Линейные энкодеры повышают точность, исправляя ошибки после 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 системам управления корректировать ошибки, возникающие в машине. Таким образом, эта обратная связь позволяет средствам управления учитывать все механики в контурах управления положением.

Как фотоэлектрическое сканирование работает в энкодерах

Многие прецизионные линейные энкодеры работают за счет оптического или фотоэлектрического сканирования. Короче говоря, считывающая головка отслеживает периодические градуировки шириной всего в несколько микрометров и выдает сигналы с небольшими периодами сигналов. Измерительным эталоном обычно является стекло или (при больших длинах измерений) сталь с периодической градуировкой — метками на несущей подложке. Это бесконтактный режим отслеживания положения.

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

Другим вариантом градуировок с периодом решетки 8 мкм и меньше является интерференционное сканирование. Этот режим работы линейного энкодера использует дифракцию и интерференцию света. Эталоном измерения служит ступенчатая решетка с линиями высотой 0,2 мкм на отражающей поверхности. Перед ним находится сканирующая сетка — прозрачная решетка с периодом, соответствующим периоду шкалы. Когда световая волна проходит через сетку, она дифрагирует на три частичные волны с -1, 0 и 1 порядками примерно одинаковой интенсивности. Шкала преломляет волны, поэтому сила света концентрируется в порядках дифракции 1 и -1. Эти волны снова встречаются на фазовой решетке прицельной сетки, где они снова дифрагируют и интерферируют. Это создает три волны, которые покидают сканирующую сетку под разными углами. Фотоэлектрические элементы затем преобразуют переменную интенсивность света в выходной электрический сигнал.

При интерференционном сканировании относительное движение сетки и шкалы приводит к сдвигу фазы дифрагированных волновых фронтов. При перемещении решетки 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. Две волны интерферируют друг с другом при выходе из решетки, поэтому смещаются друг относительно друга на две длины волны (для двух периодов сигнала при перемещении 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 ссылке. Градуировка шкалы имеет последовательную структуру абсолютного кода, а отдельная инкрементная дорожка интерполируется для значения позиции, одновременно генерируя дополнительный инкрементальный сигнал.

Напротив, линейные энкодеры, работающие с инкрементальными измерениями, используют градуировку с периодической решеткой, а энкодеры отсчитывают отдельные приращения (шаги измерения) от некоторого начала координат для определения положения. Поскольку в этой настройке для определения положения используется абсолютная привязка, ленты шкалы для этих установок имеют вторую дорожку с контрольной отметкой.

Абсолютное положение шкалы, установленное референтной меткой, стробируется ровно с одним периодом сигнала. Таким образом, считывающая головка должна найти и сканировать референтную метку, чтобы установить абсолютную привязку или найти последнюю выбранную точку отсчета (что иногда требует длинного хода референтной отметки).

Итерации линейного энкодера

Одна из проблем при интеграции линейных энкодеров заключается в том, что устройства работают прямо на оси движения, поэтому подвергаются воздействию окружающей среды машины. По этой причине некоторые линейные энкодеры закрыты. Алюминиевый корпус защищает весы, каретку сканирования и ее направляющие от стружки, пыли и жидкостей, а направленные вниз эластичные кромки герметизируют корпус. Здесь каретка сканирования перемещается по шкале по направляющей с низким коэффициентом трения. Муфта соединяет каретку сканирования с монтажным блоком и компенсирует несоосность шкалы и направляющих 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 изменяющиеся условия эксплуатации часто усложняют достижение целей проектирования. Рассмотрим станки. Производство деталей переходит на все более мелкие партии, поэтому установки должны сохранять точность при различных нагрузках и ударах. Пожалуй, наиболее требовательной является обработка деталей аэрокосмической отрасли, которая требует максимальной режущей способности для черновой обработки, а затем максимальной точности для последующих процессов чистовой обработки.

В частности, качественные формы для фрезерования требуют быстрого удаления материала и высокого качества поверхности после финишной обработки. В то же время только высокие скорости контурной подачи позволяют станкам изготавливать детали с минимальными расстояниями между траекториями за приемлемое время обработки. Но особенно при производстве небольших партий практически невозможно поддерживать термически стабильные условия. Это связано с тем, что изменения между операциями сверления, черновой и чистовой обработки способствуют колебаниям температуры станка.

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

Проблема заключается в том, что все более высокие ускорения и скорости подачи вызывают нагрев компонентов линейных приводов подачи станков, особенно тех, в которых используются шариковые винты с приводом от роторного двигателя. Таким образом, здесь измерение положения необходимо для стабилизации поправок станка на тепловое поведение.

Пути решения проблем термической нестабильности

Активное охлаждение, симметричные конструкции машин, а также измерения и корректировки температуры уже являются распространенными способами решения проблем, связанных с изменениями точности, вызванными температурой. Еще один подход заключается в том, чтобы внести поправку на особенно распространенный режим теплового дрейфа — это приводимые от роторного двигателя оси подачи, включающие рециркуляционные шарико-винтовые передачи. Здесь температура вдоль ШВП может 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 есть два варианта: измерить ось подачи с числовым программным управлением через шарико-винтовую передачу с помощью поворотного энкодера или с помощью линейного энкодера.

В первой установке используется поворотный энкодер для определения положения ползуна по шагу подающего винта. Таким образом, привод должен передавать большие силы и действовать как связующее звено в измерительной системе, обеспечивая высокоточные значения и надежно воспроизводя шаг винта. Но контур управления положением учитывает только поведение поворотного энкодера. Поскольку он не может компенсировать изменения в механике движения из-за износа или температуры, на самом деле это полузамкнутый контур. Ошибки позиционирования привода становятся неизбежными и ухудшают качество заготовки.

Напротив, линейный энкодер измеряет положение каретки и включает в себя полную механику подачи в контуре управления положением (для работы по-настоящему с обратной связью). Люфт и неточности передаточных элементов станка не влияют на точность измерения положения. Таким образом, точность зависит почти исключительно от точности и установки линейного энкодера. Еще одно замечание: прямое измерение энкодера также может улучшить измерения движения поворотной оси. В традиционных установках используются механизмы снижения скорости, которые подключаются к поворотному энкодеру на двигателе, но высокоточные угловые энкодеры обеспечивают более высокую точность и воспроизводимость.

Как конструкция ШВП решает проблему нагрева

Три других подхода к решению проблемы нагрева ШВП имеют свои ограничения.

1. Некоторые ШВП предотвращают внутренний нагрев (и нагрев окружающих деталей машины) благодаря полым сердечникам для циркуляции охлаждающей жидкости. Но даже они демонстрируют тепловое расширение, а 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 ШВП в элементах управления. Но поскольку температурный профиль трудно измерить во время работы и на него влияют износ рециркуляционной шариковой гайки, скорость подачи, силы резания, используемый диапазон перемещения и другие факторы, этот метод может вызвать значительные остаточные погрешности (до 50 мкм/м). .

3. Некоторые ШВП оснащены фиксированными подшипниками на обоих концах для повышения жесткости механики привода. Но даже сверхжесткие подшипники не могут предотвратить расширение из-за локального выделения тепла. Возникающие в результате силы значительны и деформируют даже самые жесткие конструкции подшипников, иногда даже вызывая структурные искажения геометрии машины. Механическое напряжение также изменяет характеристики трения привода, ухудшая точность контурирования машины. Более того, работа в полузамкнутом контуре не может компенсировать эффекты изменений предварительного натяга подшипника из-за износа или упругой механической деформации привода.