Os encoders lineares aumentam a precisão ao corrigir erros a jusante das ligações mecânicas.

Os encoders lineares rastreiam a posição do eixo sem elementos mecânicos intermediários. Os encoders medem até mesmo erros de transferência de ligações mecânicas (como dispositivos mecânicos rotativos-lineares), o que ajuda os controles a corrigir erros originados na máquina. Assim, esse feedback permite que os controles considerem todos os mecanismos nos laços de controle de posição.

Como funciona a varredura fotoelétrica em encoders

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

Utilizados com períodos de grade incrementais entre 4 e 40 μm, os encoders lineares de varredura de imagem com código PRC (absoluto) funcionam com geração de sinal luminoso. Duas grades (na escala e na retícula de varredura) movem-se uma em relação à outra. O material da retícula de varredura é transparente, mas o material da escala pode ser transparente ou refletivo. Quando as duas grades se cruzam, a luz incidente é modulada. Se as aberturas nas grades se alinharem, a luz passa. Se as linhas de uma grade coincidirem com as aberturas da outra, a luz é bloqueada. Células fotovoltaicas convertem as variações na intensidade da luz em sinais elétricos com forma senoidal.

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

Na varredura interferencial, o movimento relativo entre a retícula e a escala faz com que as frentes de onda difratadas sofram uma mudança de fase. Quando a grade se move 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 entre si ao saírem da grade, deslocando-se uma em relação à outra por dois comprimentos de onda (para dois períodos de sinal a partir de um movimento de apenas um período da grade).

Duas variações de leitura do codificador

Alguns encoders lineares realizam medições absolutas, portanto o valor da posição está sempre disponível quando a máquina está ligada, e os componentes eletrônicos podem consultá-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, enquanto simultaneamente gera um sinal incremental opcional.

Em contraste, os encoders lineares que operam com medição incremental utilizam graduações com grades periódicas, e os encoders contam incrementos individuais (passos de medição) a partir de uma origem para obter a posição. Como essa 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 sincronizada 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 para encontrar o último datum selecionado (o que às vezes requer longas sequências de referência).

Iterações do codificador linear

Um dos desafios na integração de encoders lineares é que esses 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 leitura e sua guia contra cavacos, poeira e fluidos, e lábios elásticos voltados para baixo vedam a carcaça. Nesse caso, o carro de leitura se desloca ao longo da escala sobre uma guia de baixo atrito. Um acoplamento conecta o carro de leitura 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.

Exemplo disso: aplicação em máquinas-ferramenta

Produtividade e precisão são fundamentais para inúmeras aplicações, mas as condições operacionais variáveis ​​frequentemente dificultam o alcance desses objetivos de projeto. Considere as máquinas-ferramenta. A fabricação de peças passou a envolver lotes cada vez menores, exigindo que os sistemas mantenham a precisão sob diversas cargas e cursos. Talvez o exemplo mais exigente seja a usinagem de peças aeroespaciais, que requer capacidade máxima de corte para os processos de desbaste e, posteriormente, máxima precisão para os processos de acabamento.

Mais especificamente, a usinagem de moldes de alta qualidade exige remoção rápida de material e alta qualidade superficial após o acabamento. Ao mesmo tempo, somente altas taxas de avanço em contornos permitem que as máquinas produzam peças com distâncias mínimas entre os percursos dentro de tempos de usinagem aceitáveis. Mas, principalmente em 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 flutuações nas temperaturas da máquina-ferramenta.

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

O problema é que acelerações e taxas de avanço cada vez maiores causam aquecimento nos subcomponentes dos acionamentos de avanço linear das máquinas, particularmente naqueles que utilizam fusos de esferas acionados por motores rotativos. Portanto, nesse caso, a medição de posição é essencial para estabilizar as correções da máquina-ferramenta em relação ao comportamento térmico.

Formas de lidar com problemas de instabilidade térmica

Resfriamento ativo, estruturas de máquinas simétricas e medições e correções de temperatura já são métodos comuns para lidar com alterações de precisão induzidas termicamente. Outra abordagem consiste em corrigir um modo particularmente comum de deriva térmica: o de eixos de avanço acionados por motores rotativos com fusos de esferas recirculantes. Nesses casos, as temperaturas ao longo do fuso de esferas podem variar rapidamente com as taxas de avanço e as forças de deslocamento. 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 codificador rotativo para determinar a posição do cursor a partir do passo do parafuso de avanço. Assim, o acionamento precisa transferir grandes forças e atuar como uma ligação no sistema de medição, fornecendo valores de alta precisão e reproduzindo o passo do parafuso de forma confiável. No entanto, o circuito de controle de posição considera apenas o comportamento do codificador rotativo. Como não consegue compensar as variações na mecânica do acionamento devido ao desgaste ou à temperatura, trata-se, na verdade, de uma operação em circuito semi-fechado. Erros de posicionamento do acionamento tornam-se inevitáveis ​​e comprometem a qualidade da peça.

Em contraste, um encoder linear mede a posição do cursor e inclui toda a mecânica de avanço no circuito 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 de posição. Portanto, a precisão depende quase que exclusivamente da precisão e da instalação do encoder linear. Uma observação importante: a medição direta por encoder também pode melhorar as medições do movimento do eixo rotativo. As configurações tradicionais utilizam mecanismos de redução de velocidade que se conectam a um encoder rotativo no motor, mas encoders angulares de alta precisão oferecem melhor precisão e reprodutibilidade.

Formas pelas quais o design do fuso de esferas lida com o calor

Outras três abordagens para lidar com o aquecimento do fuso de esferas têm suas próprias limitações.

1. Alguns fusos de esferas evitam o aquecimento interno (e o aquecimento das peças da máquina ao redor) com núcleos ocos para circulação de fluido 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 refrigeração comuns não conseguem manter as variações de temperatura abaixo de 1 K.

2. Por vezes, os 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 recirculação de esferas, pela taxa de avanço, pelas forças de corte, pelo curso transversal utilizado e por outros fatores, este método pode causar erros residuais consideráveis ​​(até 50 μm/m).

3. Alguns fusos de esferas possuem mancais fixos em ambas as extremidades para aumentar a rigidez do mecanismo de acionamento. No entanto, mesmo mancais extremamente rígidos não impedem a expansão causada pela geração de calor local. As forças resultantes são consideráveis ​​e deformam até mesmo as configurações de mancais mais rígidas, por vezes 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 circuito semi-fechado não consegue compensar os efeitos das variações na pré-carga dos mancais devido ao desgaste ou à deformação elástica do mecanismo de acionamento.