Gli encoder lineari aumentano la precisione correggendo gli errori a valle dei collegamenti meccanici.

Gli encoder lineari tracciano la posizione dell'asse senza elementi meccanici intermedi. Gli encoder misurano persino gli errori di trasferimento provenienti dai collegamenti meccanici (come i dispositivi meccanici rotativi-lineari), il che aiuta i sistemi di controllo a correggere gli errori originati dalla macchina. In questo modo, questo feedback consente ai sistemi di controllo di tenere conto di tutti gli aspetti meccanici nei circuiti di controllo di posizione.

Come funziona la scansione fotoelettrica negli encoder

Molti encoder lineari di precisione funzionano tramite scansione ottica o fotoelettrica. In breve, una testina di lettura traccia delle graduazioni periodiche larghe solo pochi micrometri ed emette segnali con periodi di breve durata. Il campione di misura è solitamente costituito da vetro o (per lunghezze di misura elevate) da acciaio con graduazioni periodiche, ovvero tacche sul substrato di supporto. Si tratta di una modalità di tracciamento della posizione senza contatto.

Utilizzati con periodi di reticolo incrementali compresi tra 4 e 40 μm, gli encoder lineari a scansione di immagini con codice PRC (assoluto) funzionano tramite generazione di segnali luminosi. Due reticoli (uno sulla scala e uno sul reticolo di scansione) si muovono l'uno rispetto all'altro. Il materiale del reticolo di scansione è trasparente, mentre quello della scala può essere trasparente o riflettente. Quando i due reticoli si incrociano, la luce incidente viene modulata. Se gli spazi tra i reticoli si allineano, la luce li attraversa. Se le linee di un reticolo coincidono con gli spazi dell'altro, la luce viene bloccata. Le celle fotovoltaiche convertono le variazioni di intensità luminosa in segnali elettrici di forma sinusoidale.

Un'altra opzione per graduazioni con periodi di reticolo di 8 μm e inferiori è la scansione interferenziale. Questa modalità di funzionamento con encoder lineare sfrutta la diffrazione e l'interferenza della luce. Un reticolo a gradini funge da standard di misura, completo di linee alte 0,2 μm su una superficie riflettente. Davanti ad esso si trova un reticolo di scansione, ovvero un reticolo trasparente con un periodo che corrisponde a quello della scala. Quando un'onda luminosa attraversa il reticolo, si diffrange in tre onde parziali con ordini -1, 0 e 1 di intensità approssimativamente uguale. La scala diffrange le onde in modo che l'intensità luminosa si concentri negli ordini di diffrazione 1 e -1. Queste onde si incontrano nuovamente sul reticolo di fase del reticolo, dove si diffrangono ancora una volta e interferiscono. Questo genera tre onde che escono dal reticolo di scansione con angoli diversi. Le celle fotovoltaiche convertono quindi l'intensità luminosa alternata in un segnale elettrico in uscita.

Nella scansione interferenziale, il movimento relativo tra reticolo e scala provoca uno sfasamento dei fronti d'onda diffratti. Quando il reticolo si sposta di un periodo, il fronte d'onda del primo ordine si sposta di una lunghezza d'onda in direzione positiva, e la lunghezza d'onda dell'ordine di diffrazione -1 si sposta di una lunghezza d'onda in direzione negativa. Le due onde interferiscono tra loro all'uscita dal reticolo, sfasandosi quindi l'una rispetto all'altra di due lunghezze d'onda (per due periodi di segnale a fronte di uno spostamento di un solo periodo del reticolo).

Due varianti di scansione dell'encoder

Alcuni encoder lineari effettuano misurazioni assolute, quindi il valore di posizione è sempre disponibile quando la macchina è in funzione e l'elettronica può farvi riferimento in qualsiasi momento. Non è necessario spostare gli assi per raggiungere un riferimento. La graduazione della scala ha una struttura di codice assoluto seriale e una traccia incrementale separata viene interpolata per il valore di posizione, generando contemporaneamente un segnale incrementale opzionale.

Al contrario, gli encoder lineari che funzionano con misurazioni incrementali utilizzano graduazioni con reticoli periodici e contano i singoli incrementi (passi di misurazione) a partire da un punto di origine per determinare la posizione. Poiché questa configurazione utilizza un riferimento assoluto per accertare le posizioni, i nastri graduati per questi sistemi sono dotati di una seconda traccia con un segno di riferimento.

La posizione assoluta della scala, stabilita dal segno di riferimento, è controllata da un intervallo di tempo pari a un singolo periodo di segnale. Pertanto, la testina di lettura deve individuare e scansionare un segno di riferimento per stabilire un riferimento assoluto o per trovare l'ultimo dato selezionato (operazione che a volte richiede corse di riferimento lunghe).

Iterazioni dell'encoder lineare

Una delle sfide nell'integrazione degli encoder lineari è che i dispositivi operano direttamente sull'asse di movimento, quindi sono esposti all'ambiente della macchina. Per questo motivo, alcuni encoder lineari sono sigillati. Un alloggiamento in alluminio protegge la scala, il carrello di scansione e la sua guida da trucioli, polvere e fluidi, e delle guarnizioni elastiche rivolte verso il basso sigillano l'alloggiamento. In questo caso, il carrello di scansione scorre lungo la scala su una guida a basso attrito. Un giunto collega il carrello di scansione al blocco di montaggio e compensa il disallineamento tra la scala e le guide della macchina. Nella maggior parte dei casi, sono ammessi offset laterali e assiali di ±0,2 a ±0,3 mm tra la scala e il blocco di montaggio.

Esempio concreto: applicazione su macchine utensili

Produttività e precisione sono fondamentali per innumerevoli applicazioni, ma le mutevoli condizioni operative spesso rendono difficili il raggiungimento di questi obiettivi di progettazione. Si pensi alle macchine utensili. La produzione di componenti si è orientata verso lotti di dimensioni sempre più ridotte, pertanto le configurazioni devono mantenere la precisione in presenza di carichi e corse variabili. Forse l'applicazione più impegnativa è la lavorazione di componenti aerospaziali, che richiede la massima capacità di taglio per le fasi di sgrossatura e la massima precisione per le successive fasi di finitura.

Nello specifico, la fresatura di stampi di qualità richiede una rapida rimozione del materiale e un'elevata qualità superficiale dopo la finitura. Allo stesso tempo, solo velocità di avanzamento di contornatura elevate consentono alle macchine di produrre pezzi con distanze minime tra le tracce entro tempi di lavorazione accettabili. Tuttavia, soprattutto con piccoli lotti di produzione, è quasi impossibile mantenere condizioni termicamente stabili. Questo perché le variazioni tra le operazioni di foratura, sgrossatura e finitura contribuiscono alle fluttuazioni di temperatura della macchina utensile.

Inoltre, la precisione del pezzo è fondamentale per rendere redditizi gli ordini di produzione. Durante le operazioni di sgrossatura, i tassi di fresatura aumentano fino all'80% o più; valori inferiori al 10% sono comuni per la finitura.

Il problema è che accelerazioni e velocità di avanzamento sempre più elevate provocano il surriscaldamento dei componenti secondari degli azionamenti lineari delle macchine, in particolare quelli che utilizzano viti a ricircolo di sfere azionate da motori rotativi. Pertanto, in questi casi, la misurazione della posizione è essenziale per stabilizzare le correzioni della macchina utensile in funzione del comportamento termico.

Metodi per affrontare i problemi di instabilità termica

Il raffreddamento attivo, le strutture simmetriche delle macchine e le misurazioni e correzioni della temperatura sono già metodi comuni per affrontare le variazioni di precisione indotte termicamente. Un altro approccio consiste nel correggere una modalità particolarmente comune di deriva termica: quella degli assi di avanzamento azionati da motori rotativi che incorporano viti a ricircolo di sfere. In questo caso, le temperature lungo la vite a ricircolo di sfere possono variare rapidamente con la velocità di avanzamento e le forze in movimento. Le conseguenti variazioni di lunghezza (tipicamente 100 μm/m in 20 minuti) possono causare difetti significativi sul pezzo. Due opzioni in questo caso sono misurare l'asse di avanzamento a controllo numerico attraverso la vite a ricircolo di sfere con un encoder rotativo o con un encoder lineare.

La configurazione precedente utilizza un encoder rotativo per determinare la posizione del carrello in base al passo della vite di avanzamento. Pertanto, l'azionamento deve trasmettere forze elevate e fungere da collegamento nel sistema di misurazione, fornendo valori estremamente precisi e riproducendo in modo affidabile il passo della vite. Tuttavia, il circuito di controllo della posizione tiene conto solo del comportamento dell'encoder rotativo. Poiché non può compensare le variazioni della meccanica di azionamento dovute all'usura o alla temperatura, si tratta in realtà di un funzionamento a circuito semi-chiuso. Gli errori di posizionamento dell'azionamento diventano inevitabili e compromettono la qualità del pezzo.

Al contrario, un encoder lineare misura la posizione del carrello e include l'intera meccanica di avanzamento nel circuito di controllo della posizione (per un funzionamento a circuito chiuso). Il gioco e le imprecisioni degli elementi di trasferimento della macchina non influenzano la precisione della misurazione della posizione. Pertanto, la precisione dipende quasi esclusivamente dalla precisione e dall'installazione dell'encoder lineare. Una nota a margine: la misurazione diretta con encoder può anche migliorare le misurazioni del movimento degli assi rotanti. Le configurazioni tradizionali utilizzano meccanismi di riduzione della velocità collegati a un encoder rotativo sul motore, ma gli encoder angolari ad alta precisione offrono maggiore accuratezza e riproducibilità.

Modi in cui la progettazione della vite a ricircolo di sfere affronta il calore

Altri tre approcci per affrontare il problema del calore generato dalle viti a ricircolo di sfere presentano a loro volta delle limitazioni.

1. Alcune viti a ricircolo di sfere impediscono il riscaldamento interno (e il riscaldamento delle parti circostanti della macchina) grazie a nuclei cavi che consentono la circolazione del liquido di raffreddamento. Tuttavia, anche queste presentano dilatazione termica e un aumento di temperatura di appena 1 K causa errori di posizionamento fino a 10 μm/m. Questo è significativo perché i comuni sistemi di raffreddamento non sono in grado di mantenere le variazioni di temperatura al di sotto di 1 K.

2. Talvolta gli ingegneri modellano la dilatazione termica della vite a ricircolo di sfere nei sistemi di controllo. Tuttavia, poiché il profilo di temperatura è difficile da misurare durante il funzionamento ed è influenzato dall'usura del dado a ricircolo di sfere, dalla velocità di avanzamento, dalle forze di taglio, dalla corsa di traslazione utilizzata e da altri fattori, questo metodo può causare errori residui considerevoli (fino a 50 μm/m).

3. Alcune viti a ricircolo di sfere sono dotate di cuscinetti fissi ad entrambe le estremità per aumentare la rigidità del meccanismo di azionamento. Tuttavia, anche i cuscinetti più rigidi non possono impedire la dilatazione dovuta alla generazione di calore localizzata. Le forze risultanti sono considerevoli e deformano anche le configurazioni di cuscinetti più rigide, causando talvolta persino distorsioni strutturali nella geometria della macchina. La tensione meccanica modifica anche il comportamento dell'attrito del meccanismo di azionamento, compromettendo la precisione di contornatura della macchina. Inoltre, il funzionamento a circuito semi-chiuso non può compensare gli effetti delle variazioni del precarico dei cuscinetti dovute all'usura o alla deformazione elastica del meccanismo di azionamento.