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

Os encoders lineares rastreiam a posição do eixo sem elementos mecânicos intermediários. Os codificadores medem até mesmo erros de transferência de ligações 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 considerem toda a mecânica nas malhas de controle de posição.

Como funciona a digitalização fotoelétrica em codificadores

Muitos codificadores lineares de precisão funcionam por varredura óptica ou fotoelétrica. Resumindo, um cabeçote de leitura rastreia graduações periódicas de apenas alguns micrômetros de largura e emite sinais com pequenos períodos de sinal. O padrão de medição geralmente é vidro ou (para grandes comprimentos de medição) aço com graduações periódicas - marcas no substrato transportador. É um modo de rastreamento de posição sem contato.

Usados ​​com períodos de grade incrementais entre 4 e 40 μm, os codificadores lineares de varredura de imagem de código PRC (absoluto) funcionam com geração de sinal de luz. Duas grades (na escala e no retículo de varredura) se movem uma em relação à outra. O material do retículo de varredura é transparente, mas o material da escala pode ser transparente ou reflexivo. Quando os dois passam um pelo outro, a luz incidente modula. Se as lacunas nas grades estiverem alinhadas, a luz passa. Se as linhas de uma grade coincidirem com as lacunas da outra, ela bloqueia a luz. As células fotovoltaicas convertem as variações de intensidade da luz em sinais elétricos de forma senoidal.

Outra opção para graduações com períodos de grade de 8 μm e menores é a varredura interferencial. Este modo de operação do codificador linear aproveita a difração e a interferência da luz. Uma grade escalonada serve como padrão de medição, completa com linhas de 0,2 μm de altura em uma superfície reflexiva. Na frente dele está um retículo de varredura – uma grade transparente com um ponto final que corresponde ao da escala. Quando uma onda de luz passa pelo retículo, ela difrata em três ondas parciais com ordens -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 rede de fase do retículo, onde difratam mais uma vez e interferem. Isso forma três ondas que saem do retículo de varredura em ângulos diferentes. As células fotovoltaicas então convertem a intensidade alternada da luz 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 uma mudança de fase. Quando a rede 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 da ordem de difração -1 se move um comprimento de onda na direção negativa. As duas ondas interferem uma na outra ao sair da grade, então se deslocam uma em relação à outra em dois comprimentos de onda (para dois períodos de sinal a partir de um movimento de apenas um período da grade).

Duas variações de varredura do codificador

Alguns encoders lineares fazem medições absolutas, de modo que o valor da posição está sempre disponível quando a máquina está ligada e a eletrônica pode consultá-lo a qualquer momento. Não há necessidade de mover 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 enquanto gera simultaneamente um sinal incremental opcional.

Em contraste, os codificadores lineares que trabalham com medição incremental usam graduações com grade periódica, e os codificadores contam incrementos individuais (etapas de medição) de alguma origem para obter a posição. Como esta configuração utiliza uma referência absoluta para determinar as 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 delimitada por exatamente um período de sinal. Portanto, o cabeçote de leitura deve localizar e escanear uma marca de referência para estabelecer uma referência absoluta ou para encontrar o último dado selecionado (o que às vezes requer execuções de referência de curso longo).

Iterações do codificador linear

Um desafio na integração do codificador linear é que os dispositivos operam diretamente no eixo de movimento, portanto ficam expostos ao ambiente da máquina. Por esta razão, alguns encoders lineares são selados. Um invólucro de alumínio protege a balança, o carro de digitalização e sua guia contra lascas, poeira e fluidos, e bordas elásticas voltadas para baixo vedam o invólucro. Aqui, o carro de digitalização se desloca ao longo da balança em uma guia de baixo atrito. Um acoplamento conecta o carro de digitalização ao bloco de montagem e compensa o desalinhamento entre a balança 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-ferramenta

A produtividade e a precisão são fundamentais para inúmeras aplicações, mas as condições operacionais variáveis ​​muitas vezes tornam esses objetivos de projeto desafiadores. Considere máquinas-ferramentas. A fabricação de peças mudou para lotes cada vez mais pequenos, portanto as configurações devem manter a precisão sob diversas cargas e cursos. Talvez o mais exigente seja a usinagem de peças aeroespaciais, que necessita de máxima capacidade de corte para processos de desbaste e, em seguida, máxima precisão para processos de acabamento subsequentes.

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

Além do mais, a precisão da peça é fundamental para tornar as ordens de produção lucrativas. Durante as operações de desbaste, as taxas de fresamento aumentam para 80% ou mais; valores abaixo de 10% são comuns para acabamento.

O problema é que acelerações e taxas de avanço cada vez mais altas causam aquecimento nos subcomponentes dos acionamentos de alimentação linear das máquinas, particularmente 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 resolver problemas de instabilidade térmica

Resfriamento ativo, estruturas de máquinas simétricas e medições e correções de temperatura já são formas comuns de lidar com mudanças de precisão induzidas termicamente. Ainda outra abordagem é corrigir um modo particularmente comum de desvio térmico – o dos eixos de alimentação acionados por motor rotativo que incorporam fusos de esferas recirculantes. Aqui, as temperaturas ao longo do parafuso esférico podem mudar rapidamente com as taxas de alimentação e as forças móveis. As alterações resultantes no comprimento (normalmente 100 μm/m em 20 minutos) podem causar falhas significativas na peça de trabalho. Duas opções aqui são medir o eixo de alimentação controlado numericamente através do fuso de esferas com um codificador rotativo ou através de um codificador linear.

A configuração anterior usa um codificador rotativo para determinar a posição do slide a partir do passo do parafuso de alimentação. Portanto, o acionamento deve transferir grandes forças e atuar como uma ligação no sistema de medição, fornecendo valores altamente precisos e reproduzindo de forma confiável o passo do parafuso. Mas o circuito de controle de posição leva em conta apenas o comportamento do codificador rotativo. Como não consegue compensar as alterações na mecânica de condução 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 codificador linear mede a posição do cursor e inclui mecânica de alimentação completa na malha de controle de posição (para uma operação verdadeiramente em malha fechada). A folga e as 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 codificador linear. Uma observação lateral aqui: a medição direta do codificador também pode melhorar as medições do movimento do eixo rotativo. As configurações tradicionais usam mecanismos de redução de velocidade que se conectam a um codificador rotativo no motor, mas os codificadores angulares de alta precisão oferecem melhor precisão e reprodutibilidade.

Maneiras como o design do parafuso esférico aborda o calor

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

1. Alguns parafusos esféricos evitam o aquecimento interno (e o aquecimento das peças adjacentes da máquina) com núcleos ocos para circulação do líquido refrigerante. 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 resfriamento comuns não conseguem manter variações de temperatura inferiores a 1 K.

2. Às vezes, os engenheiros modelam a expansão térmica do parafuso esférico nos controles. Mas como o perfil de temperatura é difícil de medir durante a operação e é influenciado pelo desgaste da porca esférica recirculante, taxa de avanço, forças de corte, faixa transversal utilizada e outros fatores, este método pode causar erros residuais consideráveis ​​(até 50 μm/m) .

3. Alguns parafusos esféricos possuem rolamentos fixos em ambas as extremidades para aumentar a rigidez da mecânica de acionamento. Mas mesmo os rolamentos extrarrígidos não podem 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 causando distorções estruturais na geometria da máquina. A tensão mecânica também altera o comportamento de fricção do acionamento, degradando a precisão do contorno da máquina. Além do mais, a operação em circuito semifechado não pode compensar os efeitos das alterações na pré-carga do rolamento devido ao desgaste ou à deformação mecânica do acionamento elástico.