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

Los codificadores lineales rastrean la posición del eje sin elementos mecánicos intermedios. Los codificadores incluso miden los errores de transferencia de los enlaces mecánicos (como dispositivos mecánicos rotativos a lineales), lo que ayuda a los controles correctos para los errores que se originan en la máquina. Por lo tanto, esta retroalimentación permite que los controles expliquen todas las mecánicas en los bucles de control de posición.

Cómo funciona el escaneo fotoeléctrico en los codificadores

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

Se utiliza con períodos de rejilla incrementales entre 4 y 40 μm, los codificadores lineales de escaneo de imágenes de código PRC (absoluto) funcionan con la generación de señal de luz. Dos rejillas (en la escala y 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 reflexivo. Cuando los dos se pasan entre sí, la luz incidente se modula. Si los espacios en las rejillas se alinean, la luz pasa. Si las líneas de una rejilla coinciden con los huecos del otro, bloquea la luz. Las células fotovoltaicas convierten las variaciones en la intensidad de la luz en señales eléctricas con una forma sinusoidal.

Otra opción para graduaciones con períodos de rejilla de 8 μm y más pequeño es el escaneo interferencial. Este modo de operación del codificador lineal aprovecha la difracción y la interferencia de la luz. Una rejilla pasada sirve como estándar de medición, completa con líneas de 0.2 μm de alto en una superficie reflectante. Frente a eso hay una retícula de escaneo, rejilla transparente con un período 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 órdenes de -1, 0 y 1 de intensidad aproximadamente igual. La escala difracta las ondas para que la intensidad luminosa se concentre en los órdenes de difracción 1 y -1. Estas ondas se reúnen nuevamente en la rejilla de fase de la retícula donde difractan una vez más e interfieren. Esto hace tres ondas que dejan la retícula de escaneo en diferentes ángulos. Las células fotovoltaicas luego convierten la intensidad de la luz alterna en la salida de señal eléctrica.

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

Dos variaciones de escaneo de codificadores

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 hacer referencia a ella en cualquier momento. No hay necesidad de mover los ejes a una referencia. La graduación de la escala tiene una estructura de código absoluto en serie y una vía incremental separada se interpola para el valor de posición al tiempo que genera simultáneamente una señal incremental opcional.

Por el contrario, los codificadores lineales que trabajan con graduaciones de uso incremental de medición con rejilla periódica, y los codificadores cuentan incrementos individuales (medidas de medidas) de algún origen para obtener una 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 la escala absoluta establecida por la marca de referencia está cerrada con exactamente un período de señal. Por lo tanto, el cabezal de lectura debe ubicar y escanear una marca de referencia para establecer una referencia absoluta o para encontrar el último dato seleccionado (que a veces requiere ejecuciones de referencia de accidente cerebrovascular).

Iteraciones de codificador lineal

Un desafío en la integración del codificador lineal es que los dispositivos funcionan directamente en el eje de movimiento, por lo que están expuestos al entorno de la máquina. Por esta razón, algunos codificadores lineales están sellados. Una carcasa de aluminio protege la escala, el carro de barrido y su guía de papas fritas, polvo y fluidos, y los labios elásticos orientados hacia abajo sella la carcasa. Aquí, el carro de escaneo viaja a lo largo de la escala en una guía de baja fricción. Un acoplamiento conecta el carro de escaneo con el bloque de montaje y compensa la desalineación entre la escala y las guías de máquinas. En la mayoría de los casos, se permiten compensaciones laterales y axiales de ± 0.2 a ± 0.3 mm entre la escala y el bloque de montaje.

Caso en cuestión: aplicación de herramientas de máquina

La productividad y la precisión son primordiales para innumerables aplicaciones, pero cambiar las condiciones de funcionamiento a menudo hace que esos objetivos de diseño sean desafiantes. Considere las máquinas herramientas. La fabricación de piezas se ha movido a tamaños de lotes cada vez más pequeños, por lo que las configuraciones deben mantener la precisión bajo diversas cargas y golpes. Quizás lo más exigente es el mecanizado de piezas aeroespaciales, que necesita la máxima capacidad de corte para los procesos de desacuerdo y luego la máxima precisión para los procesos de acabado posteriores.

Más específicamente, los moldes de calidad de fresado necesitan extracción rápida de material y alta calidad de superficie después de terminar. Al mismo tiempo, solo las tasas de alimentación de contorno rápida permiten que las máquinas salgan de las partes con distancias mínimas entre rutas dentro de los tiempos de mecanizado aceptables. Pero especialmente con pequeños lotes de producción, es casi imposible mantener condiciones térmicamente estables. Esto se debe a que los cambios entre las operaciones de perforación, desacuerdo y acabado contribuyen a las fluctuaciones en las temperaturas de la herramienta de máquina.

Además, la precisión de la pieza de trabajo es clave para que los pedidos de producción sean rentables. Durante las operaciones de desacuerdo, las tasas de molienda aumentan al 80% o mejor; Los valores por debajo del 10% son comunes para terminar.

El problema es que las aceleraciones y las tasas de alimentación cada vez más altas causan calentamiento en los subcomponentes de las unidades de alimentación lineales de las máquinas, particularmente aquellas que usan tornillos de bolas giratorios de motores rotativos. Entonces, aquí, la medición de posición es esencial para estabilizar las correcciones de la herramienta de máquina para el comportamiento térmico.

Formas de abordar los problemas de inestabilidad térmica

El enfriamiento activo, las estructuras simétricas de la máquina 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, que de los ejes de alimentación de motores rotativos que incorporan tornillos de bolas recirculantes. Aquí, las temperaturas a lo largo del tornillo de bolas pueden cambiar rápidamente con las velocidades de alimentación y las fuerzas móviles. Los cambios resultantes en la longitud (típicamente 100 μm/m en 20 minutos) pueden causar fallas significativas en la pieza de trabajo. Dos opciones aquí son medir el eje de alimentación controlado numéricamente a través del tornillo de bolas con un codificador giratorio o a través de un codificador lineal.

La configuración anterior utiliza un codificador giratorio para determinar la posición de deslizamiento desde el tono de abrochamiento. Por lo tanto, la unidad debe transferir grandes fuerzas y actuar como un enlace en el sistema de medición, lo que proporciona valores altamente precisos y reproduce de manera confiable el tornillo de tornillo. Pero el bucle de control de posición solo representa el comportamiento del codificador rotativo. Debido a que no puede compensar los cambios en la mecánica de conducción debido al desgaste o la temperatura, esto es en realidad una operación de circuito semicerrado. Los errores de posicionamiento de la unidad se vuelven inevitables y degradan la calidad de la pieza de trabajo.

En contraste, un codificador lineal mide la posición de deslizamiento e incluye mecánica completa de alimentación en el circuito de control de posición (para operación de circuito verdaderamente cerrado). El juego e inexactitudes en los elementos de transferencia de la máquina no tienen influencia en la precisión de la medición de posición. Entonces, la precisión depende casi únicamente de la precisión e instalación del codificador lineal. Una nota al margen aquí: la medición del codificador directo también puede mejorar las mediciones del movimiento del eje rotativo. Las configuraciones tradicionales utilizan mecanismos de reducción de velocidad que se conectan a un codificador rotativo en el motor, pero los codificadores de ángulo de alta precisión ofrecen una mejor precisión y reproducibilidad.

Formas en que el diseño del tornillo de bolas aborda el calor

Otros tres enfoques para abordar el calor del tornillo de bolas tienen sus propias limitaciones.

1. Algunos tornillos de pelota evitan el calentamiento interno (y el calentamiento de las partes circundantes de la máquina) con núcleos huecos para la circulación de refrigerante. Pero incluso estos exhiben expansión térmica, y un aumento de temperatura de solo 1 K provoca errores de posicionamiento a 10 μm/m. Eso es significativo porque los sistemas de enfriamiento comunes no pueden mantener variaciones de temperatura a menos de 1 K.

2. A veces, los ingenieros modelan la expansión térmica del tornillo 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 la bola de recirculación, la velocidad de alimentación, las fuerzas de corte, el rango transversal utilizado y otros factores, este método puede causar errores residuales considerables (a 50 μm/m).

3. Algunos tornillos de pelota obtienen rodamientos fijos en ambos extremos para aumentar la rigidez de la mecánica de accionamiento. Pero incluso los rodamientos rígidos adicionales no pueden evitar la expansión de la generación de calor local. Las fuerzas resultantes son considerables y deforman incluso las configuraciones de rodamiento más rígidas, a veces incluso causando distorsiones estructurales en la geometría de la máquina. La tensión mecánica también cambia el comportamiento de fricción de la unidad, degradando la precisión de contorno de la máquina. Además, la operación de circuito semicerrado no puede compensar los efectos de los cambios en la carra de cojinetes debido al desgaste o la deformación mecánica elástica de transmisión.