Les codeurs rotatifs

Le 14/12/2018 à 13:30  

L jouer un rôle dans des démarches t es codeurs rotatifs sont l'un des composants couramment utilisés dans l'industrie pour mesurer un déplacement,une vitesse ou une position. Ils quantifient avant tout un angle, mais peuvent être déclinés de sorte à mesurer une longueur. Ces produits existent en de nombreuses variantes: absolus ou incrémentaux, mono ou multitours, et basés sur différentes technologies de mesure (optique, magnétique ou à induction). « C'est un marché mature, commente Frédéric Saint-Jean, chef de produits chez ifm electronic. Les utilisateurs ont généralement leurs habitudes quant au type de matériel utilisé. » Cependant, les différents fabricants continuent de perfectionner ces capteurs, en termes de compacité ou de robustesse vis-à-vis de l'environnement, mais aussi dans le but de les adapter au contexte de l'usine connectée, en les rendant communicants.

Pour un codeur rotatif, il existe plusieurs façons de détecter une position. Il est utile de connaître les principes de mesure à l'œuvre, car chacun présente des avantages et des inconvénients. Dans les codeurs magnétiques, la position est tout simplement repérée par rapport à un champ magnétique. Celui-ci peut être généré par un aimant permanent interne au capteur, ou par une piste installée sur un anneau et lue par un détecteur séparé. Dans le cas des capteurs optiques,un signal lumineux est envoyé vers un disque à encoches, qui présente une succession de lignes noires et de transparences laissant passer des impul-sions.Celles-ci permettent de déterminer l'évolution de la position. Certains capteurs combinent ces deux tech-niques,comme la gamme PSENenco de Pilz. Enfin, « un codeur inductif est composé d'un rotor doté de dépôts de cuivre et d'un stator doté de pistes correspondant à des bobinages à plat , explique Jean Vasseur, responsable d'agence chez Heindenhain. Lorsque l'ensemble est mis sous tension,on crée un champ électromagnétique,dont l'amplitude est modulée par la rotation ».

Les conditions environnementales jouent un rôle important sur le choix du codeur. La technologie de mesure optique est ainsi plus sensible à la condensation ou aux poussières que les systèmes électromagnétiques.

Sick

Bien dimensionner son codeur

La précision d'un codeur est définie par son nombre de points par tour. « Des systèmes à 10 000 points par tour couvrent une grosse majorité des applications , observe Frédéric Saint-Jean (ifm electronic). Il est possible d'aller bien au-delà, mais cela concernera plutôt des marchés de niche. » Attention à ne pas sur-dimensionner le codeur par rapport aux besoins de l'application: un nombre de points important peut nécessiter l'usage d'une carte d'acquisition à haute fréquence compatible avec le signal de sortie. « Les capteurs optiques ont de meilleures précision et résolution », résume Mathias Roth, chef de produits chez Siko. Ainsi, pour des applications très exigeantes, comme dans le domaine de la recherche scientifique, c'est plutôt vers ce type de modèles que l'on se tournera.

Mais les codeurs optiques contiennent généralement un disque en verre, ce qui les rend plus sensibles aux chocs et aux vibrations. Autre point faible de cette méthode de mesure: sa sensibilité aux poussières et à la condensation, susceptibles de gêner la transmission de la lumière. Si l'infiltration de poussières peut être limitée par l'étanchéité du produit, « la condensation, elle, n'est pas liée à ce paramètre, mais aux différences de température entre l'air à l'intérieur et à l'extérieur du codeur », précise Antoine Lavaux, responsable produits chez Sick. Le problème est donc difficilement évitable dans certaines conditions, notamment pour les usages en extérieur. Les autres technologies, à savoir les techniques magnétique et inductive, échappent à cet inconvénient. Le choix de la technologie de mesure dépend donc d'un compromis entre le besoin de précision et les conditions ambiantes.

Les codeurs incrémentaux peuvent transmettre un signal électrique simple, tandis que les versions absolues envoient une information de position plus complexe. Cela impose des systèmes de câblage et d'acquisition différents.

Heindenhain

Ces techniques de mesure peuvent se décliner en version absolue ou incrémentale. Le codeur incrémental permet de déduire la position en fonction du défilement des repères, qu'ils soient magnétiques ou optiques. Mais sans ce comptage, il ne permet pas de connaître la position. « Les capteurs incrémentaux sont donc souvent utilisés pour la gestion de vitesse », note Antoine Lavaux. Ils sont aussi compatibles avec la mesure de position, mais avec une contrainte: si l'on perd l'alimentation, on perd l'information de position. « Dans ce cas, il faut revenir à une position initiale,remettre le système à zéro pour pouvoir mesurer la position à nouveau », décrit Frédéric Saint-Jean (ifm electronic). Pour les codeurs absolus, en revanche, une information unique est associée à chaque position possible.Ainsi, la configuration de machine et la possibilité, ou non, d'effectuer une remise à zéro peut dicter le choix d'un codeur,entre modèles incrémental et absolu.

Parmi les codeurs absolus, il existe des versions mono et multitours. Les capteurs monotours ne donnent une position absolue que sur 360°: « Cela suffit pour connaître par exemple la position angulaire d'une table tournante, dans une application comme les machines de remplissage de type carrousel », illustre Antoine Lavaux (Sick). Un capteur multitours compte,

en plus, le nombre de tours effectués. Cela pourra être nécessaire s'il s'agit de connaître par exemple la position linéaire d'un système mobile sur plusieurs dizaines de mètres. Il est en effet possible d'utiliser un capteur rotatif pour une mesure linéaire, avec des enrouleurs à câble associés aux codeurs, ou avec des systèmes à crémaillères. « Pour ce type de produits, la précision du codeur est négligeable par rapport à la partie mécanique, note Antoine Lavaux. La qualité de la mécanique explique les grosses différences de prix entre fabricants. Le câble, par exemple, doit impérativement s'enrouler sans se chevaucher, pour garder un diamètre constant. » Mais un codeur multitours ne peut compter qu'un nombre limité de tours. Quand le codeur atteint cette limite, le compteur de tours repasse à zéro. Dans les applications où un nombre de tours plus important doit être effectué, il faut ajouter au codeur un système extérieur de comptage de tours.

Grâce à l'IO-Link, les codeurs peuvent être configurés, mais également communiquer des informations complémentaires.

ifm electronic

D'autres différences découlent du fonctionnement absolu ou incrémental des codeurs rotatifs. Les informations de sortie étant différentes, cela a des implications sur les systèmes de communication associés. Un codeur incrémental sort en effet une information simple, à savoir des trains d'impulsions. Les interfaces électriques associées sont classique, telles que TTL, HTL ou sin/ cos 1 Vcc. Mais cela impose d'utiliser autant d'entrées que de codeurs, et sou-vent des entrées à comptage rapide. « En termes de câblage,les codeurs incrémentaux ne sont donc pas forcément plus simples », estime Jean Vasseur (Heidenhain). Une évolution en termes de câblage apparue ces dernières années consiste à utiliser, pour les codeurs intégrés dans un moteur, un seul et même câble pour transmettre à la fois la puissance (l'alimentation) et les données de mesure, voire le frein moteur. Plusieurs fabricants proposent ce type d'interface, qui simplifie significativement le câblage. Pour les codeurs absolus, généralement chaque grand fabricant a son propre protocole de communication. Il faut donc s'assurer que celui-ci est compatible avec l'électronique de traitement en aval.

« Aujourd'hui, les architectures des automa-tismes évoluent plutôt vers des bus de terrain ( voir encadré ci-dessous ), observe Antoine Lavaux (Sick). Pour certains clients, cela justifie de passer à des codeurs absolus, afin d'éviter une liaison point à point. » Ainsi, si un réseau de type Ethernet passe déjà à proximité de l'application, il peut être plus intéressant d'utiliser un capteur absolu compatible avec ce protocole plutôt que d'installer un câblage et une carte d'entrée spécifique pour codeurs incrémentaux. Bien que leur prix ait diminué ces dernières années, les codeurs absolus restent plus chers. Cependant, il ne faut pas oublier de considérer l'ensemble du coût, du temps et de la complexité de l'installation. D'ailleurs, « les codeurs absolus prennent de plus en plus de parts de marché, les codeurs incrémentaux, eux, sont en perte de vitesse, observe Jean Vasseur (Heidenhain), même s'ils ont encore une longue vie devant eux, car ils sont répandus depuis des années, tout comme les interfaces qu'ils utilisent ».

Choisir en fonction du montage

Les codeurs rotatifs se distinguent également par leur système de montage. Ils peuvent être proposés en version avec un arbre creux ou sortant. « C'est uniquement une question mécanique,l'électronique à l'intérieur restant la même », précise Mathias Roth (Siko). Cela dépend de la façon dont le composant doit être monté sur la machine. Selon l'application, il peut exister d'autres déclinaisons: « nous distinguons les versions destinées à être intégrées aux moteurs par les fabricants de celles qui seront montées à l'extérieur, chacune avec des contraintes et spécificités propres », indiqueAntoine Lavaux (Sick). Pour les versions externes, il faut garantir une étanchéité suffisante, tandis que les versions montées dans les moteurs ont des contraintes de température plus fortes. « De plus, les modèles destinés aux motoristes sont conçus avec des principes de montage différents, prévus pour les grandes séries, et imposent des tenues en vibrations et en température plus élevées », complète Jean Vasseur (Heidenhain).

Certaines gammes de codeurs sont dédiées spécifiquement à des applications industrielles en fonction de leur environnement. « La technologie est la même, mais les boîtiers sont conçus spécifiquement pour répondre aux exigences de certaines applications », précise Mathias Roth (Siko). Ainsi, pour le secteur agroalimentaire, les fabricants proposent des versions avec une meilleure étanchéité, des matériaux adaptés au lavage et résistants aux agressions chimiques, comme l'acier inoxydable. « Il est plus difficile de garantir un indice de protection (IP) élevé sur la partie arbre que sur le boîtier , commente Frédéric Saint-Jean (ifm electronic). En général, l'IP est donc inférieur sur la partie mobile.Mais certains de nos produits affichent un IP67 sur la partie mécanique en mouvement ».

Des codeurs sur Ethernet

Comme de nombreux équipements industriels, les codeurs évoluent vers des communications basées sur Ethernet. Mais pour les fabricants, cela a un coût: « La compatibilité avec les protocoles propriétaires se met en place à l'aide d'une puce et d'une licence à intégrer, explique Antoine Lavaux, responsable produits chez Sick. Cela n'est pas intéressant sur un codeur d'entrée de gamme,pour lequel on va plutôt se limiter à des bus de terrain plus basiques,comme IO-Link ou CANopen,qui sont relativement peu chers, ouverts et sans licence. » L'utilisation de protocoles sur Ethernet doit donc répondre à des besoins particuliers.

La question de la réactivité nécessaire du système entre en jeu également dans le choix d'un protocole, mais aussi du type de codeur. « Pour un codeur incrémental, l'information est communiquée en temps réel,on n'est pas pénalisés par un temps de cycle lié au réseau,qui peut engendrer une latence de quelques millisecondes à quelques dizaines de millisecondes », analyse Antoine Lavaux.

Certaines applications peuvent aussi impliquer des contraintes de taille: il faudra alors des codeurs très compacts, ou à l'inverse très grands: « nous avons une gamme de codeurs dédiés au secteur des énergies renouvelables , indique Mathias Roth (Siko). Certains sont conçus pour les éoliennes ; ce sont des codeurs sans boîtier, avec un anneau de grand diamètre. » La résistance aux conditions environnementales est l'un des axes d'amélioration des codeurs rotatifs: « pour les applications les plus exigeantes, nous essayons de combiner compacité et larges plages de température, de - 73 à + 150 °C, tout en gardant un prix raisonnable »,illustre Davy Renard,responsable produits chez Renishaw.

De plus en plus de codeurs sont certifiés selon les normes de sécurité. Cela peut mettre en jeu différents critères, comme la redondance de la mesure ou des adaptations mécaniques.

Siko

Les codeurs rotatifs sans boîtier sont « des têtes de mesure compactes,qui permettent de lire directement une valeur sur un disque tournant pourvu d'une règle magnétique ou optique », décrit Davy Renard. Avec ce type d'installation, un paramètre important à prendre en compte est la hauteur de vol: si la tête de lecture se trouve trop près ou trop loin de la règle, il ne sera plus possible de la lire correctement. « Certains modèles permettent d'avoir une grande hauteur de vol et une grande variation de ce paramètre,mais cela se fait au détri-ment de la précision », indique le responsable produits de Renishaw. Dans des environnements sujets à d'importantes variations de température, la mesure peut être dépendante de la dilatation de la règle. « Il faut donc faire attention à ce que l'on choisit.Certaines règles ont un coefficient de dilatation faible,voire nul.C'est très important sur des applications de métrologie », continue Davy Renard. « Ce type de codeurs engendre moins de contacts, ajoute Mathias Roth (Siko). Ils ont donc une durée de vie plus importante ».

L'une des évolutions des codeurs rotatifs est leur compatibilité avec les applications de sécurité: « c'est une vraie ten-dance, que l'on retrouve dans le monde de la motorisation, noteAntoine Lavaux (Sick). Les demandes pour des systèmes de contrôle de mouvement certifiés sont de plus en plus récurrentes. » En effet, il est plus facile de faire certifier un système selon les normes de sécurité, si ses différents composants sont eux-mêmes certifiés. Le marché demande donc des codeurs de sécurité certifiés PLd ou PLe, aussi bien pour la gestion de vitesse que de position.

Pour les capteurs dotés d'une tête de lecture et d'une règle, il est important de prendre en compte la hauteur de vol, dont dépend la précision de la mesure.

Quelle est alors la différence entre un codeur de sécurité et un codeur classique? Plusieurs choses peuvent changer: « dans certaines applications, et selon le niveau de sécurité à atteindre, il faut parfois assurer une redondance complète de la mesure, détaille Mathias Roth (Siko). On utilise alors deux capteurs distincts dans un même codeur. » Il faut aussi « exclure toute erreur mécanique , complète Jean Vasseur (Heidenhain). Il ne faut pas de défaut de glissement entre l'arbre d'entraînement et le codeur. On va donc faire en sorte, à l'aide par exemple d'une clavette,que le produit ne puisse pas tourner sur lui-même. » Les codeurs de sécurité doivent également répondre à des exigences de traçabilité: « i ls doivent porter un numéro de série unique, et pas simplement un numéro de lot », préciseAntoine Lavaux (Sick).

De plus, au niveau du montage, il faut assurer que les vis ne se desserrent pas, ce qui risquerait de fausser la mesure. Il faut donc une vis de serrage pourvue d'un revêtement de colle. Bien sûr, il faut également que les codeurs de sécurité soient compatibles avec les protocoles de communication adaptés, comme EnDat 22 avec sécurité fonc-tionnelle, CANopen Safety ou Profisafe. « Auparavant,la redondance nécessitait l'usage de deux codeurs, et donc de deux réseaux de câbles différents, rappelle Jean Vasseur (Heidenhain). Dans le domaine des ma-chines-outils,par exemple, on utilise classiquement une règle définissant la position de l'axe, conjointement au codeur du moteur d'entraînement pour surveiller la vitesse ».

Les codeurs suivent également la tendance de l'usine connectée et deviennent communicants. « L'IO-Link est un système de communication intéressant en termes de coûts, note Antoine Lavaux (Sick). C'est aujourd'hui la manière la plus économique de transmettre une information de position absolue.Ce protocole a mis longtemps à démarrer en France, mais c'est une vraie tendance depuis deux ans. » L'IO-Link permet aussi de transmettre plus d'informations que la seule position, comme des données liées au diagnostic du codeur. Mais pas seulement: une température mesurée par une sonde peut être codée dans la même trame, ce qui permet de simplifier le câblage de l'ensemble. Des alarmes peuvent aussi être paramétrées, en fonction de positions ou de vitesses limites.Tout cela permet de connaître les conditions réelles d'utilisation de la machine et d'anticiper les défauts. Si la position ou le nombre de tours effectués sont des informations codifiées, le type de données complémentaires, en revanche, dépend de chaque fabricant.

Un outil de maintenance préventive

« Un codeur peut par exemple être lié à une courroie crantée qui déplace une structure, illustreAntoine Lavaux. La courroie vieillit et doit être remplacée avant de casser, après un certain nombre d'heures d'utilisation. Mais cette donnée ne donne pas l'état d'usure réel. » En enregistrant les vitesses de rotation du codeur ainsi que les distances parcourues par la courroie, il est toutefois possible de connaître son utilisation réelle. Ce type d'informations permet par exemple de différencier le nombre d'heures d'utilisation du nombre d'heures de mise sous tension. « La liste d'informations qu'il est possible de remonter est très longue, noteAntoine Lavaux. Il faut donc choisir celles qui ont du sens pour une application donnée. » L'information peut être envoyée de façon automatique, ou sur interrogation venant des automatismes, car la communication va dans les deux sens.

L'IO-Link sert par ailleurs à programmer ou paramétrer les codeurs. Le nombre de points par tour,par exemple, peut se configurer. « Avant, il y avait une référence différente pour chaque nombre de points , rappelle Frédéric Saint-Jean (ifm electronic). Aujourd'hui,avec l'IO-Link,les codeurs incrémentaux sont programmables,de 2 à 10 000 points pour notre gamme. » Cela permet de simplifier la gestion des stocks de pièces de rechange, en n'ayant que des codeurs génériques. ifm electronic propose de plus des versions avec afficheur et boutons-poussoirs intégrés, qui permettent de programmer le codeur. On le voit, même les produits industriels matures et présents dans les usines depuis des décennies sont rattrapés par les besoins de communication. Les codeurs ne font pas exception, et peuvent désormais jouer un rôle plus grand au sein de l'usine connectée.