선형 엔코더는 기계적 연결의 오류를 수정하여 정확도를 높입니다.

선형 엔코더는 중간 기계 요소 없이 축 위치를 추적합니다. 인코더는 기계적 연결(예: 회전-선형 기계 장치)의 전송 오류도 측정하므로 제어 장치에서 기계에서 발생하는 오류를 수정하는 데 도움이 됩니다. 따라서 이 피드백을 통해 제어는 위치 제어 루프의 모든 메커니즘을 설명할 수 있습니다.

인코더에서 광전 스캐닝이 작동하는 방식

많은 정밀 선형 엔코더는 광학 또는 광전 스캐닝을 통해 작동합니다. 간단히 말해서, 읽기 헤드는 단 몇 마이크로미터 너비의 주기적인 눈금을 추적하고 작은 신호 주기로 신호를 출력합니다. 측정 표준은 일반적으로 유리 또는 (측정 길이가 긴 경우) 주기적인 눈금이 있는 강철(캐리어 기판에 표시)입니다. 비접촉식 위치 추적 모드입니다.

4~40μm 사이의 증분 격자 주기와 함께 사용되는 PRC(절대) 코드 이미지 스캐닝 선형 인코더는 광 신호 생성과 함께 작동합니다. 두 개의 격자(스케일 및 스캐닝 레티클)는 서로 상대적으로 움직입니다. 스캐닝 레티클의 재질은 투명하지만 스케일의 재질은 투명하거나 반사될 수 있습니다. 두 개가 서로 통과하면 입사광이 변조됩니다. 격자의 간격이 정렬되면 빛이 통과합니다. 한 격자의 선이 다른 격자의 간격과 일치하면 빛이 차단됩니다. 광전지는 빛 강도의 변화를 정현파 형태의 전기 신호로 변환합니다.

격자 주기가 8μm 이하인 눈금을 위한 또 다른 옵션은 간섭 스캐닝입니다. 이 선형 인코더 작동 모드는 회절과 광 간섭을 활용합니다. 계단식 격자는 측정 표준 역할을 하며 반사 표면에 0.2μm 높이의 선이 완성됩니다. 그 앞에는 스캐닝 레티클이 있는데, 이는 눈금과 일치하는 주기를 가진 투명한 격자입니다. 광파가 레티클을 통과하면 대략 동일한 강도의 -1, 0, 1 차수를 갖는 3개의 부분파로 회절됩니다. 스케일은 파동을 회절시켜 광도가 회절 차수 1과 -1에 집중되도록 합니다. 이 파동은 레티클의 위상 격자에서 다시 만나 다시 회절하고 간섭합니다. 이는 스캐닝 레티클을 다른 각도로 남기는 세 개의 파동을 만듭니다. 그런 다음 광전지는 교번 광 강도를 전기 신호 출력으로 변환합니다.

간섭 스캐닝에서는 레티클과 스케일 사이의 상대 운동으로 인해 회절된 파면이 위상 변이를 겪게 됩니다. 격자가 한 주기 이동하면 1차 파면은 양의 방향으로 한 파장을 이동하고, 회절 차수 -1의 파장은 음의 방향으로 한 파장을 이동합니다. 두 파동은 격자를 빠져나갈 때 서로 간섭하므로 두 파장만큼 서로 상대적으로 이동합니다(단 하나의 격자 주기 이동에서 두 신호 주기에 대해).

두 가지 인코더 스캐닝 변형

일부 선형 엔코더는 절대 측정을 수행하므로 기계가 켜져 있을 때 위치 값을 항상 사용할 수 있으며 전자 장치는 언제든지 이를 참조할 수 있습니다. 축을 참조로 이동할 필요가 없습니다. 스케일 눈금에는 직렬 절대 코드 구조가 있으며 별도의 증분 트랙이 위치 값에 대해 보간되는 동시에 선택적 증분 신호를 생성합니다.

이와 대조적으로 증분 측정을 수행하는 선형 엔코더는 주기적인 격자가 있는 눈금을 사용하며 엔코더는 위치를 얻기 위해 일부 원점에서 개별 증분(측정 단계)을 계산합니다. 이 설정은 위치를 확인하기 위해 절대 참조를 사용하기 때문에 이러한 설정을 위한 스케일 테이프에는 참조 표시가 있는 두 번째 트랙이 함께 제공됩니다.

레퍼런스 마크에 의해 설정된 절대 스케일 위치는 정확히 하나의 신호 주기로 게이트됩니다. 따라서 읽기 헤드는 절대 참조를 설정하거나 마지막으로 선택한 데이텀(경우에 따라 긴 스트로크 참조 실행이 필요함)을 찾기 위해 참조 마크를 찾고 스캔해야 합니다.

선형 인코더 반복

선형 엔코더 통합의 한 가지 과제는 장치가 모션 축에서 바로 작동하므로 기계 환경에 노출된다는 것입니다. 이러한 이유로 일부 리니어 엔코더는 밀봉되어 있습니다. 알루미늄 하우징은 칩, 먼지 및 유체로부터 스케일, 스캐닝 캐리지 및 가이드웨이를 보호하고 아래쪽 방향의 탄성 립이 하우징을 밀봉합니다. 여기서 스캐닝 캐리지는 저마찰 가이드의 스케일을 따라 이동합니다. 커플링은 스캐닝 캐리지를 장착 블록과 연결하고 스케일과 기계 가이드웨이 사이의 정렬 불량을 보상합니다. 대부분의 경우 스케일과 장착 블록 사이에 ±0.2~±0.3mm의 측면 및 축 오프셋이 허용됩니다.

적절한 사례: 공작기계 응용

수많은 응용 분야에서는 생산성과 정확성이 가장 중요하지만 작동 조건이 바뀌면 이러한 설계 목표가 어려워지는 경우가 많습니다. 공작기계를 고려해보세요. 부품 제조가 점점 작은 배치 크기로 이동함에 따라 다양한 하중과 스트로크에서 설정의 정확성을 유지해야 합니다. 아마도 가장 까다로운 작업은 항공우주 부품의 가공일 것입니다. 황삭 공정을 위한 최대 절삭 능력과 후속 마무리 공정을 위한 최대 정밀도가 필요합니다.

보다 구체적으로, 밀링 품질 금형은 마무리 후 빠른 재료 제거와 높은 표면 품질이 필요합니다. 동시에, 빠른 윤곽 가공 이송 속도 덕분에 기계는 허용 가능한 가공 시간 내에 경로 간 거리가 최소인 부품을 출력할 수 있습니다. 그러나 특히 소규모 생산 배치에서는 열적으로 안정적인 조건을 유지하는 것이 거의 불가능합니다. 이는 드릴링, 황삭 및 정삭 작업 간의 변화가 공작 기계 온도의 변동에 영향을 미치기 때문입니다.

게다가 공작물의 정확성은 생산 주문의 수익성을 높이는 데 핵심입니다. 황삭 작업 중에 밀링 속도는 80% 이상으로 증가합니다. 마감 처리에는 10% 미만의 값이 일반적입니다.

문제는 점점 더 높은 가속도와 이송 속도로 인해 기계 선형 이송 드라이브의 하위 구성 요소, 특히 회전식 모터 구동 볼스크류를 사용하는 하위 구성 요소에서 가열이 발생한다는 것입니다. 따라서 여기서 열 동작에 대한 공작 기계 보정을 안정화하려면 위치 측정이 필수적입니다.

열 불안정 문제를 해결하는 방법

능동 냉각, 대칭 기계 구조, 온도 측정 및 수정은 이미 열로 인한 정확도 변화를 해결하는 일반적인 방법입니다. 또 다른 접근 방식은 특히 일반적인 열 드리프트 모드, 즉 재순환 볼스크류를 통합한 회전식 모터 구동 피드 축 모드를 수정하는 것입니다. 여기서 볼스크류의 온도는 이송 속도와 이동력에 따라 빠르게 변할 수 있습니다. 결과적으로 길이가 변경되면(일반적으로 20분 이내에 100μm/m) 공작물에 심각한 결함이 발생할 수 있습니다. 여기서 두 가지 옵션은 회전식 인코더가 있는 볼스크류 또는 선형 인코더를 통해 수치적으로 제어되는 피드 축을 측정하는 것입니다.

이전 설정에서는 회전식 인코더를 사용하여 피드 나사 피치에서 슬라이드 위치를 결정합니다. 따라서 드라이브는 큰 힘을 전달하고 측정 시스템에서 연결 장치 역할을 하여 매우 정확한 값을 제공하고 나사 피치를 안정적으로 재현해야 합니다. 그러나 위치 제어 루프는 로터리 인코더 동작만 설명합니다. 마모나 온도로 인한 구동 메커니즘의 변화를 보상할 수 없기 때문에 이는 실제로 반폐쇄 루프 작동입니다. 드라이브 위치 오류는 피할 수 없으며 공작물의 품질을 저하시킵니다.

이와 대조적으로 선형 엔코더는 슬라이드 위치를 측정하고 위치 제어 루프에 완전한 피드 메커니즘을 포함합니다(진정한 폐쇄 루프 작동을 위해). 기계 전달 요소의 유격과 부정확성은 위치 측정 정확도에 영향을 미치지 않습니다. 따라서 정확도는 거의 전적으로 리니어 엔코더의 정밀도와 설치에 따라 달라집니다. 한 가지 참고 사항: 직접적인 엔코더 측정은 회전축 모션 측정을 향상시킬 수도 있습니다. 기존 설정에서는 모터의 회전식 인코더에 연결되는 속도 감소 메커니즘을 사용하지만 고정밀 각도 인코더는 더 나은 정확성과 재현성을 제공합니다.

볼스크류 설계가 열을 해결하는 방법

볼스크류 열을 해결하는 세 가지 다른 접근 방식에는 고유한 한계가 있습니다.

1. 일부 볼스크류는 냉각수 순환을 위한 중공 코어를 사용하여 내부 가열(및 주변 기계 부품의 가열)을 방지합니다. 그러나 이들조차도 열팽창을 나타내며 온도가 1K만 증가해도 위치 오류는 10μm/m에 이릅니다. 일반적인 냉각 시스템은 온도 변화를 1K 미만으로 유지할 수 없기 때문에 이는 중요합니다.

2. 때때로 엔지니어들은 컨트롤에서 볼스크류의 열팽창을 모델링합니다. 그러나 온도 프로파일은 작동 중 측정하기 어렵고 재순환 볼 너트의 마모, 이송 속도, 절삭력, 사용된 이송 범위 및 기타 요인의 영향을 받기 때문에 이 방법은 상당한 잔류 오차(최대 50μm/m)를 유발할 수 있습니다. .

3. 일부 볼스크류는 구동 메커니즘의 강성을 높이기 위해 양쪽 끝에 고정 베어링이 있습니다. 그러나 매우 견고한 베어링이라 할지라도 국부적인 열 발생으로 인한 팽창을 막을 수는 없습니다. 결과적으로 발생하는 힘은 상당하며 가장 견고한 베어링 구성조차도 변형되며 때로는 기계 형상에 구조적 왜곡이 발생하기도 합니다. 기계적 장력은 또한 드라이브의 마찰 동작을 변경하여 기계의 윤곽 정확도를 저하시킵니다. 더욱이 반폐쇄 루프 작동은 마모나 탄성 구동 기계 변형으로 인한 베어링 예압 변화의 영향을 보상할 수 없습니다.