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 dai collegamenti meccanici (come i dispositivi meccanici rotativi-lineari), aiutando i controlli a correggere gli errori provenienti dalla macchina. Pertanto, questo feedback consente ai controlli di tenere conto di tutta la meccanica nei circuiti 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 di pochi micrometri di larghezza e produce segnali con brevi periodi. Il campione di misura è solitamente in vetro o (per grandi lunghezze di misura) in acciaio con graduazioni periodiche, ovvero segni sul substrato di supporto. Si tratta di una modalità di tracciamento della posizione senza contatto.

Utilizzati con intervalli di reticolo incrementali compresi tra 4 e 40 μm, gli encoder lineari a scansione di immagini con codice PRC (assoluto) operano 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, mentre quello della scala può essere trasparente o riflettente. Quando i due reticoli si incrociano, la luce incidente viene modulata. Se le fessure nei reticoli si allineano, la luce li attraversa. Se le linee di un reticolo coincidono con le fessure 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 passo di reticolo di 8 μm e inferiore è la scansione interferenziale. Questa modalità di funzionamento con encoder lineare sfrutta la diffrazione e l'interferenza luminosa. Un reticolo a gradini funge da standard di misura, completo di linee alte 0,2 μm su una superficie riflettente. Davanti a esso si trova un reticolo di scansione, un reticolo trasparente con un passo che corrisponde a quello della scala. Quando un'onda luminosa attraversa il reticolo, si diffrange in tre onde parziali con ordini di -1, 0 e 1 di intensità pressoché 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 in corrispondenza del reticolo di fase del reticolo, dove si diffrangono nuovamente e interferiscono. Questo crea tre onde che escono dal reticolo di scansione con angolazioni diverse. 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 causa uno sfasamento dei fronti d'onda diffratti. Quando il reticolo si muove di un periodo, il fronte d'onda del primo ordine si muove di una lunghezza d'onda in direzione positiva, e la lunghezza d'onda di ordine di diffrazione -1 si muove di una lunghezza d'onda in 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 del segnale derivanti da 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 a macchina 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 operano con misurazioni incrementali utilizzano graduazioni con reticolo periodico e contano i singoli incrementi (passi di misura) da un'origine per ottenere la posizione. Poiché questa configurazione utilizza un riferimento assoluto per determinare le posizioni, i nastri graduati per queste configurazioni sono dotati di una seconda traccia con una tacca di riferimento.

La posizione assoluta della scala, stabilita dal segno di riferimento, è controllata da un periodo del segnale esattamente uguale. 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 (il che a volte richiede corse di riferimento a lunga distanza).

Iterazioni dell'encoder lineare

Una sfida nell'integrazione degli encoder lineari è rappresentata dal fatto che i dispositivi operano direttamente sull'asse di movimento, quindi sono esposti all'ambiente 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 dei labbri elastici rivolti verso il basso sigillano l'alloggiamento. In questo caso, il carrello di scansione scorre lungo la riga su una guida a basso attrito. Un giunto collega il carrello di scansione al blocco di montaggio e compensa il disallineamento tra la riga 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 riga e il blocco di montaggio.

Caso in questione: applicazione su macchine utensili

Produttività e precisione sono fondamentali per una miriade di applicazioni, ma le mutevoli condizioni operative spesso rendono questi obiettivi di progettazione complessi. Si considerino le macchine utensili. La produzione di componenti si è evoluta verso lotti sempre più piccoli, quindi le configurazioni devono mantenere la precisione sotto carichi e corse variabili. Forse la più impegnativa è la lavorazione di componenti aerospaziali, che richiede la massima capacità di taglio per i processi di sgrossatura e la massima precisione per i successivi processi di finitura.

Più specificamente, la fresatura di stampi di qualità richiede una rapida asportazione del materiale e un'elevata qualità superficiale dopo la finitura. Allo stesso tempo, solo avanzamenti di contornatura rapidi 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 termiche stabili. Questo perché le variazioni tra le operazioni di foratura, sgrossatura e finitura contribuiscono alle fluttuazioni delle temperature della macchina utensile.

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 in fase di 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 di quelle che utilizzano viti a ricircolo di sfere azionate da motori rotativi. In questo caso, la misurazione della posizione è essenziale per stabilizzare le correzioni della macchina utensile in base al 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. 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 nel pezzo. Due opzioni in questo caso sono la misurazione dell'asse di avanzamento a controllo numerico attraverso la vite a ricircolo di sfere con un encoder rotativo o tramite un encoder lineare.

La configurazione precedente utilizza un encoder rotativo per determinare la posizione della slitta in base al passo della vite di alimentazione. Pertanto, l'azionamento deve trasferire forze elevate e fungere da collegamento nel sistema di misura, fornendo valori estremamente accurati 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 è in grado di compensare le variazioni della meccanica di azionamento dovute a usura o 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 in lavorazione.

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 a ciclo chiuso). Il gioco e le 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 encoder rotativo sul motore, ma gli encoder angolari ad alta precisione offrono una migliore accuratezza e riproducibilità.

Modi in cui la progettazione delle viti a sfere affronta il calore

Altri tre approcci per affrontare il problema del calore delle viti a sfere presentano delle limitazioni.

1. Alcune viti a ricircolo di sfere impediscono il riscaldamento interno (e il riscaldamento delle parti meccaniche circostanti) grazie a nuclei cavi per la circolazione del refrigerante. Tuttavia, anche queste presentano una dilatazione termica e un aumento di temperatura di solo 1 K causa errori di posizionamento fino a 10 μm/m. Questo è significativo perché i sistemi di raffreddamento comuni non riescono a mantenere variazioni di temperatura inferiori a 1 K.

2. Talvolta gli ingegneri modellano l'espansione termica della vite a ricircolo di sfere nei controlli. Tuttavia, poiché il profilo di 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, dall'intervallo di traslazione utilizzato e da altri fattori, questo metodo può causare errori residui considerevoli (fino a 50 μm/m).

3. Alcune viti a sfere sono dotate di cuscinetti fissi su entrambe le estremità per aumentare la rigidità del meccanismo di azionamento. Tuttavia, anche i cuscinetti extra rigidi non possono impedire l'espansione dovuta alla generazione di calore localizzato. Le forze risultanti sono considerevoli e deformano anche le configurazioni di cuscinetti più rigide, causando talvolta distorsioni strutturali nella geometria della macchina. La tensione meccanica modifica anche il comportamento dell'azionamento in termini di attrito, compromettendone la precisione di contorno. Inoltre, il funzionamento a ciclo semi-chiuso non è in grado di compensare gli effetti delle variazioni del precarico dei cuscinetti dovute all'usura o alla deformazione elastica del meccanismo di azionamento.