Los codificadores lineales aumentan la precisión al corregir errores posteriores a los vínculos mecánicos.

Los codificadores lineales rastrean la posición del eje sin elementos mecánicos intermedios. Los codificadores incluso miden errores de transferencia de las conexiones mecánicas (como dispositivos mecánicos rotatorios a lineales), lo que ayuda a los controles a corregir errores originados en la máquina. Por lo tanto, esta retroalimentación permite a los controles tener en cuenta todos los mecanismos 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, un cabezal de lectura rastrea graduaciones periódicas de apenas unos micrómetros de ancho y emite señales con períodos cortos. El estándar de medición suele ser vidrio o (para longitudes de medición grandes) acero con graduaciones periódicas (marcas sobre el sustrato portador). Se trata de un modo de seguimiento de posición sin contacto.

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

Otra opción para graduaciones con períodos de rejilla de 8 μm y menores es el escaneo interferencial. Este modo de operación de codificador lineal aprovecha la difracción y la interferencia de la luz. Una rejilla escalonada sirve como estándar de medición, completa con líneas de 0,2 μm de alto en una superficie reflectante. Delante de esta se encuentra 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 de modo que la intensidad luminosa se concentra en los órdenes de difracción 1 y -1. Estas ondas se reencuentran 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. Las células fotovoltaicas luego 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 provoca un desfase en los frentes de onda difractados. Cuando la rejilla se desplaza un periodo, el frente de onda de primer orden se desplaza una longitud de onda en sentido positivo, y la longitud de onda de orden de difracción -1 se desplaza una longitud de onda en sentido negativo. Las dos ondas interfieren entre sí al salir de la rejilla, por lo que se desplazan dos longitudes de onda (para dos periodos de señal a partir de un desplazamiento de tan solo un periodo de la rejilla).

Dos variaciones de escaneo del 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 referenciarlo en cualquier momento. No es necesario mover los ejes a una referencia. La graduación de la escala tiene una estructura de código absoluto serial y se interpola una pista incremental independiente para el valor de posición, generando simultáneamente una señal incremental opcional.

En cambio, los codificadores lineales que funcionan con medición incremental utilizan graduaciones con rejilla periódica, y cuentan incrementos individuales (pasos de medición) desde un origen para obtener la posición. Dado que esta configuración utiliza una referencia absoluta para determinar las posiciones, las cintas de escala para estas configuraciones incluyen una segunda pista con una marca de referencia.

La posición absoluta de la escala, 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 para encontrar el último punto de referencia seleccionado (lo que a veces requiere recorridos de referencia de largo recorrido).

Iteraciones del codificador lineal

Un reto en la integración de codificadores lineales es que los dispositivos operan directamente en el eje de movimiento, por lo que están expuestos al entorno de la máquina. Por esta razón, algunos codificadores lineales son sellados. Una carcasa de aluminio protege la escala, el carro de escaneo y su guía de virutas, polvo y fluidos, 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 escala y las guías de la máquina. En la mayoría de los casos, se permiten desfases laterales y axiales de ±0,2 a ±0,3 mm entre la escala y el bloque de montaje.

Un ejemplo concreto: la aplicación de máquinas-herramientas

La productividad y la precisión son fundamentales para una gran variedad de aplicaciones, pero las condiciones operativas cambiantes a menudo dificultan estos objetivos de diseño. Consideremos las máquinas herramienta. La fabricación de piezas se ha reducido cada vez más, por lo que las configuraciones deben mantener la precisión bajo diversas cargas y recorridos. Quizás el mecanizado de piezas aeroespaciales sea el más exigente, ya que requiere la máxima capacidad de corte para los procesos de desbaste y la máxima precisión para los procesos de acabado posteriores.

Más específicamente, el fresado de moldes de calidad requiere una rápida eliminación de material y una alta calidad superficial tras el acabado. Al mismo tiempo, solo las velocidades de avance rápidas para contorneado permiten a las máquinas producir piezas con distancias mínimas entre trayectorias dentro de tiempos de mecanizado aceptables. Sin embargo, especialmente con 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 de temperatura de la máquina-herramienta.

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

El problema radica en que las aceleraciones y velocidades de avance cada vez mayores provocan calentamiento en los subcomponentes de los accionamientos de avance lineal de las máquinas, en particular en aquellas que utilizan husillos de bolas accionados por motor rotativo. Por lo tanto, en este caso, la medición de la posición es esencial para estabilizar las correcciones de la máquina herramienta por comportamiento térmico.

Formas de abordar los problemas de inestabilidad térmica

La refrigeración activa, las estructuras simétricas de las máquinas y las mediciones y correcciones de temperatura son métodos habituales para abordar los cambios de precisión inducidos térmicamente. Otro enfoque consiste en corregir un modo de deriva térmica particularmente común: el de los ejes de avance accionados por motor rotativo que incorporan husillos de bolas recirculantes. En estos casos, las temperaturas a lo largo del husillo de bolas pueden variar rápidamente con las velocidades de avance y las fuerzas de movimiento. Los cambios de longitud resultantes (normalmente de 100 μm/m en 20 minutos) pueden causar defectos significativos en la pieza. Dos opciones son medir el eje de avance controlado numéricamente a través del husillo de bolas con un codificador rotatorio o con 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 enlace en el sistema de medición, proporcionando valores de alta precisión y reproduciendo el paso del tornillo con fiabilidad. Sin embargo, el bucle de control de posición solo tiene en cuenta el comportamiento del codificador rotatorio. Dado que no puede compensar los cambios en la mecánica del accionamiento debidos al desgaste o la temperatura, se trata de una operación de bucle semicerrado. Los errores de posicionamiento del accionamiento son inevitables y degradan la calidad de la pieza.

En cambio, un codificador lineal mide la posición de la corredera e incluye un sistema de avance completo en el bucle de control de posición (para un funcionamiento en bucle verdaderamente cerrado). Las holguras e imprecisiones en los elementos de transferencia de la máquina no afectan la precisión de la medición de la posición. Por lo tanto, la precisión depende casi exclusivamente de la precisión y la instalación del codificador lineal. Una nota al margen: la medición directa con codificador también puede mejorar las mediciones del movimiento del eje rotatorio. Las configuraciones tradicionales utilizan mecanismos de reducción de velocidad conectados a un codificador rotatorio en el motor, pero los codificadores angulares de alta precisión ofrecen mayor precisión y reproducibilidad.

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

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

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

2. En ocasiones, los ingenieros modelan la expansión térmica del husillo de bolas en los controles. Sin embargo, dado que el perfil de temperatura es difícil de medir durante el funcionamiento y se ve afectado por el desgaste de la tuerca de bolas recirculantes, la velocidad de avance, las fuerzas de corte, el rango de desplazamiento utilizado y otros factores, este método puede causar errores residuales considerables (hasta 50 μm/m).

3. Algunos husillos a bolas incorporan rodamientos fijos en ambos extremos para aumentar la rigidez de la mecánica de accionamiento. Sin embargo, ni siquiera los rodamientos extra rígidos pueden evitar la expansión causada por la generación de calor local. Las fuerzas resultantes son considerables y deforman incluso las configuraciones de rodamientos más rígidas, a veces incluso causando distorsiones estructurales en la geometría de la máquina. La tensión mecánica también altera el comportamiento de fricción de la transmisión, lo que reduce la precisión de contorneado de la máquina. Además, el funcionamiento en circuito semicerrado no puede compensar los efectos de los cambios en la precarga de los rodamientos debidos al desgaste o a la deformación elástica de la mecánica de accionamiento.