Gli encoder lineari aumentano l'accuratezza correggendo gli errori a valle dei collegamenti meccanici.

ECCODER LINEARI Traccia la posizione dell'asse senza elementi meccanici intermedi. Gli encoder misurano persino gli errori di trasferimento dai collegamenti meccanici (come dispositivi meccanici da rotante a lineare), che aiutano i controlli per gli errori corretti dalla macchina. Pertanto, questo feedback consente ai controlli di tenere conto di tutti i meccanici nei loop di controllo della posizione.

Come funziona la scansione fotoelettrica in encoder

Molti encoder lineari di precisione funzionano mediante scansione ottica o fotoelettrica. In breve, una testa di lettura traccia graduazioni periodiche larghe solo pochi micrometri e segnali di uscita con piccoli periodi di segnale. Lo standard di misurazione è generalmente di vetro o (per grandi lunghezze di misurazione) graduazioni periodiche del cuscinetto in acciaio: marchi sul substrato del vettore. È una modalità di tracciamento della posizione senza contatto.

Utilizzati con periodi di griglia incrementale tra 4 e 40 μm, i codificatori lineari di scansione delle immagini (assoluti) di CODI per la generazione del segnale luminoso. Due reticoli (sulla scala e sul reticolo di scansione) si muovono l'uno rispetto all'altro. Il materiale del reticolo di scansione è trasparente, ma il materiale della scala può essere trasparente o riflettente. Quando i due passano l'un l'altro, la luce incidente si modula. Se gli spazi vuoti nei reticoli si allineano, la luce passa attraverso. Se le linee di una griglia coincidono con gli spazi dell'altro, blocca la luce. Le celle fotovoltaiche convertono le variazioni dell'intensità della luce in segnali elettrici con una forma sinusoidale.

Un'altra opzione per graduazioni con periodi di griglia di 8 μm e più piccoli è la scansione interferenziale. Questa modalità di funzionamento lineare-codificatore sfrutta la diffrazione e l'interferenza della luce. Una grata per gradini funge da standard di misurazione, completo di linee alte 0,2 μm su una superficie riflettente. Di fronte a ciò c'è un reticolo di scansione: grata trasparente con un periodo che corrisponde a quello della scala. Quando un'onda leggera passa attraverso il reticolo, si diffonde in tre onde parziali con ordini -1, 0 e 1 di intensità approssimativamente uguale. La scala diffonde le onde, quindi l'intensità luminosa si concentra negli ordini di diffrazione 1 e -1. Queste onde si incontrano di nuovo nella grata di fase del reticolo in cui diffondono ancora una volta e interferiscono. Questo fa tre onde che lasciano il reticolo di scansione a diverse angolazioni. Le celle fotovoltaiche convertono quindi l'intensità della luce alternata all'uscita del segnale elettrico.

Nella scansione interferenziale, il movimento relativo tra reticolo e scala fa sottoporsi a uno spostamento di fase diffratti. Quando la griglia si muove di un periodo, la parte anteriore dell'onda del primo ordine muove una lunghezza d'onda nella direzione positiva e la lunghezza d'onda dell'ordine di diffrazione -1 sposta una lunghezza d'onda in negativo. Le due onde interferiscono tra loro quando si esce dalla griglia, quindi sposta l'uno rispetto all'altro per due lunghezze d'onda (per due periodi di segnale da una mossa di un solo periodo di 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 accesa e l'elettronica può fare riferimento in qualsiasi momento. Non è necessario spostare gli assi su un riferimento. La graduazione della scala ha una struttura del 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 elaborano graduazioni di uso incrementale di misurazione con grattugiatura periodica e gli encoder contano gli incrementi individuali (misure) da un po 'di origine per ottenere la posizione. Poiché questa configurazione utilizza un riferimento assoluto per accertare le posizioni, i nastri in scala per queste configurazioni sono dotati di una seconda traccia con un segno di riferimento.

La posizione della scala assoluta stabilita dal segno di riferimento è recuperata con esattamente un periodo di segnale. Quindi la testa di lettura deve individuare e scansionare un marchio di riferimento per stabilire un riferimento assoluto o per trovare l'ultimo dato selezionato (che a volte richiede esecuzione di riferimento a lungo termine).

Iterazioni di codificatore lineare

Una sfida nell'integrazione dell'encoder lineare è che i dispositivi operano proprio 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 patatine, polvere e fluidi e labbra elastiche orientate verso il basso sigillano l'alloggiamento. Qui, il carrello di scansione si reca lungo la scala su una guida a bassa frizione. Un accoppiamento collega il carrello di scansione con il blocco di montaggio e compensa il disallineamento tra la scala e le guide della macchina. Nella maggior parte dei casi, sono consentiti offset laterali e assiali da ± 0,2 a ± 0,3 mm tra la scala e il blocco di montaggio.

Caso in questione: applicazione a pelo automatico

La produttività e l'accuratezza sono fondamentali per una miriade di applicazioni, ma il cambiamento delle condizioni operative spesso rende difficili gli obiettivi di progettazione. Prendi in considerazione le macchine utensili. La produzione di parti si è spostata in dimensioni più piccole di batch, quindi le configurazioni devono mantenere l'accuratezza sotto vari carichi e colpi. Forse il più impegnativo è la lavorazione delle parti aerospaziali, che richiede la massima capacità di taglio per i processi di ruvida e quindi la massima precisione per i successivi processi di finitura.

Più specificamente, gli stampi per la qualità della fresatura richiedono una rimozione rapida dei materiali e un'alta qualità della superficie dopo la finitura. Allo stesso tempo, solo le velocità di alimentazione rapida di contorno consentono alle macchine di uscita con distanze minime tra i percorsi all'interno di tempi di lavorazione accettabili. Ma soprattutto con piccoli lotti di produzione, è quasi impossibile mantenere condizioni termicamente stabili. Questo perché i cambiamenti tra le operazioni di perforazione, ruvida e finitura contribuiscono alle fluttuazioni delle temperature per i temi delle macchine.

Inoltre, la precisione del pezzo è la chiave per rendere redditizi gli ordini di produzione. Durante le operazioni di ruvida, i tassi di macinazione aumentano all'80% o meglio; I valori inferiori al 10% sono comuni per la finitura.

Il problema è che accelerazioni sempre più elevate e velocità di alimentazione causano il riscaldamento nei sottocomponenti delle unità di alimentazione lineare delle macchine, in particolare quelle che utilizzano vite a sfere a base di motori rotanti. Quindi, qui, la misurazione della posizione è essenziale per stabilizzare le correzioni per il comportamento termico.

Modi per affrontare i problemi di instabilità termica

Il raffreddamento attivo, le strutture delle macchine simmetriche e le misurazioni e le correzioni della temperatura sono già modi comuni per affrontare i cambiamenti di accuratezza indotti termicamente. Ancora un altro approccio è quello di correggere una modalità particolarmente comune di deriva termica, quella degli assi di alimentazione a moto rotanti che incorporano viti a sfere di ricircolo. Qui, le temperature lungo la vite a sfera possono cambiare rapidamente con le velocità di alimentazione e le forze mobili. Le variazioni risultanti di lunghezza (in genere 100 μm/m entro 20 minuti) possono causare significativi difetti del pezzo. Due opzioni qui sono per misurare l'asse di alimentazione controllato numericamente attraverso il cestino con un encoder rotante o attraverso un encoder lineare.

L'ex configurazione utilizza un encoder rotante per determinare la posizione della diapositiva dal campo da esplosione. Pertanto, l'unità deve trasferire forze di grandi dimensioni e fungere da collegamento nel sistema di misurazione, fornendo valori altamente accurati e riprodurre in modo affidabile il passo della vite. Ma il ciclo di controllo della posizione rappresenta solo il comportamento del codificatore rotante. Poiché non può compensare le variazioni dei meccanici di guida a causa dell'usura o della temperatura, si tratta in realtà di un funzionamento a circuito semi-chiuso. Gli errori di posizionamento dell'unità diventano inevitabili e degradano la qualità del pezzo.

Al contrario, un encoder lineare misura la posizione della diapositiva e include meccaniche di alimentazione completa nel circuito di controllo della posizione (per funzionamento a circuito veramente chiuso). Giocare e inesattezze negli elementi di trasferimento della macchina non hanno influenza sulla precisione della misurazione della posizione. Pertanto, l'accuratezza dipende quasi esclusivamente dalla precisione e dall'installazione dell'encoder lineare. Una nota a margine qui: la misurazione dell'encoder diretto può anche migliorare le misurazioni del movimento dell'asse rotante. Le configurazioni tradizionali utilizzano meccanismi di riduzione della velocità che si collegano a un encoder rotativo sul motore, ma gli coder angolari ad alta precisione offrono una migliore precisione e riproducibilità.

Modi in cui il design a sfera affronta il calore

Altri tre approcci per affrontare il calore della vite a sfera hanno i loro limiti.

1. Alcune viti a sfere impediscono il riscaldamento interno (e il riscaldamento delle parti della macchina circostante) con nuclei cavi per la circolazione del refrigerante. Ma anche questi presentano un'espansione termica e un aumento della temperatura di soli 1 K provoca errori di posizionamento a 10 μm/m. Ciò è significativo perché i sistemi di raffreddamento comuni non possono contenere variazioni di temperatura a meno di 1 K.

2. A volte gli ingegneri modellano l'espansione termica della vite a sfera nei controlli. Ma poiché il profilo di temperatura è difficile da misurare durante il funzionamento ed è influenzato dall'usura del dado a sfera di ricircolo, dalla velocità di alimentazione, dalle forze di taglio, dall'intervallo di trasporto utilizzato e altri fattori, questo metodo può causare considerevoli errori residui (a 50 μm/m) .

3. Alcune viti a sfera ottengono cuscinetti fissi ad entrambe le estremità per aumentare la rigidità dei meccanici di trasmissione. Ma anche cuscinetti extra rigidi non possono impedire l'espansione dalla generazione di calore locale. Le forze risultanti sono considerevoli e deformano anche le configurazioni dei cuscinetti più rigidi, a volte causando distorsioni strutturali nella geometria della macchina. La tensione meccanica cambia anche il comportamento di attrito dell'unità, degradando l'accuratezza del contorno della macchina. Inoltre, l'operazione semi-chiusa non può compensare gli effetti delle variazioni di carico dei cuscinetti dovute a usura o deformazione elastica di azionamento meccanico.