Линейные энкодеры повышают точность, исправляя ошибки на выходе механических связей.

Линейные энкодеры отслеживают положение оси без промежуточных механических элементов. Энкодеры даже измеряют ошибки передачи от механических связей (таких как вращательно-линейные механические устройства), что помогает элементам управления корректировать ошибки, возникающие в машине. Таким образом, эта обратная связь позволяет элементам управления учитывать всю механику в контурах управления положением.

Как работает фотоэлектрическое сканирование в энкодерах

Многие прецизионные линейные энкодеры работают по принципу оптического или фотоэлектрического сканирования. Короче говоря, считывающая головка отслеживает периодические градуировки шириной всего в несколько микрометров и выдает сигналы с малыми периодами сигнала. Измерительный стандарт обычно представляет собой стекло или (для больших длин измерения) сталь с периодическими градуировками — метками на несущей подложке. Это бесконтактный режим отслеживания положения.

Используемые с инкрементными периодами решетки от 4 до 40 мкм, линейные энкодеры сканирования изображений с кодом PRC (абсолютным) работают с генерацией светового сигнала. Две решетки (на шкале и сканирующей сетке) движутся относительно друг друга. Материал сканирующей сетки прозрачен, но материал шкалы может быть прозрачным или отражающим. Когда они проходят друг мимо друга, падающий свет модулируется. Если зазоры в решетках совпадают, свет проходит. Если линии одной решетки совпадают с зазорами другой, она блокирует свет. Фотоэлектрические элементы преобразуют изменения интенсивности света в электрические сигналы синусоидальной формы.

Другим вариантом для градуировок с периодами решетки 8 мкм и меньше является интерференционное сканирование. Этот режим работы линейного энкодера использует дифракцию и интерференцию света. Ступенчатая решетка служит в качестве измерительного стандарта, дополненного линиями высотой 0,2 мкм на отражающей поверхности. Перед ней находится сканирующая сетка — прозрачная решетка с периодом, соответствующим периоду шкалы. Когда световая волна проходит через сетку, она дифрагирует на три парциальные волны с порядками -1, 0 и 1 примерно равной интенсивности. Шкала дифрагирует волны, поэтому интенсивность света концентрируется в порядках дифракции 1 и -1. Эти волны снова встречаются на фазовой решетке сетки, где они дифрагируют еще раз и интерферируют. Это создает три волны, которые покидают сканирующую сетку под разными углами. Затем фотоэлектрические элементы преобразуют переменную интенсивность света в выходной электрический сигнал.

При интерференционном сканировании относительное движение сетки и шкалы приводит к тому, что дифрагированные волновые фронты подвергаются фазовому сдвигу. Когда решетка перемещается на один период, волновой фронт первого порядка перемещается на одну длину волны в положительном направлении, а длина волны дифракционного порядка -1 перемещается на одну длину волны в отрицательном направлении. Две волны интерферируют друг с другом при выходе из решетки, поэтому смещаются относительно друг друга на две длины волны (для двух периодов сигнала от перемещения всего на один период решетки).

Два варианта сканирования кодировщика

Некоторые линейные энкодеры выполняют абсолютные измерения, поэтому значение положения всегда доступно, когда машина включена, и электроника может ссылаться на него в любое время. Нет необходимости перемещать оси к опорной точке. Градуировка шкалы имеет последовательную абсолютную кодовую структуру, а отдельная инкрементальная дорожка интерполируется для значения положения, одновременно генерируя дополнительный инкрементальный сигнал.

Напротив, линейные энкодеры, работающие с инкрементальным измерением, используют градуировки с периодической решеткой, и энкодеры отсчитывают отдельные инкременты (шаги измерения) от некоторого начала, чтобы получить положение. Поскольку эта установка использует абсолютную ссылку для определения положения, шкалы лент для этих установок поставляются со второй дорожкой с референтной меткой.

Абсолютное положение шкалы, установленное референтной меткой, стробируется ровно одним периодом сигнала. Поэтому считывающая головка должна обнаружить и просканировать референтную метку, чтобы установить абсолютную референтную точку или найти последнюю выбранную точку отсчета (что иногда требует длинных референтных прогонов).

Итерации линейного энкодера

Одной из проблем интеграции линейного энкодера является то, что устройства работают прямо на оси движения, поэтому подвергаются воздействию среды машины. По этой причине некоторые линейные энкодеры герметичны. Алюминиевый корпус защищает шкалу, сканирующую каретку и ее направляющую от стружки, пыли и жидкостей, а эластичные губы, направленные вниз, герметизируют корпус. Здесь сканирующая каретка перемещается вдоль шкалы по направляющей с низким коэффициентом трения. Муфта соединяет сканирующую каретку с монтажным блоком и компенсирует несоосность между шкалой и направляющими машины. В большинстве случаев допустимы боковые и осевые смещения от ±0,2 до ±0,3 мм между шкалой и монтажным блоком.

Показательный пример: применение станков

Производительность и точность имеют первостепенное значение для множества приложений, но меняющиеся условия эксплуатации часто усложняют эти проектные цели. Рассмотрим станки. Производство деталей перешло на все более мелкие партии, поэтому установки должны поддерживать точность при различных нагрузках и ходах. Возможно, наиболее требовательной является обработка деталей для аэрокосмической отрасли, которая требует максимальной режущей способности для черновых процессов и затем максимальной точности для последующих финишных процессов.

В частности, для форм фрезерного качества требуется быстрое удаление материала и высокое качество поверхности после финишной обработки. В то же время только высокие скорости подачи контура позволяют станкам выводить детали с минимальными расстояниями между траекториями в пределах приемлемого времени обработки. Но, особенно при небольших партиях производства, практически невозможно поддерживать термически стабильные условия. Это связано с тем, что изменения между операциями сверления, черновой обработки и финишной обработки приводят к колебаниям температур станка.

Более того, точность заготовки является ключом к прибыльности производственных заказов. Во время черновой обработки скорость фрезерования увеличивается до 80% и выше; для чистовой обработки обычными являются значения ниже 10%.

Проблема в том, что все более высокие ускорения и скорости подачи вызывают нагрев в подкомпонентах линейных приводов подачи станков, особенно тех, которые используют шариковые винты с приводом от вращающегося двигателя. Поэтому здесь измерение положения имеет важное значение для стабилизации поправок станка на температурное поведение.

Способы решения проблем термической нестабильности

Активное охлаждение, симметричные структуры машин, а также измерения и коррекции температуры уже являются обычными способами решения проблемы изменений точности, вызванных температурой. Еще один подход заключается в коррекции особенно распространенного режима теплового дрейфа — осей подачи с приводом от вращающегося двигателя, включающих рециркулирующие шарико-винтовые передачи. Здесь температуры вдоль шарико-винтовой передачи могут быстро меняться в зависимости от скорости подачи и движущих сил. Результирующие изменения длины (обычно 100 мкм/м в течение 20 минут) могут привести к значительным дефектам заготовки. Здесь два варианта — измерить ось подачи с числовым управлением через шарико-винтовую передачу с помощью вращающегося энкодера или с помощью линейного энкодера.

Первая установка использует вращающийся энкодер для определения положения ползуна по шагу подающего винта. Таким образом, привод должен передавать большие силы и действовать как связь в измерительной системе, обеспечивая высокоточные значения и надежно воспроизводя шаг винта. Но контур управления положением учитывает только поведение вращающегося энкодера. Поскольку он не может компенсировать изменения в механике привода из-за износа или температуры, это фактически работа в полузамкнутом контуре. Ошибки позиционирования привода становятся неизбежными и ухудшают качество заготовки.

Напротив, линейный энкодер измеряет положение ползуна и включает в себя полную механику подачи в контуре управления положением (для действительно замкнутой работы). Люфт и неточности в элементах передачи машины не влияют на точность измерения положения. Таким образом, точность зависит почти исключительно от точности и установки линейного энкодера. Одно замечание здесь: прямое измерение энкодера также может улучшить измерения движения вращающейся оси. Традиционные установки используют механизмы снижения скорости, которые подключаются к вращающемуся энкодеру на двигателе, но высокоточные угловые энкодеры обеспечивают лучшую точность и воспроизводимость.

Способы, которыми конструкция шарико-винтовой передачи решает проблему нагрева

Три других подхода к решению проблемы нагрева шарико-винтовой передачи имеют свои ограничения.

1. Некоторые шарико-винтовые передачи предотвращают внутренний нагрев (и нагрев окружающих деталей машины) с помощью полых сердечников для циркуляции охлаждающей жидкости. Но даже они демонстрируют тепловое расширение, и повышение температуры всего на 1 К приводит к ошибкам позиционирования до 10 мкм/м. Это важно, поскольку обычные системы охлаждения не могут удерживать колебания температуры менее 1 К.

2. Иногда инженеры моделируют тепловое расширение шарико-винтовой передачи в элементах управления. Но поскольку температурный профиль трудно измерить во время работы и на него влияют износ гайки с рециркуляцией шариков, скорость подачи, силы резания, используемый диапазон перемещения и другие факторы, этот метод может вызывать значительные остаточные погрешности (до 50 мкм/м).

3. Некоторые шарико-винтовые передачи имеют фиксированные подшипники на обоих концах для повышения жесткости приводной механики. Но даже сверхжесткие подшипники не могут предотвратить расширение от локального выделения тепла. Результирующие силы значительны и деформируют даже самые жесткие конфигурации подшипников — иногда даже вызывая структурные искажения в геометрии машины. Механическое натяжение также изменяет фрикционное поведение привода, ухудшая точность контурирования машины. Более того, работа в полузамкнутом контуре не может компенсировать эффекты изменений предварительной нагрузки подшипника из-за износа или упругой деформации приводной механики.