESOLUTE™ avec annotations

Le processus commence...

L'automate lance l'opération en envoyant un message de requête à la tête de lecture lui ordonnant de saisir la position absolue sur la règle linéaire ou rotative à cet instant précis. La tête répond en produisant un flash sur la règle au moyen d'une LED haute puissance. La durée de ce flash peut être extrêmement courte (100 ns) pour minimiser le flou d'image sur les axes en mouvement. Un aspect fondamental est que sa synchronisation est commandée à quelques nanosecondes près pour maintenir le rapport entre la position exigée et la position signalée. C'est l'une des caractéristiques essentielles qui font que RESOLUTE convient parfaitement aux asservissements hautes spécifications.

Règle à une seule piste

La règle se compose en fait d'une seule piste de lignes contrastées pleine largeur utilisant une période nominale de 30 µm. L'absence de plusieurs pistes parallèles procure une forte immunité aux erreurs de lacet et bien plus de tolérance à la position de tête.

Acquisition d'image

Une image de la règle est prise au travers d'une lentille asphérique, qui minimise la distorsion, sur un réseau de détecteurs conçus spécialement pour RESOLUTE. Notre agencement optique suit une trajectoire d'éclairage en « V » tout en donnant une imagerie directe. Il est donc très compact mais stable ce qui permet le niveau de fidélité indispensable à une excellente métrologie.

Décodage et analyse des données

Une fois saisie par le détecteur, l'image est transférée par un convertisseur analogique/numérique (ADC) à un DSP (processeur de signaux numériques) puissant. Des algorithmes spécialement mis au point calculent alors une position véritablement absolue mais relativement approximative à partir des graduations imbriquées dans la règle. Ce processus est vérifié et des corrections sont apportées par la suite par d'autres algorithmes au sein du DSP lesquels font intervenir la redondance et les restrictions intentionnelles des graduations de la règle. Pendant ce temps, d'autres sous-programmes calculent une position à résolution très élevée qui est alors combinée à la position approximative pour donner une position véritablement absolue et très haute résolution.

Derniers contrôles et production de données

À l'issue de procédures finales de contrôle d'erreurs, ces informations sont envoyées, par le protocole approprié, au contrôleur sous la forme d'un mot série pur qui représente la position à 1 nm près. Une protection contre les brouillages électriques est assurée par l'ajout d'un CRC (contrôle de redondance cyclique). Le processus complet ne prend que quelques microsecondes et peut être répété jusqu'à 25 000 fois par seconde. Par diverses techniques, entre autres celle consistant à ajuster la durée du flash lumineux suivant la vitesse d'axe, ces performances sont maintenues à jusqu'à 100 m/s tout en préservant, atout fondamental, une gigue de positionnement exceptionnellement faible aux vitesses d'exploitation basses.

Et c'est ainsi qu'on obtient...

Un codeur avec de grandes tolérances d'installation : RESOLUTE autorise ±0,5° en lacet, tangage et roulis ainsi qu'une tolérance d'entrefer impressionnante de ±150 µm. Pendant ce temps la généreuse empreinte optique et les procédures avancées de correction d'erreur confèrent une excellente immunité à la contamination optique, tant pour les particules que les taches de graisse. Tout cela en maintenant une résolution de 1 nm à 100 m/s : RESOLUTE est la réponse aux défis les plus ardus en termes de positions absolues.

EVOLUTE™

Le codeur EVOLUTE utilise une communication bidirectionnelle purement série avec une gamme de protocoles standard, certains étant ouverts, d'autres propriétaires.

Schéma optique codeur EVOLUTE™ avec annotations

Le processus commence...

L'automate lance l'opération en envoyant un message de requête à la tête de lecture lui ordonnant de saisir la position absolue sur la règle linéaire à cet instant précis. La tête répond en produisant un flash sur la règle au moyen d'une LED haute puissance. La durée de ce flash peut être extrêmement courte (100 ns) pour minimiser le flou d'image sur les axes en mouvement. Un aspect fondamental est que sa synchronisation est commandée à quelques nanosecondes près pour maintenir le rapport entre la position exigée et la position signalée, faisant que la série EVOLUTE convient parfaitement aux asservissements hautes spécifications.


Règle à une seule piste

La règle se compose en fait d'une seule piste de lignes contrastées pleine largeur utilisant une période nominale de 50 µm. L'absence de plusieurs pistes parallèles procure une forte immunité aux erreurs de lacet et bien plus de tolérance à la position de tête.

Acquisition d'image

Une image de la règle est prise au travers d'une lentille asphérique, qui minimise la distorsion, sur un réseau de détecteurs personnalisé. Notre agencement optique suit une trajectoire d'éclairage en « V » tout en donnant une imagerie directe. Il est donc très compact mais stable ce qui permet le niveau de fidélité indispensable à une excellente métrologie.

Décodage et analyse des données

Une fois saisie par le détecteur, l'image est transférée par un convertisseur analogique/numérique à un DSP (processeur de signaux numériques) puissant. Des algorithmes spécialement mis au point calculent alors une position véritablement absolue mais relativement approximative à partir des graduations imbriquées dans la règle. Ce processus est vérifié et des corrections sont apportées par la suite par d'autres algorithmes au sein du DSP lesquels font intervenir la redondance et les restrictions intentionnelles des graduations de la règle. Pendant ce temps, d'autres sous-programmes calculent une position à résolution très élevée qui est alors combinée à la position approximative pour donner une position véritablement absolue et très haute résolution.

Derniers contrôles et production de données

À l'issue de procédures finales de contrôle d'erreurs, les informations de position sont envoyées, par le protocole approprié, au contrôleur sous la forme d'un mot série pur. Une protection contre les brouillages électriques est assurée par l'ajout d'un CRC (contrôle de redondance cyclique). Le processus complet ne prend que quelques microsecondes et peut être répété jusqu'à 25 000 fois par seconde. Par diverses techniques, entre autres celle consistant à ajuster la durée du flash lumineux suivant la vitesse d'axe, ces performances peuvent être maintenues à jusqu'à 100 m/s tout en préservant une gigue de positionnement exceptionnellement faible aux vitesses d'exploitation basses.

Et c'est ainsi qu'on obtient...

Le codeur EVOLUTE permet des tolérances d’installation généreuses de ±0,75° en lacet, et de ±0,5° en tangage et en roulis, avec un entrefer impressionnant de ±250 µm. Pendant ce temps, la généreuse empreinte optique et les procédures avancées de correction d'erreur confèrent une excellente immunité à la contamination optique, incluant tant les particules que les taches de graisse, tout en maintenant une résolution de ± 50 nm à jusqu’à 100 m/s.

QUANTiC™

Les codeurs QUANTiC comportent l’optique de filtrage inédite troisième génération de Renishaw. En faisant une moyenne de la lecture de nombreux pas de règle, le filtrage de cette optique permet une élimination efficace des éléments non périodiques tels que la saleté. Le signal carré nominal issu de la lecture des motifs de la règle est également filtré pour ne laisser passer qu’une frange sinusoïdale au niveau du détecteur. Ensuite un détecteur photo-électrique à fentes multiples très fines produit des photocourants sous la forme de quatre signaux à phases symétriques. Ils sont combinés pour éliminer les composantes de courant continu et produire des sorties sinusoïdales et cosinusoïdales présentant une grande pureté spectrale et un décalage faible tout en maintenant des bandes passantes au-delà de 500 kHz.

Conditionnement dynamique de signal avancé, entièrement intégré avec commandes automatiques de gain, d’offset et de balance pour garantir une erreur de subdivision (SDE) faible, valeur type <±80 nm pour les petits systèmes rotatifs, <±150 nm pour les grands systèmes rotatifs et <±80 nm pour les systèmes linéaires.

Cette évolution de l’optique de filtrage, combinée à une électronique soigneusement conçue permet d’avoir des signaux incrémentaux sur une large bande passante atteignant une vitesse maximale de 8 800 tr/min pour les systèmes rotatifs, de 24 m/s pour les systèmes linéaires, avec la gigue de positionnement la plus faible parmi tous les codeurs dans cette catégorie. L’interpolation est intégrée à la tête de lecture. Des versions fine résolution sont renforcées par une électronique supplémentaire de réduction de bruit permettant d’obtenir une gigue d’à peine 2,73 nm efficace.

Schéma optique TONiC™ avec annotations

La marque de référence IN-TRAC est entièrement intégrée à la règle incrémentale. Elle est détectée par un photo-détecteur dans la tête de lecture. Cette disposition unique bénéficie également d’un sous-programme de calibration automatique qui met électroniquement la marque de référence en phase et optimise les signaux incrémentaux.

TONiC™

TONiC comporte l'optique de filtrage inédite troisième génération de Renishaw. En effectuant une moyenne de la lecture de nombreux pas de règle, le filtrage de cette optique permet une élimination efficace des éléments non périodiques tels que la saleté. Le signal carré nominal issu de la lecture des motifs de la règle est également filtré pour ne laisser passer qu’une frange sinusoïdale au niveau du détecteur. Ensuite un détecteur photo-électrique à fentes multiples très fines produit des photocourants sous la forme de quatre signaux à phases symétriques. Ils sont combinés pour éliminer les composantes de courant continu et produire des sorties sinusoïdales et cosinusoïdales ayant une grande pureté spectrale et un décalage faible tout en maintenant des bandes passantes au-delà de 500 kHz.

Conditionnement dynamique de signal avancé, entièrement intégré avec contrôles automatiques de gain, d'offset et de balance pour garantir une erreur de subdivision (SDE) ultra faible (valeur type <±30 nm).

Cette évolution de l’optique de filtrage, combinée à une électronique soigneusement sélectionnée permet d’avoir des signaux incrémentaux sur une large bande passante atteignant une vitesse maximale de 10 m/s avec la gigue de position la plus faible parmi tous les codeurs dans cette catégorie. L'interpolation est effectuée par algorithme CORDIC dans l'interface TONiC Ti. Des versions fine résolution sont renforcées par une électronique supplémentaire de réduction de bruit afin d'obtenir une gigue d'à peine 0,5 nm efficace.

Schéma optique TONiC™ avec annotations

La marque de référence IN-TRAC est entièrement intégrée à la règle incrémentale. Elle est détectée par un photo-détecteur double dans la tête de lecture. Comme le schéma l'indique, le double photo-détecteur de cette marque de référence est directement imbriqué au centre du réseau de photodiodes linéaires à canal incrémental. Ceci garantit une plus grande immunité à la perte de phase par lacet. On obtient une détection de la marque de référence, répétable dans les deux directions à toutes les vitesses à l'unité de résolution. Cet agencement inédit bénéficie également d'un sous-programme de calibration automatique qui, par l'électronique, met la marque de référence en phase et optimise le conditionnement de signal dynamique.

VIONiC™

Le codeur VIONiC comporte l’optique de filtrage inédite troisième génération de Renishaw. En faisant une moyenne de la lecture de nombreux pas de règle, le filtrage de cette optique permet une élimination efficace des éléments non périodiques tels que la saleté. Le signal carré nominal issu de la lecture des motifs de la règle est également filtré pour ne laisser passer qu’une frange sinusoïdale au niveau du détecteur. Ensuite un détecteur photo-électrique à fentes multiples très fines produit des photocourants sous la forme de quatre signaux à phases symétriques. Ils sont combinés pour éliminer les composantes de courant continu et produire des sorties sinusoïdales et cosinusoïdales ayant une grande pureté spectrale et un décalage faible tout en maintenant des bandes passantes au-delà de 500 kHz.

Conditionnement dynamique de signal avancé, entièrement intégré avec commandes automatiques de gain, d’offset et de balance pour garantir une erreur de subdivision (SDE) ultra-faible (valeur type <±15 nm).

Cette évolution de l’optique de filtrage, combinée à une électronique soigneusement sélectionnée permet d’avoir des signaux incrémentaux sur une large bande passante atteignant une vitesse maximale de 12 m/s avec la gigue de position la plus faible parmi tous les codeurs dans cette catégorie. L’interpolation est intégrée à la tête de lecture. Des versions fine résolution sont renforcées par une électronique supplémentaire de réduction de bruit afin d’obtenir une gigue d’à peine 1,6 nm efficace.

Schéma optique TONiC™ avec annotations

La marque de référence IN-TRAC™est entièrement intégrée à la règle incrémentale. Elle est détectée par un photo-détecteur double dans la tête de lecture. Comme le schéma l'indique, le double photo-détecteur de cette marque de référence est directement imbriqué au centre du réseau de photodiodes linéaires à canal incrémental. Ceci garantit une plus grande immunité à la perte de phase par lacet. Cette disposition unique bénéficie également d’un sous-programme de calibration automatique qui met électroniquement la marque de référence en phase et optimise les signaux incrémentaux.

ATOM DX™

Le codeur ATOM DX fait appel à l'optique de filtrage éprouvée utilisée dans les codeurs incrémentaux Renishaw tels que TONiC et VIONic. Les têtes de lecture ATOM DX comportent une source de lumière non collimatée à LED centrée entre le capteur incrémental et celui de marques de référence. Cette LED à forte divergence produit une faible élévation avec une empreinte au niveau de la règle qui est bien plus grande que celle de la LED. Ceci permet un éclairage des zones de marques incrémentales et de référence. La LED incohérente produit un signal d'une grande pureté harmonique qui permet une interpolation haute résolution. Une photométrie efficace produit aussi un signal en sortie à faible gigue. Un autre avantage considérable du schéma d'optique de filtrage est que l'ATOM DX ne génère pas d'erreurs de mesure dues aux ondulations et contaminations sur la règle.


Méthodes avancées et entièrement intégrées de conditionnement dynamique de signal, avec commandes automatiques de gain, de balance et d’offset pour garantir une erreur de subdivision (SDE) ultra-faible (valeur type <±15 nm).


La combinaison de l’optique de filtrage à une électronique soigneusement sélectionnée permet d’obtenir des renvois de position incrémentaux sur une large bande passante en atteignant une vitesse maximale de 12 m/s avec la gigue de position la plus faible parmi tous les codeurs dans cette catégorie. L’interpolation numérique du signal s'effectue dans la tête de lecture. Des versions haute résolution sont complétées par une électronique supplémentaire de réduction de bruit permettant d’obtenir une gigue d’à peine 1,6 nm efficace.


Le codeur ATOM DX utilise une grande marque de référence optique "hors piste" qui permet d'avoir une bonne immunité aux contaminations. La mise en phase de la marque de référence s'effectue au moyen d'un simple sous-programme intuitif d'auto-étalonnage tel qu'utilisé avec les séries de codeurs QUANTiC™ et VIONiC™.

Schéma optique ATOM™ avec annotations

ATOM™

ATOM utilise une LED à lumière non collimatée, installée au centre entre les capteurs incrémentaux et de marque de référence. Cette LED à forte divergence donne une hauteur de profil bas avec une empreinte au niveau de la règle qui est bien plus grande que celle de la LED. On obtient ainsi un éclairage des zones incrémentales et de marque de référence.

ATOM emploie le même schéma optique de filtrage que celui de tous les codeurs incrémentaux Renishaw. La LED incohérente produit un signal d'une grande pureté harmonique qui permet une interpolation haute résolution. Cette photométrie efficace génère également un signal à faible gigue. Un autre avantage du schéma d'optique de filtrage est que l'ATOM ne génère pas d'erreurs de mesure dues aux contaminations et ondulations sur la règle.

ATOM utilise une grande marque de référence optique "hors piste" procurant une bonne immunité aux contaminations. Le mise en phase de la marque de référence n'est pas plus compliquée qu'avec TONiC.

Schéma optique ATOM™ avec annotations