선형 인코더는 기계적 연결부 하류의 오류를 교정하여 정확도를 높입니다.

선형 인코더는 중간 기계 장치 없이 축 위치를 추적합니다. 또한, 회전-선형 기계 장치와 같은 기계 연결 장치의 전달 오차까지 측정하여 제어 장치가 기계에서 발생하는 오차를 보정하는 데 도움을 줍니다. 따라서 이러한 피드백을 통해 제어 장치는 위치 제어 루프의 모든 메커니즘을 고려할 수 있습니다.

인코더에서 광전 스캐닝이 작동하는 방식

많은 정밀 선형 인코더는 광학 또는 광전 스캐닝 방식으로 작동합니다. 간단히 말해, 판독 헤드는 수 마이크로미터 폭의 주기적인 눈금을 추적하고 작은 신호 주기를 갖는 신호를 출력합니다. 측정 기준은 일반적으로 유리 또는 (길이가 긴 측정의 경우) 주기적인 눈금이 새겨진 강철로, 캐리어 기판에 표시됩니다. 이는 비접촉 방식으로 위치를 추적하는 방식입니다.

4~40μm 사이의 증분형 격자 주기와 함께 사용되는 PRC(절대) 코드 이미지 스캐닝 선형 인코더는 광 신호 생성과 함께 작동합니다. 두 개의 격자(스케일과 스캐닝 레티클에 위치)가 서로 상대적으로 이동합니다. 스캐닝 레티클의 재질은 투명하지만, 스케일의 재질은 투명하거나 반사될 수 있습니다. 두 격자가 서로 통과하면 입사광이 변조됩니다. 격자의 틈이 정렬되면 빛이 통과합니다. 한 격자의 선이 다른 격자의 틈과 일치하면 빛이 차단됩니다. 태양광 전지는 빛의 세기 변화를 사인파 형태의 전기 신호로 변환합니다.

8μm 이하의 격자 주기를 갖는 눈금에 대한 또 다른 옵션은 간섭 스캐닝입니다. 이 선형 인코더 작동 모드는 회절과 빛의 간섭을 활용합니다. 계단형 격자가 측정 기준으로 사용되며, 반사 표면에 0.2μm 높이의 선이 있습니다. 그 앞에는 스캐닝 레티클이 있는데, 이는 눈금과 주기가 같은 투명 격자입니다. 빛파가 레티클을 통과하면 -1, 0, 1 차수의 거의 동일한 세기를 갖는 세 개의 부분파로 회절됩니다. 눈금은 광파를 회절시켜 광도가 회절 차수 1과 -1에 집중되도록 합니다. 이 파동들은 레티클의 위상 격자에서 다시 만나 다시 회절하고 간섭합니다. 이렇게 스캐닝 레티클에서 다른 각도로 나가는 세 개의 파동이 생성됩니다. 그러면 태양광 전지가 교대로 변하는 빛의 세기를 전기 신호 출력으로 변환합니다.

간섭 스캐닝에서 레티클과 스케일 사이의 상대 운동은 회절된 파면의 위상 변화를 일으킵니다. 회절격자가 한 주기 이동하면 1차 회절파면은 양의 방향으로 한 파장 이동하고, 회절 차수 -1의 파장은 음의 방향으로 한 파장 이동합니다. 두 파는 회절격자를 빠져나올 때 서로 간섭하므로, 회절격자 한 주기 이동으로 두 신호 주기만큼 서로 상대적으로 이동합니다.

두 가지 인코더 스캐닝 변형

일부 선형 인코더는 절대 측정을 수행하므로, 기계가 켜져 있을 때 위치 값을 항상 사용할 수 있으며 전자 장치는 언제든지 이 값을 참조할 수 있습니다. 축을 참조 위치로 이동할 필요가 없습니다. 스케일 눈금은 직렬 절대 코드 구조를 가지며, 위치 값에 대해 별도의 증분 트랙이 보간되는 동시에 선택적 증분 신호가 생성됩니다.

이와 대조적으로, 증분 측정 방식을 사용하는 선형 인코더는 주기적인 격자를 가진 눈금을 사용하며, 인코더는 특정 원점에서 개별 증분(측정 단계)을 계산하여 위치를 계산합니다. 이러한 구성은 절대 기준을 사용하여 위치를 결정하기 때문에, 이러한 구성의 스케일 테이프에는 기준점이 있는 두 번째 트랙이 함께 제공됩니다.

참조 마크에 의해 설정된 절대 스케일 위치는 정확히 한 신호 주기로 게이팅됩니다. 따라서 읽기 헤드는 절대 기준을 설정하거나 마지막으로 선택된 데이터를 찾기 위해 참조 마크를 찾아 스캔해야 합니다(이 경우 긴 스트로크 기준 실행이 필요할 수 있음).

선형 인코더 반복

리니어 인코더 통합의 한 가지 과제는 장치가 모션 축에서 바로 작동하여 기계 환경에 노출된다는 것입니다. 이러한 이유로 일부 리니어 인코더는 밀폐형입니다. 알루미늄 하우징은 스케일, 스캐닝 캐리지, 그리고 가이드웨이를 칩, 먼지, 액체로부터 보호하고, 아래쪽으로 향하는 탄성 립이 하우징을 밀봉합니다. 여기서 스캐닝 캐리지는 저마찰 가이드를 따라 스케일을 따라 이동합니다. 커플링은 스캐닝 캐리지를 마운팅 블록과 연결하고 스케일과 기계 가이드웨이 사이의 정렬 불량을 보상합니다. 대부분의 경우 스케일과 마운팅 블록 사이에 ±0.2~±0.3mm의 측면 및 축 방향 오프셋이 허용됩니다.

사례: 공작 기계 응용 프로그램

생산성과 정확성은 수많은 응용 분야에서 매우 중요하지만, 변화하는 작동 조건은 이러한 설계 목표를 달성하기 어렵게 만드는 경우가 많습니다. 공작기계를 생각해 보십시오. 부품 제조는 점점 더 작은 배치 단위로 전환되고 있기 때문에, 다양한 하중과 스트로크에서도 정밀도를 유지해야 합니다. 아마도 가장 까다로운 것은 항공우주 부품 가공일 것입니다. 황삭 공정에서는 최대 절삭 용량이, 이후 정삭 공정에서는 최대 정밀도가 요구됩니다.

더 구체적으로, 밀링 품질 금형은 빠른 소재 제거와 정삭 후 높은 표면 품질이 요구됩니다. 동시에, 빠른 윤곽 가공 이송 속도만이 허용 가능한 가공 시간 내에 경로 간 최소 거리를 가진 부품을 생산할 수 있도록 합니다. 하지만 특히 소량 생산의 경우, 열적으로 안정적인 조건을 유지하는 것은 거의 불가능합니다. 드릴링, 황삭, 정삭 작업 간의 변화가 공작 기계 온도 변동에 영향을 미치기 때문입니다.

더욱이, 공작물 정확도는 생산 주문의 수익성을 높이는 데 매우 중요합니다. 황삭 작업에서는 밀링 속도가 80% 이상으로 증가하며, 정삭 작업에서는 10% 미만의 값이 일반적입니다.

문제는 점점 더 높은 가속도와 이송 속도가 기계의 선형 이송 드라이브, 특히 회전 모터 구동 볼스크류를 사용하는 기계의 하위 부품에 열을 발생시킨다는 것입니다. 따라서 열 거동에 대한 공작 기계 보정을 안정화하기 위해서는 위치 측정이 필수적입니다.

열 불안정성 문제를 해결하는 방법

능동 냉각, 대칭형 기계 구조, 온도 측정 및 보정은 열로 인한 정확도 변화를 해결하는 일반적인 방법입니다. 또 다른 접근법은 특히 흔한 열 드리프트 모드, 즉 재순환 볼스크류를 포함하는 회전 모터 구동 이송 축의 열 드리프트를 보정하는 것입니다. 이 경우 볼스크류를 따라 발생하는 온도는 이송 속도와 이동력에 따라 빠르게 변할 수 있습니다. 이로 인한 길이 변화(일반적으로 20분 이내에 100μm/m)는 심각한 공작물 결함을 유발할 수 있습니다. 이 경우 두 가지 옵션은 로터리 인코더를 사용하여 볼스크류를 통해 수치 제어 이송 축을 측정하거나 리니어 인코더를 통해 측정하는 것입니다.

이전 설정은 이송 스크류 피치로부터 슬라이드 위치를 결정하기 위해 로터리 인코더를 사용합니다. 따라서 드라이브는 큰 힘을 전달하고 측정 시스템의 연결 고리 역할을 해야 합니다. 즉, 매우 정확한 값을 제공하고 스크류 피치를 안정적으로 재현해야 합니다. 그러나 위치 제어 루프는 로터리 인코더의 동작만 고려합니다. 마모나 온도로 인한 구동 메커니즘의 변화를 보상할 수 없기 때문에, 이는 사실상 반폐쇄 루프 작동입니다. 드라이브 위치 오류는 불가피하며, 공작물 품질을 저하시킵니다.

반면, 리니어 인코더는 슬라이드 위치를 측정하고 위치 제어 루프에 완전한 이송 메커니즘을 포함하므로(진정한 폐루프 작동을 위해), 기계의 이송 요소의 유격이나 부정확도는 위치 측정 정확도에 영향을 미치지 않습니다. 따라서 정확도는 거의 전적으로 리니어 인코더의 정밀도와 설치 방식에 달려 있습니다. 참고로, 직접 인코더를 측정하면 회전축 운동 측정도 향상시킬 수 있습니다. 기존 방식은 모터의 회전 인코더에 연결되는 감속 메커니즘을 사용하지만, 고정밀 각도 인코더는 더 나은 정확도와 재현성을 제공합니다.

볼스크류 설계가 열을 처리하는 방식

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

1. 일부 볼스크류는 냉각수 순환을 위한 중공 코어를 통해 내부 가열(및 주변 기계 부품의 가열)을 방지합니다. 그러나 이러한 볼스크류조차도 열팽창을 나타내며, 온도 상승이 1K에 불과하더라도 위치 오차는 10μm/m에 달합니다. 일반적인 냉각 시스템은 온도 변화를 1K 미만으로 유지할 수 없기 때문에 이는 매우 중요한 문제입니다.

2. 엔지니어는 제어 장치에서 볼스크류의 열팽창을 모델링하는 경우가 있습니다. 그러나 작동 중 온도 프로파일은 측정하기 어렵고 재순환 볼 너트의 마모, 이송 속도, 절삭력, 사용 이송 범위 및 기타 요인의 영향을 받기 때문에 이 방법은 상당한 잔류 오차(최대 50μm/m)를 유발할 수 있습니다.

3. 일부 볼스크류는 구동 장치의 강성을 높이기 위해 양쪽 끝에 고정 베어링을 사용합니다. 하지만 매우 견고한 베어링이라도 국부적인 열 발생으로 인한 팽창을 막을 수는 없습니다. 이로 인해 발생하는 힘은 상당하며, 가장 견고한 베어링 구성조차도 변형시키고, 때로는 기계 형상에 구조적 변형을 일으키기도 합니다. 기계적 장력은 구동 장치의 마찰 거동을 변화시켜 기계의 윤곽 정밀도를 저하시킵니다. 더욱이, 반폐쇄 루프 작동은 마모 또는 탄성 구동 장치 변형으로 인한 베어링 예압 변화의 영향을 상쇄할 수 없습니다.