Los codificadores lineales aumentan la precisión al corregir errores aguas abajo de los enlaces mecánicos.

Los encoders lineales siguen la posición de los ejes sin elementos mecánicos intermedios. Los codificadores incluso miden los errores de transferencia de los enlaces mecánicos (como los dispositivos mecánicos de rotación a lineal), lo que ayuda a los controles a corregir los errores que se originan en la máquina. Por lo tanto, esta retroalimentación permite que los controles tengan en cuenta toda la mecánica en los bucles de control de posición.

Cómo funciona el escaneo fotoeléctrico en codificadores

Muchos codificadores lineales de precisión funcionan mediante escaneo óptico o fotoeléctrico. En resumen, un cabezal de lectura rastrea graduaciones periódicas de solo unos pocos micrómetros de ancho y emite señales con períodos de señal pequeños. El estándar de medición suele ser vidrio o (para longitudes de medición grandes) acero con graduaciones periódicas (marcas en el sustrato portador). Es un modo de seguimiento de posición sin contacto.

Utilizados con períodos de rejilla incrementales de entre 4 y 40 μm, los codificadores lineales de escaneo de imágenes de código PRC (absoluto) funcionan con generación de señales luminosas. Dos rejillas (en la escala y en la retícula de escaneo) se mueven entre sí. El material de la retícula de escaneo es transparente, pero el material de la escala puede ser transparente o reflectante. Cuando los dos se cruzan, la luz incidente se modula. Si los espacios en las rejillas se alinean, la luz pasa a través de ellas. Si las líneas de una rejilla coinciden con los huecos de la otra, bloquea la luz. Las células fotovoltaicas convierten las variaciones de intensidad luminosa en señales eléctricas con forma sinusoidal.

Otra opción para graduaciones con períodos de rejilla de 8 μm y menores es el escaneo interferencial. Este modo de funcionamiento del codificador lineal aprovecha la difracción y la interferencia de la luz. Como patrón de medición sirve una rejilla escalonada, completa con líneas de 0,2 μm de altura sobre una superficie reflectante. Delante hay una retícula de escaneo: una rejilla transparente con un punto que coincide con el de la escala. Cuando una onda de luz pasa a través de la retícula, se difracta en tres ondas parciales con -1, 0 y 1 órdenes de intensidad aproximadamente igual. La escala difracta las ondas por lo que la intensidad luminosa se concentra en los órdenes de difracción 1 y -1. Estas ondas se encuentran nuevamente en la rejilla de fase de la retícula, donde se difractan una vez más e interfieren. Esto produce tres ondas que salen de la retícula de escaneo en diferentes ángulos. Luego, las células fotovoltaicas convierten la intensidad de la luz alterna en una salida de señal eléctrica.

En el escaneo interferencial, el movimiento relativo entre la retícula y la escala hace que los frentes de onda difractados experimenten un cambio de fase. Cuando la rejilla se mueve un período, el frente de onda de primer orden se mueve una longitud de onda en dirección positiva, y la longitud de onda de orden de difracción -1 se mueve una longitud de onda en dirección negativa. Las dos ondas interfieren entre sí al salir de la rejilla, por lo que se desplazan entre sí en dos longitudes de onda (para dos períodos de señal a partir de un movimiento de solo un período de rejilla).

Dos variaciones de escaneo de codificador

Algunos codificadores lineales realizan mediciones absolutas, por lo que el valor de posición siempre está disponible cuando la máquina está encendida y la electrónica puede consultarlo en cualquier momento. No es necesario mover los ejes a una referencia. La graduación de la escala tiene una estructura de código absoluto en serie y se interpola una pista incremental separada para el valor de posición mientras se genera simultáneamente una señal incremental opcional.

Por el contrario, los codificadores lineales que funcionan con mediciones incrementales utilizan graduaciones con rejilla periódica, y los codificadores cuentan incrementos individuales (pasos de medición) desde algún origen para obtener la posición. Debido a que esta configuración utiliza una referencia absoluta para determinar las posiciones, las cintas de escala para estas configuraciones vienen con una segunda pista con una marca de referencia.

La posición de escala absoluta establecida por la marca de referencia se controla con exactamente un período de señal. Por lo tanto, el cabezal de lectura debe localizar y escanear una marca de referencia para establecer una referencia absoluta o encontrar el último dato seleccionado (lo que a veces requiere recorridos de referencia de carrera larga).

Iteraciones del codificador lineal

Un desafío en la integración de codificadores lineales es que los dispositivos operan justo en el eje de movimiento, por lo que están expuestos al entorno de la máquina. Por este motivo, algunos codificadores lineales están sellados. Una carcasa de aluminio protege la báscula, el carro de escaneo y su guía contra virutas, polvo y líquidos, y unos labios elásticos orientados hacia abajo sellan la carcasa. En este caso, el carro de escaneo se desplaza a lo largo de la escala sobre una guía de baja fricción. Un acoplamiento conecta el carro de escaneo con el bloque de montaje y compensa la desalineación entre la báscula y las guías de la máquina. En la mayoría de los casos, se permiten desplazamientos laterales y axiales de ±0,2 a ±0,3 mm entre la escala y el bloque de montaje.

Caso concreto: aplicación de máquina-herramienta

La productividad y la precisión son fundamentales para innumerables aplicaciones, pero las condiciones operativas cambiantes a menudo hacen que esos objetivos de diseño sean un desafío. Considere las máquinas herramienta. La fabricación de piezas se ha desplazado a tamaños de lotes cada vez más pequeños, por lo que las configuraciones deben mantener la precisión bajo diversas cargas y carreras. Quizás el más exigente sea el mecanizado de piezas aeroespaciales, que necesita la máxima capacidad de corte para los procesos de desbaste y luego la máxima precisión para los posteriores procesos de acabado.

Más específicamente, el fresado de moldes de calidad necesita una rápida eliminación del material y una alta calidad de la superficie después del acabado. Al mismo tiempo, sólo las velocidades de avance de contorneado rápidas permiten a las máquinas producir piezas con distancias mínimas entre trayectorias dentro de tiempos de mecanizado aceptables. Pero especialmente en lotes de producción pequeños, es casi imposible mantener condiciones térmicamente estables. Esto se debe a que los cambios entre las operaciones de taladrado, desbaste y acabado contribuyen a las fluctuaciones en las temperaturas de las máquinas herramienta.

Es más, la precisión de la pieza de trabajo es clave para que los pedidos de producción sean rentables. Durante las operaciones de desbaste, las tasas de fresado aumentan al 80% o más; valores inferiores al 10% son comunes para el acabado.

El problema es que las aceleraciones y velocidades de avance cada vez más altas causan calentamiento en los subcomponentes de los accionamientos de alimentación lineal de las máquinas, particularmente aquellas que utilizan husillos de bolas accionados por motores giratorios. Entonces, aquí, la medición de la posición es esencial para estabilizar las correcciones de la máquina herramienta para el comportamiento térmico.

Formas de abordar los problemas de inestabilidad térmica

El enfriamiento activo, las estructuras simétricas de las máquinas y las mediciones y correcciones de temperatura ya son formas comunes de abordar los cambios de precisión inducidos térmicamente. Otro enfoque más es corregir un modo particularmente común de deriva térmica: el de los ejes de alimentación impulsados ​​por motores giratorios que incorporan husillos de bolas de recirculación. Aquí, las temperaturas a lo largo del husillo de bolas pueden cambiar rápidamente con las velocidades de avance y las fuerzas de movimiento. Los cambios de longitud resultantes (normalmente 100 μm/m en 20 minutos) pueden provocar defectos importantes en la pieza de trabajo. En este caso, dos opciones son medir el eje de avance controlado numéricamente a través del husillo de bolas con un codificador rotatorio o mediante un codificador lineal.

La configuración anterior utiliza un codificador rotatorio para determinar la posición de la corredera a partir del paso del tornillo de alimentación. Por lo tanto, el accionamiento debe transferir grandes fuerzas y actuar como un vínculo en el sistema de medición, proporcionando valores muy precisos y reproduciendo de manera confiable el paso del tornillo. Pero el bucle de control de posición sólo tiene en cuenta el comportamiento del codificador rotatorio. Debido a que no puede compensar los cambios en la mecánica de conducción debido al desgaste o la temperatura, en realidad se trata de una operación de circuito semicerrado. Los errores de posicionamiento del accionamiento se vuelven inevitables y degradan la calidad de la pieza de trabajo.

Por el contrario, un codificador lineal mide la posición del carro e incluye una mecánica de avance completa en el circuito de control de posición (para un funcionamiento verdaderamente de circuito cerrado). El juego y las imprecisiones en los elementos de transferencia de la máquina no influyen en la precisión de la medición de la posición. Por tanto, la precisión depende casi únicamente de la precisión y la instalación del codificador lineal. Una nota al margen aquí: la medición directa del codificador también puede mejorar las mediciones del movimiento del eje giratorio. Las configuraciones tradicionales utilizan mecanismos de reducción de velocidad que se conectan a un codificador giratorio en el motor, pero los codificadores de ángulo de alta precisión ofrecen mayor exactitud y reproducibilidad.

Formas en que el diseño de husillos de bolas aborda el calor

Otros tres enfoques para abordar el calor de los husillos de bolas tienen sus propias limitaciones.

1. Algunos husillos de bolas evitan el calentamiento interno (y el calentamiento de las piezas circundantes de la máquina) con núcleos huecos para la circulación del refrigerante. Pero también estos presentan dilatación térmica y un aumento de temperatura de sólo 1 K provoca errores de posicionamiento de hasta 10 μm/m. Esto es significativo porque los sistemas de refrigeración comunes no pueden mantener las variaciones de temperatura a menos de 1 K.

2. A veces los ingenieros modelan la expansión térmica del husillo de bolas en los controles. Pero debido a que el perfil de temperatura es difícil de medir durante la operación y está influenciado por el desgaste de la tuerca de bolas de recirculación, la velocidad de avance, las fuerzas de corte, el rango transversal utilizado y otros factores, este método puede causar errores residuales considerables (hasta 50 μm/m). .

3. Algunos husillos de bolas tienen cojinetes fijos en ambos extremos para aumentar la rigidez de la mecánica de accionamiento. Pero ni siquiera los cojinetes extra rígidos pueden evitar la expansión debida a la generación local de calor. Las fuerzas resultantes son considerables y deforman incluso las configuraciones de rodamientos más rígidas, provocando a veces incluso distorsiones estructurales en la geometría de la máquina. La tensión mecánica también cambia el comportamiento de fricción del accionamiento, degradando la precisión del contorno de la máquina. Es más, el funcionamiento en circuito semicerrado no puede compensar los efectos de los cambios en la precarga del rodamiento debido al desgaste o la deformación mecánica del accionamiento elástico.