Lineaariset kooderit parantavat tarkkuutta korjaamalla virheet mekaanisten yhteyksien jälkeen.

Lineaariset anturit seuraavat akselin sijaintia ilman välimekaanisia elementtejä. Enkooderit mittaavat jopa mekaanisten nivelten (kuten pyörivistä lineaarisiin mekaanisista laitteista) siirtovirheitä, mikä auttaa ohjaimia korjaamaan koneesta peräisin olevia virheitä. Siten tämä palaute antaa ohjaimille mahdollisuuden ottaa huomioon kaikki asennonsäätösilmukoiden mekaniikka.

Kuinka valosähköinen skannaus toimii koodereissa

Monet tarkkuuslineaariset kooderit toimivat optisella tai valosähköisellä skannauksella. Lyhyesti sanottuna lukupää seuraa jaksottaisia ​​vain muutaman mikrometrin levyisiä asteikkoja ja lähettää signaaleja pienillä signaalijaksoilla. Mittausstandardi on yleensä lasi tai (suurille mittapituuksille) teräs, jossa on säännölliset asteikot – merkit kantoalustan päällä. Se on kontaktiton sijainninseurannan tila.

Käytettynä 4–40 μm:n inkrementaalisten hilajaksojen kanssa, PRC (absoluuttinen) -koodikuvaa kuvaavat lineaariset kooderit toimivat valosignaalin generoinnin kanssa. Kaksi ritilää (asteikossa ja skannaava ristikko) liikkuvat suhteessa toisiinsa. Skannausristikon materiaali on läpinäkyvää, mutta vaa'an materiaali voi olla läpinäkyvää tai heijastavaa. Kun nämä kaksi ohittavat toisensa, tuleva valo moduloituu. Jos ritilöiden välit ovat kohdakkain, valo kulkee läpi. Jos yhden hilan linjat osuvat yhteen toisen hilan rakojen kanssa, se estää valon. Aurinkosähkökennot muuttavat valon voimakkuuden vaihtelut sinimuotoisiksi sähköisiksi signaaleiksi.

Toinen vaihtoehto asteikolle, jonka hilajaksot ovat 8 μm tai pienemmät, on häiriöskannaus. Tämä lineaarisen kooderin toimintatapa hyödyntää diffraktiota ja valon häiriötä. Mittausstandardina toimii porrasritilä, jonka heijastavalla pinnalla on 0,2 μm korkeita viivoja. Sen edessä on skannaava hiusristikko – läpinäkyvä hila, jonka piste vastaa asteikon pistettä. Kun valoaalto kulkee ristikon läpi, se taittuu kolmeen osa-aaltoon, joiden voimakkuus on suunnilleen yhtä suuri -1, 0 ja 1. Asteikko taittaa aallot niin, että valovoima keskittyy diffraktioluokkaan 1 ja -1. Nämä aallot kohtaavat jälleen hiusristikön vaihehilassa, jossa ne taittuvat vielä kerran ja häiritsevät. Tämä tekee kolme aaltoa, jotka jättävät pyyhkäisyristikön eri kulmissa. Aurinkosähkökennot muuttavat sitten vaihtuvan valon voimakkuuden sähkösignaaliksi.

Häiriöpyyhkäisyssä hiusvärin ja asteikon välinen suhteellinen liike saa aikaan taittuneiden aaltorintojen vaihesiirron. Kun hila liikkuu yhden jakson verran, ensimmäisen kertaluvun aaltorintama liikkuu yhden aallonpituuden positiiviseen suuntaan ja diffraktioluokkaa -1 oleva aallonpituus yhden aallonpituuden negatiivisessa suunnassa. Nämä kaksi aaltoa häiritsevät toisiaan hilasta poistuessaan, joten siirtyvät toistensa suhteen kahdella aallonpituudella (kaksi signaalijaksoa vain yhden hilajakson siirrosta).

Kaksi enkooderin skannausmuunnelmaa

Jotkut lineaarianturit tekevät absoluuttisia mittauksia, joten sijaintiarvo on aina saatavilla, kun kone on päällä, ja elektroniikka voi viitata siihen milloin tahansa. Akseleita ei tarvitse siirtää referenssiin. Asteikkoasteikolla on sarja absoluuttinen koodirakenne ja erillinen inkrementaalinen raita interpoloidaan paikan arvolle samalla kun se tuottaa valinnaisen inkrementaalisen signaalin.

Sitä vastoin inkrementaalista mittausta käyttävät lineaarianturit käyttävät asteikkoja jaksoittaisella hilalla, ja enkooderit laskevat yksittäisiä lisäyksiä (mittausaskeleita) jostakin origosta saadakseen paikan. Koska tämä asetus käyttää absoluuttista viittausta paikkojen määrittämiseen, näiden asetusten asteikkonauhoissa on toinen raita, jossa on viitemerkki.

Vertailumerkin määrittämä absoluuttinen asteikon sijainti on portitettu täsmälleen yhdellä signaalijaksolla. Lukupään on siis löydettävä ja skannattava viitemerkki absoluuttisen viittauksen muodostamiseksi tai viimeksi valitun peruspisteen löytämiseksi (mikä joskus vaatii pitkiä viiteajoja).

Lineaarisen kooderin iteraatiot

Yksi haaste lineaarisen enkooderin integroinnissa on, että laitteet toimivat aivan liikeakselilla, joten ne ovat alttiina koneen ympäristölle. Tästä syystä jotkut lineaarianturit on suljettu. Alumiinikotelo suojaa vaakaa, skannausvaunua ja sen johteita lastuilta, pölyltä ja nesteiltä, ​​ja alaspäin suunnatut joustavat huulet tiivistävät kotelon. Tässä skannausvaunu kulkee vaakaa pitkin matalakitkaisella ohjaimella. Kytkentä yhdistää skannauskelkan asennuslohkoon ja kompensoi asteikon ja koneen ohjauskäytävien välistä epätasapainoa. Useimmissa tapauksissa ±0,2–±0,3 mm:n sivuttais- ja aksiaalisiirtymät asteikon ja asennuspalkin välillä ovat sallittuja.

Esimerkki: Työstökonesovellus

Tuottavuus ja tarkkuus ovat ensiarvoisen tärkeitä lukemattomissa sovelluksissa, mutta muuttuvat käyttöolosuhteet tekevät näistä suunnittelutavoitteista usein haastavia. Harkitse työstökoneita. Osien valmistus on siirtynyt yhä pienempään eräkokoon, joten asetusten on säilytettävä tarkkuus erilaisilla kuormituksilla ja iskuilla. Ehkä vaativin on ilmailu- ja avaruusosien koneistus, joka vaatii maksimaalisen leikkauskapasiteetin rouhintaprosesseissa ja maksimaalisen tarkkuuden myöhemmissä viimeistelyprosesseissa.

Tarkemmin sanottuna jyrsintälaadukkaat muotit vaativat nopeaa materiaalin poistoa ja korkeaa pintalaatua viimeistelyn jälkeen. Samaan aikaan vain nopeat ääriviivasyöttönopeudet antavat koneille mahdollisuuden tuottaa osia pienin etäisyyksillä ratojen välillä hyväksyttävien työstöaikojen sisällä. Mutta erityisesti pienillä tuotantoerillä on lähes mahdotonta ylläpitää lämpöstabiileja olosuhteita. Tämä johtuu siitä, että muutokset porauksen, rouhinta- ja viimeistelyoperaatioiden välillä vaikuttavat työstökoneiden lämpötilojen vaihteluihin.

Lisäksi työkappaleen tarkkuus on avainasemassa tuotantotilausten kannattavuuden kannalta. Rouhintaoperaatioiden aikana jyrsintänopeudet nousevat 80 %:iin tai paremmaksi; arvot alle 10 % ovat yleisiä viimeistelyssä.

Ongelmana on, että yhä suuremmat kiihtyvyydet ja syöttönopeudet aiheuttavat kuumenemista koneiden lineaaristen syöttölaitteiden osakomponenteissa, erityisesti niissä, joissa käytetään pyörivämoottorikäyttöisiä kuularuuveja. Joten tässä sijainnin mittaus on välttämätöntä työstökoneiden lämpökäyttäytymisen stabiloimiseksi.

Tapoja käsitellä lämmön epävakautta koskevia ongelmia

Aktiivinen jäähdytys, symmetriset konerakenteet sekä lämpötilamittaukset ja -korjaukset ovat jo yleisiä tapoja käsitellä lämmön aiheuttamia tarkkuusmuutoksia. Vielä eräs lähestymistapa on korjata erityisen yleinen lämpöryömintätapa - pyörivät moottorikäyttöiset syöttöakselit, joissa on kierrättävät kuularuuvit. Täällä lämpötilat kuularuuvia pitkin voivat muuttua nopeasti syöttönopeuden ja liikevoimien mukaan. Tästä johtuvat pituusmuutokset (tyypillisesti 100 μm/m 20 minuutin sisällä) voivat aiheuttaa merkittäviä työkappaleen virheitä. Kaksi vaihtoehtoa on mitata numeerisesti ohjattu syöttöakseli kuularuuvin kautta pyörivällä anturilla tai lineaarisen kooderin kautta.

Edellinen kokoonpano käyttää pyörivää anturia liukuasennon määrittämiseen syöttöruuvin noususta. Taajuusmuuttajan on siis siirrettävä suuria voimia ja toimittava linkkinä mittausjärjestelmässä tarjoten erittäin tarkat arvot ja toistaen ruuvin nousun luotettavasti. Mutta asennonsäätösilmukka ottaa huomioon vain pyörivän kooderin käyttäytymisen. Koska se ei voi kompensoida kulumisesta tai lämpötilasta johtuvia muutoksia ajomekaniikassa, tämä on itse asiassa puolisuljetun silmukan toiminta. Vetolaitteen kohdistusvirheet tulevat väistämättömiksi ja heikentävät työkappaleen laatua.

Sitä vastoin lineaarinen kooderi mittaa luistin asennon ja sisältää täydellisen syöttömekaniikan asennonsäätösilmukassa (todella suljetun silmukan toimintaa varten). Koneen siirtoelementtien välys ja epätarkkuudet eivät vaikuta paikanmittaustarkkuuteen. Tarkkuus riippuu siis lähes yksinomaan lineaarisen kooderin tarkkuudesta ja asennuksesta. Yksi sivuhuomautus tässä: Suora anturimittaus voi myös parantaa pyörivän akselin liikkeen mittauksia. Perinteisissä asetuksissa käytetään nopeuden alentamismekanismeja, jotka yhdistetään moottorin pyörivään anturiin, mutta erittäin tarkat kulmaanturit tarjoavat paremman tarkkuuden ja toistettavuuden.

Tapoja, että kuularuuvin suunnittelu käsittelee lämpöä

Kolmella muulla tapaa käsitellä kuularuuvin lämpöä on omat rajoituksensa.

1. Jotkut kuularuuvit estävät sisäisen kuumenemisen (ja ympäröivien koneen osien kuumenemisen) ontoilla ytimillä jäähdytysnesteen kiertoa varten. Mutta myös näillä on lämpölaajenemista, ja lämpötilan nousu vain 1 K aiheuttaa paikannusvirheitä 10 μm/m. Tämä on merkittävää, koska yleiset jäähdytysjärjestelmät eivät pysty pitämään lämpötilan vaihteluita alle 1 K:n.

2. Joskus insinöörit mallintavat säätimien kuularuuvin lämpölaajenemista. Mutta koska lämpötilaprofiilia on vaikea mitata käytön aikana ja siihen vaikuttavat kierrättävän kuulamutterin kuluminen, syöttönopeus, leikkausvoimat, käytetty liikealue ja muut tekijät, tämä menetelmä voi aiheuttaa huomattavia jäännösvirheitä (50 μm/m asti). .

3. Joissakin kuularuuveissa on kiinteät laakerit molemmissa päissä käyttömekaniikan jäykkyyden lisäämiseksi. Mutta edes erityisen jäykät laakerit eivät voi estää paikallisen lämmöntuotannon aiheuttamaa laajenemista. Tuloksena olevat voimat ovat huomattavia ja muuttavat jäykimpiäkin laakerikokoonpanoja – joskus jopa aiheuttaen rakenteellisia vääristymiä koneen geometriassa. Mekaaninen jännitys muuttaa myös vetolaitteen kitkakäyttäytymistä, mikä heikentää koneen ääriviivatarkkuutta. Lisäksi puolisuljetun silmukan toiminta ei voi kompensoida kulumisesta tai elastisesta käyttömekaanisesta muodonmuutoksesta johtuvia laakerin esijännityksen muutoksia.