Os codificadores lineares aumentam a precisão corrigindo erros a jusante das ligações mecânicas.

Encoders lineares rastreiam a posição do eixo sem elementos mecânicos intermediários. Os encoders medem até mesmo erros de transferência de conexões mecânicas (como dispositivos mecânicos rotativos para lineares), o que ajuda os controles a corrigir erros originados na máquina. Assim, esse feedback permite que os controles levem em conta toda a mecânica em malhas de controle de posição.

Como funciona a varredura fotoelétrica em codificadores

Muitos codificadores lineares de precisão funcionam por varredura óptica ou fotoelétrica. Em resumo, uma cabeça de leitura rastreia graduações periódicas de apenas alguns micrômetros de largura e emite sinais com períodos curtos. O padrão de medição geralmente é vidro ou (para grandes distâncias de medição) aço com graduações periódicas — marcas no substrato de suporte. É um modo de rastreamento de posição sem contato.

Utilizados com períodos de grade incremental entre 4 e 40 μm, os codificadores lineares de varredura de imagem com código PRC (absoluto) trabalham com geração de sinal luminoso. Duas grades (na escala e no retículo de varredura) movem-se uma em relação à outra. O material do retículo de varredura é transparente, mas o material da escala pode ser transparente ou refletivo. Quando as duas grades se cruzam, a luz incidente se modula. Se as lacunas nas grades se alinham, a luz passa. Se as linhas de uma grade coincidem com as lacunas da outra, ela bloqueia a luz. Células fotovoltaicas convertem as variações na intensidade da luz em sinais elétricos com forma sinusoidal.

Outra opção para graduações com períodos de grade de 8 μm e menores é a varredura interferencial. Este modo de operação de codificador linear alavanca a difração e a interferência luminosa. Uma grade escalonada serve como padrão de medição, completa com linhas de 0,2 μm de altura em uma superfície reflexiva. Na frente dela está uma retícula de varredura — uma grade transparente com um período que corresponde ao da escala. Quando uma onda de luz passa pela retícula, ela difrata em três ondas parciais com ordens de -1, 0 e 1 de intensidade aproximadamente igual. A escala difrata as ondas, de modo que a intensidade luminosa se concentra nas ordens de difração 1 e -1. Essas ondas se encontram novamente na grade de fase da retícula, onde difratam mais uma vez e interferem. Isso produz três ondas que deixam a retícula de varredura em ângulos diferentes. As células fotovoltaicas então convertem a intensidade luminosa alternada em saída de sinal elétrico.

Na varredura interferencial, o movimento relativo entre o retículo e a escala faz com que as frentes de onda difratadas sofram um deslocamento de fase. Quando a grade se move em um período, a frente de onda de primeira ordem se move um comprimento de onda na direção positiva, e o comprimento de onda de ordem de difração -1 se move um comprimento de onda na direção negativa. As duas ondas interferem uma na outra ao saírem da grade, deslocando-se uma em relação à outra em dois comprimentos de onda (para dois períodos de sinal a partir de um deslocamento de apenas um período da grade).

Duas variações de varredura do codificador

Alguns encoders lineares realizam medições absolutas, de modo que o valor da posição está sempre disponível quando a máquina está ligada, e a eletrônica pode referenciá-lo a qualquer momento. Não há necessidade de mover os eixos para uma referência. A graduação da escala possui uma estrutura de código absoluto serial e uma trilha incremental separada é interpolada para o valor da posição, gerando simultaneamente um sinal incremental opcional.

Em contraste, codificadores lineares que trabalham com medição incremental utilizam graduações com grades periódicas, e os codificadores contam incrementos individuais (passos de medição) a partir de alguma origem para obter a posição. Como essa configuração utiliza uma referência absoluta para determinar posições, as fitas de escala para essas configurações vêm com uma segunda trilha com uma marca de referência.

A posição absoluta da escala estabelecida pela marca de referência é controlada com exatamente um período de sinal. Portanto, a cabeça de leitura deve localizar e escanear uma marca de referência para estabelecer uma referência absoluta ou encontrar o último dado selecionado (o que às vezes requer execuções de referência de curso longo).

Iterações do codificador linear

Um desafio na integração de encoders lineares é que os dispositivos operam diretamente no eixo de movimento, ficando expostos ao ambiente da máquina. Por esse motivo, alguns encoders lineares são selados. Uma carcaça de alumínio protege a escala, o carro de escaneamento e sua guia contra cavacos, poeira e fluidos, e lábios elásticos voltados para baixo vedam a carcaça. Nesse caso, o carro de escaneamento se desloca ao longo da escala sobre uma guia de baixo atrito. Um acoplamento conecta o carro de escaneamento ao bloco de montagem e compensa o desalinhamento entre a escala e as guias da máquina. Na maioria dos casos, são permitidos deslocamentos laterais e axiais de ±0,2 a ±0,3 mm entre a escala e o bloco de montagem.

Caso em questão: aplicação de máquinas-ferramentas

Produtividade e precisão são fundamentais para uma infinidade de aplicações, mas as mudanças nas condições operacionais frequentemente tornam esses objetivos de projeto desafiadores. Considere as máquinas-ferramentas. A fabricação de peças passou a envolver lotes cada vez menores, portanto, as configurações devem manter a precisão sob diversas cargas e cursos. Talvez a mais exigente seja a usinagem de peças aeroespaciais, que exige capacidade máxima de corte para processos de desbaste e, em seguida, máxima precisão para os processos de acabamento subsequentes.

Mais especificamente, a fresagem de moldes de alta qualidade exige remoção rápida de material e alta qualidade superficial após o acabamento. Ao mesmo tempo, somente velocidades de avanço de contorno rápidas permitem que as máquinas produzam peças com distâncias mínimas entre trajetórias dentro de tempos de usinagem aceitáveis. Mas, especialmente com pequenos lotes de produção, é quase impossível manter condições termicamente estáveis. Isso ocorre porque as mudanças entre as operações de furação, desbaste e acabamento contribuem para as flutuações nas temperaturas da máquina-ferramenta.

Além disso, a precisão da peça é fundamental para a lucratividade dos pedidos de produção. Durante as operações de desbaste, as taxas de fresamento aumentam para 80% ou mais; valores abaixo de 10% são comuns no acabamento.

O problema é que acelerações e velocidades de avanço cada vez mais altas causam aquecimento nos subcomponentes dos acionamentos de avanço linear das máquinas, especialmente aquelas que utilizam fusos de esferas acionados por motor rotativo. Portanto, aqui, a medição da posição é essencial para estabilizar as correções da máquina-ferramenta para o comportamento térmico.

Maneiras de abordar problemas de instabilidade térmica

Resfriamento ativo, estruturas de máquinas simétricas e medições e correções de temperatura já são maneiras comuns de lidar com alterações de precisão induzidas termicamente. Outra abordagem é corrigir um modo particularmente comum de deriva térmica: o de eixos de avanço acionados por motor rotativo que incorporam fusos de esferas recirculantes. Nesse caso, as temperaturas ao longo do fuso de esferas podem mudar rapidamente com as velocidades de avanço e as forças de movimento. As alterações resultantes no comprimento (tipicamente 100 μm/m em 20 minutos) podem causar defeitos significativos na peça. Duas opções são medir o eixo de avanço controlado numericamente através do fuso de esferas com um encoder rotativo ou com um encoder linear.

A configuração anterior utiliza um encoder rotativo para determinar a posição do carro a partir do passo do parafuso de avanço. Assim, o acionamento deve transferir grandes forças e atuar como um elo no sistema de medição, fornecendo valores altamente precisos e reproduzindo o passo do parafuso de forma confiável. No entanto, o circuito de controle de posição considera apenas o comportamento do encoder rotativo. Como ele não consegue compensar as mudanças na mecânica de acionamento devido ao desgaste ou à temperatura, esta é, na verdade, uma operação em circuito semifechado. Erros de posicionamento do acionamento tornam-se inevitáveis ​​e degradam a qualidade da peça.

Em contraste, um encoder linear mede a posição do carro e inclui a mecânica de avanço completa na malha de controle de posição (para uma operação verdadeiramente em malha fechada). Folgas e imprecisões nos elementos de transferência da máquina não influenciam a precisão da medição da posição. Portanto, a precisão depende quase exclusivamente da precisão e da instalação do encoder linear. Uma observação: a medição direta com encoder também pode melhorar as medições do movimento do eixo rotativo. Configurações tradicionais usam mecanismos de redução de velocidade que se conectam a um encoder rotativo no motor, mas encoders de ângulo de alta precisão oferecem maior precisão e reprodutibilidade.

Formas como o projeto do parafuso de esferas aborda o calor

Três outras abordagens para lidar com o calor do parafuso de esferas têm suas próprias limitações.

1. Alguns fusos de esferas impedem o aquecimento interno (e o aquecimento das peças da máquina ao redor) com núcleos ocos para circulação do líquido de arrefecimento. Mas mesmo estes apresentam expansão térmica, e um aumento de temperatura de apenas 1 K causa erros de posicionamento de até 10 μm/m. Isso é significativo porque os sistemas de arrefecimento comuns não conseguem manter variações de temperatura inferiores a 1 K.

2. Às vezes, engenheiros modelam a expansão térmica do fuso de esferas nos controles. No entanto, como o perfil de temperatura é difícil de medir durante a operação e é influenciado pelo desgaste da porca de esferas recirculantes, taxa de avanço, forças de corte, faixa de deslocamento utilizada e outros fatores, esse método pode causar erros residuais consideráveis ​​(até 50 μm/m).

3. Alguns fusos de esferas possuem rolamentos fixos em ambas as extremidades para aumentar a rigidez da mecânica de acionamento. Mas mesmo rolamentos extra-rígidos não conseguem impedir a expansão causada pela geração de calor local. As forças resultantes são consideráveis ​​e deformam até mesmo as configurações de rolamentos mais rígidas — às vezes, até mesmo causando distorções estruturais na geometria da máquina. A tensão mecânica também altera o comportamento de atrito do acionamento, degradando a precisão de contorno da máquina. Além disso, a operação em malha semifechada não consegue compensar os efeitos das alterações na pré-carga do rolamento devido ao desgaste ou à deformação elástica da mecânica de acionamento.