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 anche gli errori di trasferimento dai collegamenti meccanici (come i dispositivi meccanici rotativi-lineari), il che aiuta i controlli a correggere gli errori originati dalla macchina. Pertanto, questo feedback consente ai controlli di tenere conto di tutta la meccanica negli anelli di controllo della 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 graduazioni periodiche larghe solo pochi micrometri ed emette segnali con periodi di segnale piccoli. Lo standard di misurazione è solitamente vetro o (per lunghezze di misura elevate) acciaio con graduazioni periodiche (segni sul substrato di supporto). È una modalità di rilevamento della posizione senza contatto.

Utilizzati con periodi di reticolo incrementali compresi tra 4 e 40 μm, gli encoder lineari a scansione di immagini di codice PRC (assoluti) funzionano con la generazione di segnali luminosi. 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 si incrociano, la luce incidente si modula. Se gli spazi vuoti nei reticoli si allineano, la luce passa attraverso. Se le linee di un reticolo coincidono con gli spazi dell'altro, blocca la luce. Le celle fotovoltaiche convertono le variazioni dell'intensità luminosa in segnali elettrici di forma sinusoidale.

Un'altra opzione per le graduazioni con intervalli di reticolo di 8 μm e inferiori è la scansione interferenziale. Questa modalità di funzionamento dell'encoder lineare sfrutta la diffrazione e l'interferenza della luce. Come standard di misurazione serve un reticolo a gradini, completo di linee alte 0,2 μm su una superficie riflettente. Di fronte c'è un reticolo di scansione: un reticolo trasparente con un punto che corrisponde a quello della scala. Quando un'onda luminosa passa attraverso il reticolo, si diffrange in tre onde parziali con ordini -1, 0 e 1 di intensità più o meno 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 nel reticolo di fase del reticolo dove si diffrangono ancora una volta e interferiscono. Ciò crea tre onde che lasciano il reticolo di scansione ad angoli diversi. Le celle fotovoltaiche convertono quindi l'intensità della luce 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 nella direzione positiva, e la lunghezza d'onda dell'ordine di diffrazione -1 si sposta di una lunghezza d'onda nella direzione negativa. Le due onde interferiscono tra loro quando escono dal reticolo, quindi si spostano l'una rispetto all'altra di due lunghezze d'onda (per due periodi di segnale da uno spostamento di un solo periodo del reticolo).

Due varianti di scansione dell'encoder

Alcuni encoder lineari effettuano misurazioni assolute, quindi il valore della posizione è sempre disponibile quando la macchina è accesa e l'elettronica può farvi riferimento in qualsiasi momento. Non è necessario spostare gli assi su 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 lavorano sulla misurazione incrementale utilizzano graduazioni con reticolo periodico e gli encoder contano i singoli incrementi (passi di misurazione) da una certa origine per ottenere la posizione. Poiché questa configurazione utilizza un riferimento assoluto per accertare le posizioni, i nastri scala per queste configurazioni sono dotati di una seconda traccia con un segno di riferimento.

La posizione assoluta della scala stabilita dalla tacca di riferimento è delimitata esattamente da un periodo del 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 (che a volte richiede corse di riferimento lunghe).

Iterazioni dell'encoder lineare

Una sfida nell'integrazione degli encoder lineari è che i dispositivi funzionano 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 riga, il carrello di scansione e la sua guida da trucioli, polvere e liquidi, mentre i labbri elastici rivolti verso il basso sigillano l'alloggiamento. Qui il carrello di scansione si muove lungo la scala su una guida a basso attrito. 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 spostamenti laterali e assiali compresi tra ±0,2 e ±0,3 mm tra la scala e il blocco di montaggio.

Caso in questione: applicazione di macchine utensili

Produttività e precisione sono fondamentali per una miriade di applicazioni, ma il cambiamento delle condizioni operative spesso rende questi obiettivi di progettazione impegnativi. Consideriamo le macchine utensili. La produzione di parti si è spostata verso lotti di dimensioni sempre più piccole, quindi le configurazioni devono mantenere la precisione sotto vari carichi e corse. Forse la più impegnativa è la lavorazione di parti aerospaziali, che necessita della massima capacità di taglio per i processi di sgrossatura e poi della massima precisione per i successivi processi di finitura.

Più specificamente, gli stampi di qualità di fresatura richiedono una rapida rimozione del materiale e un'elevata qualità della superficie dopo la finitura. Allo stesso tempo, solo velocità di avanzamento di contornatura elevate consentono alle macchine di produrre pezzi con distanze minime tra i percorsi entro 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 foratura, sgrossatura e finitura contribuiscono alle fluttuazioni delle temperature delle macchine utensili.

Inoltre, la precisione del pezzo è fondamentale per rendere redditizi gli ordini di produzione. Durante le operazioni di sgrossatura, le velocità 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 causano il riscaldamento dei sottocomponenti degli azionamenti lineari delle macchine, in particolare quelle che utilizzano viti a ricircolo di sfere azionate da motore rotativo. Quindi, in questo caso, la misurazione della posizione è essenziale per stabilizzare le correzioni della macchina utensile per il comportamento termico.

Modi 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. Ancora un altro approccio consiste nel correggere una modalità particolarmente comune di deriva termica, quella degli assi di avanzamento azionati da motore rotativo che incorporano viti a ricircolo di sfere. Qui, le temperature lungo la vite a ricircolo di sfere possono cambiare rapidamente con le velocità di avanzamento e le forze in movimento. Le conseguenti variazioni di lunghezza (tipicamente 100 μm/m entro 20 minuti) possono causare difetti significativi nel pezzo. In questo caso due opzioni sono la misurazione dell'asse di avanzamento a controllo numerico tramite la vite a ricircolo di sfere con un encoder rotativo o tramite un encoder lineare.

La prima configurazione utilizza un codificatore rotativo per determinare la posizione della slitta dal passo della vite di alimentazione. Pertanto, l'azionamento deve trasferire grandi forze e agire come un collegamento nel sistema di misurazione, fornendo valori estremamente accurati e riproducendo in modo affidabile il passo della vite. Ma il circuito di controllo della posizione tiene conto solo del comportamento dell'encoder rotativo. Poiché non è in grado di compensare i cambiamenti nella meccanica di guida dovuti all'usura o alla temperatura, si tratta in realtà di un funzionamento a circuito semichiuso. Gli errori di posizionamento dell'azionamento diventano inevitabili e peggiorano la qualità del pezzo.

Al contrario, un encoder lineare misura la posizione della slitta e include la meccanica di avanzamento completa nel circuito di controllo della posizione (per un funzionamento realmente a circuito chiuso). Giochi e imprecisioni negli elementi di trasferimento della macchina non influiscono sulla 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 dell'encoder può anche migliorare le misurazioni del movimento dell'asse rotante. Le configurazioni tradizionali utilizzano meccanismi di riduzione della velocità che si collegano a un codificatore rotativo sul motore, ma i codificatori angolari ad alta precisione offrono una migliore precisione e riproducibilità.

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

Altri tre approcci per affrontare il problema del calore delle viti a ricircolo di sfere presentano dei limiti.

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

2. A volte gli ingegneri modellano l'espansione termica della vite a ricircolo di sfere nei controlli. Tuttavia, poiché il profilo della temperatura è difficile da misurare durante il funzionamento ed è influenzato dall'usura della chiocciola a ricircolo di sfere, dalla velocità di avanzamento, dalle forze di taglio, dalla corsa di spostamento utilizzata e da altri fattori, questo metodo può causare notevoli errori residui (fino a 50 μm/m) .

3. Alcune viti a ricircolo di sfere sono dotate di cuscinetti fissi su entrambe le estremità per aumentare la rigidità della meccanica di azionamento. Ma anche i cuscinetti extra rigidi non possono impedire l’espansione dovuta alla generazione di calore locale. Le forze risultanti sono considerevoli e deformano anche le configurazioni dei cuscinetti più rigide, causando talvolta anche distorsioni strutturali nella geometria della macchina. La tensione meccanica modifica anche il comportamento di attrito della trasmissione, riducendo la precisione di contornatura della macchina. Inoltre, il funzionamento a circuito semichiuso non è in grado di compensare gli effetti delle variazioni di precarico dei cuscinetti dovute all'usura o alla deformazione elastica della meccanica di trasmissione.