Les codeurs linéaires améliorent la précision en corrigeant les erreurs en aval des liaisons mécaniques.

Les codeurs linéaires suivent la position de l'axe sans éléments mécaniques intermédiaires. Les codeurs mesurent même les erreurs de transfert provenant des liaisons mécaniques (telles que les dispositifs mécaniques rotatifs à linéaires), ce qui aide les commandes à corriger les erreurs provenant de la machine. Ainsi, cette rétroaction permet aux commandes de prendre en compte toutes les mécaniques des boucles de contrôle de position.

Comment fonctionne le balayage photoélectrique dans les encodeurs

De nombreux codeurs linéaires de précision fonctionnent par balayage optique ou photoélectrique. En bref, une tête de lecture suit des graduations périodiques de seulement quelques micromètres de large et émet des signaux avec de petites périodes de signal. L'étalon de mesure est généralement du verre ou (pour les grandes longueurs de mesure) de l'acier portant des graduations périodiques (marques sur le substrat porteur). Il s'agit d'un mode de suivi de position sans contact.

Utilisés avec des périodes de réseau incrémentielles comprises entre 4 et 40 μm, les codeurs linéaires à balayage d'images de code PRC (absolu) fonctionnent avec la génération de signaux lumineux. Deux réseaux (sur l'échelle et sur le réticule de balayage) se déplacent l'un par rapport à l'autre. Le matériau du réticule de balayage est transparent, mais le matériau de la balance peut être transparent ou réfléchissant. Lorsque les deux se croisent, la lumière incidente module. Si les interstices des grilles s’alignent, la lumière passe à travers. Si les lignes d’un réseau coïncident avec les espaces de l’autre, cela bloque la lumière. Les cellules photovoltaïques convertissent les variations d’intensité lumineuse en signaux électriques de forme sinusoïdale.

Une autre option pour les graduations avec des périodes de réseau de 8 μm ou moins est le balayage interférentiel. Ce mode de fonctionnement du codeur linéaire exploite la diffraction et les interférences lumineuses. Un réseau à gradins sert d'étalon de mesure, complété par des lignes de 0,2 μm de haut sur une surface réfléchissante. Devant celui-ci se trouve un réticule de balayage – une grille transparente avec une période qui correspond à celle de l'échelle. Lorsqu'une onde lumineuse traverse le réticule, elle se diffracte en trois ondes partielles d'ordres -1, 0 et 1 d'intensité à peu près égale. L'échelle diffracte les ondes donc l'intensité lumineuse se concentre dans les ordres de diffraction 1 et -1. Ces ondes se retrouvent au niveau du réseau de phase du réticule où elles diffractent à nouveau et interfèrent. Cela produit trois vagues qui quittent le réticule de balayage sous des angles différents. Les cellules photovoltaïques convertissent ensuite l’intensité lumineuse alternative en signal électrique.

Dans le balayage interférentiel, le mouvement relatif entre le réticule et l'échelle provoque un déphasage des fronts d'ondes diffractés. Lorsque le réseau se déplace d'une période, le front d'onde du premier ordre se déplace d'une longueur d'onde dans le sens positif et la longueur d'onde de l'ordre de diffraction -1 se déplace d'une longueur d'onde dans le sens négatif. Les deux ondes interfèrent l'une avec l'autre à la sortie du réseau, donc se décalent l'une par rapport à l'autre de deux longueurs d'onde (pour deux périodes de signal à partir d'un déplacement d'une seule période du réseau).

Deux variantes de balayage d'encodeur

Certains codeurs linéaires effectuent des mesures absolues, de sorte que la valeur de position est toujours disponible lorsque la machine est allumée et que l'électronique peut la référencer à tout moment. Il n'est pas nécessaire de déplacer les axes vers une référence. La graduation de l'échelle a une structure de code absolu en série et une piste incrémentielle distincte est interpolée pour la valeur de position tout en générant simultanément un signal incrémentiel facultatif.

En revanche, les codeurs linéaires travaillant sur des mesures incrémentales utilisent des graduations avec un réseau périodique, et les codeurs comptent les incréments individuels (étapes de mesure) à partir d'une certaine origine pour obtenir la position. Étant donné que cette configuration utilise une référence absolue pour déterminer les positions, les bandes graduées pour ces configurations sont livrées avec une deuxième piste avec une marque de référence.

La position absolue de l'échelle établie par le repère de référence est commandée par exactement une période de signal. La tête de lecture doit donc localiser et scanner un repère pour établir une référence absolue ou retrouver la dernière donnée sélectionnée (ce qui nécessite parfois des courses de référence à longue course).

Itérations du codeur linéaire

L'un des défis de l'intégration des codeurs linéaires réside dans le fait que les dispositifs fonctionnent directement sur l'axe de mouvement et sont donc exposés à l'environnement de la machine. C'est pour cette raison que certains codeurs linéaires sont scellés. Un boîtier en aluminium protège la balance, le chariot de numérisation et son guidage des copeaux, de la poussière et des liquides, et des lèvres élastiques orientées vers le bas scellent le boîtier. Ici, le chariot de numérisation se déplace le long de la balance sur un guide à faible friction. Un accouplement relie le chariot de numérisation au bloc de montage et compense le désalignement entre la balance et les guidages de la machine. Dans la plupart des cas, des décalages latéraux et axiaux de ±0,2 à ±0,3 mm entre l'échelle et le bloc de montage sont autorisés.

Exemple concret : application sur machine-outil

La productivité et la précision sont primordiales pour une multitude d'applications, mais les conditions de fonctionnement changeantes rendent souvent ces objectifs de conception difficiles. Pensez aux machines-outils. La fabrication de pièces est passée à des lots de plus en plus petits, les configurations doivent donc maintenir la précision sous diverses charges et courses. Le plus exigeant est peut-être l'usinage de pièces aérospatiales, qui nécessite une capacité de coupe maximale pour les processus d'ébauche, puis une précision maximale pour les processus de finition ultérieurs.

Plus spécifiquement, les moules de qualité fraisage nécessitent un enlèvement de matière rapide et une qualité de surface élevée après finition. Dans le même temps, seules des avances de contour rapides permettent aux machines de produire des pièces avec des distances minimales entre les trajectoires dans des temps d'usinage acceptables. Mais surtout avec de petits lots de production, il est presque impossible de maintenir des conditions thermiquement stables. En effet, les changements entre les opérations de perçage, d'ébauche et de finition contribuent aux fluctuations des températures des machines-outils.

De plus, la précision des pièces à usiner est essentielle pour rentabiliser les commandes de production. Pendant les opérations d'ébauche, les taux de fraisage augmentent jusqu'à 80 % ou mieux ; des valeurs inférieures à 10 % sont courantes pour la finition.

Le problème est que des accélérations et des vitesses d'avance de plus en plus élevées provoquent un échauffement des sous-composants des entraînements d'avance linéaire des machines, en particulier ceux qui utilisent des vis à billes entraînées par un moteur rotatif. Ici, la mesure de position est essentielle pour stabiliser les corrections de la machine-outil en matière de comportement thermique.

Moyens de résoudre les problèmes d’instabilité thermique

Le refroidissement actif, les structures symétriques des machines, ainsi que les mesures et corrections de température sont déjà des moyens courants de gérer les changements de précision induits par la chaleur. Une autre approche consiste à corriger un mode de dérive thermique particulièrement courant : celui des axes d'alimentation entraînés par un moteur rotatif intégrant des vis à recirculation de billes. Ici, les températures le long de la vis à billes peuvent changer rapidement en fonction des vitesses d'avance et des forces de déplacement. Les changements de longueur qui en résultent (généralement 100 μm/m en 20 minutes) peuvent provoquer des défauts importants dans la pièce. Deux options ici consistent à mesurer l'axe d'alimentation à commande numérique via la vis à billes avec un encodeur rotatif ou via un encodeur linéaire.

L'ancienne configuration utilise un encodeur rotatif pour déterminer la position du coulisseau à partir du pas de la vis d'alimentation. Ainsi, l'entraînement doit transférer des forces importantes et agir comme une liaison dans le système de mesure, fournissant des valeurs très précises et reproduisant de manière fiable le pas de vis. Mais la boucle de contrôle de position ne tient compte que du comportement du codeur rotatif. Parce qu'il ne peut pas compenser les changements dans la mécanique de conduite dus à l'usure ou à la température, il s'agit en fait d'un fonctionnement en boucle semi-fermée. Les erreurs de positionnement de l'entraînement deviennent inévitables et dégradent la qualité de la pièce.

En revanche, un codeur linéaire mesure la position du coulisseau et inclut une mécanique d'avance complète dans la boucle de contrôle de position (pour un fonctionnement véritablement en boucle fermée). Les jeux et imprécisions des éléments de transfert de la machine n'ont aucune influence sur la précision de la mesure de position. Ainsi, la précision dépend presque uniquement de la précision et de l'installation du codeur linéaire. Une remarque ici : la mesure directe du codeur peut également améliorer les mesures du mouvement de l'axe rotatif. Les configurations traditionnelles utilisent des mécanismes de réduction de vitesse qui se connectent à un encodeur rotatif sur le moteur, mais les encodeurs angulaires de haute précision offrent une meilleure précision et reproductibilité.

Comment la conception des vis à billes gère la chaleur

Trois autres approches pour gérer la chaleur des vis à billes ont leurs propres limites.

1. Certaines vis à billes empêchent le chauffage interne (et le chauffage des pièces environnantes de la machine) grâce à des noyaux creux pour la circulation du liquide de refroidissement. Mais même ceux-ci présentent une dilatation thermique et une augmentation de température de seulement 1 K provoque des erreurs de positionnement pouvant atteindre 10 μm/m. C'est important, car les systèmes de refroidissement courants ne peuvent pas contenir des variations de température inférieures à 1 K.

2. Parfois, les ingénieurs modélisent la dilatation thermique de la vis à billes dans les commandes. Mais comme le profil de température est difficile à mesurer pendant le fonctionnement et est influencé par l'usure de l'écrou à bille à recirculation, la vitesse d'avance, les forces de coupe, la plage de déplacement utilisée et d'autres facteurs, cette méthode peut provoquer des erreurs résiduelles considérables (jusqu'à 50 μm/m). .

3. Certaines vis à billes sont dotées de roulements fixes aux deux extrémités pour augmenter la rigidité de la mécanique d'entraînement. Mais même les roulements très rigides ne peuvent pas empêcher la dilatation due à la génération de chaleur locale. Les forces qui en résultent sont considérables et déforment même les configurations de roulements les plus rigides, provoquant parfois même des distorsions structurelles dans la géométrie de la machine. La tension mécanique modifie également le comportement de friction de l'entraînement, dégradant ainsi la précision du contournage de la machine. De plus, le fonctionnement en boucle semi-fermée ne peut pas compenser les effets des changements de précharge des roulements dus à l'usure ou à la déformation élastique du mécanisme d'entraînement.