Doğrusal kodlayıcılar, mekanik bağlantıların sonrasındaki hataları düzelterek doğruluğu artırır.

Doğrusal kodlayıcılar, ara mekanik elemanlar olmadan eksen konumunu izler. Kodlayıcılar, mekanik bağlantılardan (döner-doğrusal mekanik cihazlar gibi) gelen aktarım hatalarını bile ölçer, bu da kontrollerin makineden kaynaklanan hataları düzeltmesine yardımcı olur. Bu nedenle, bu geri bildirim, kontrollerin konum kontrol döngülerindeki tüm mekaniği hesaba katmasını sağlar.

Fotoelektrik tarama kodlayıcılarda nasıl çalışır?

Birçok hassas doğrusal kodlayıcı optik veya fotoelektrik tarama ile çalışır. Kısaca, bir okuma kafası sadece birkaç mikron genişliğinde periyodik derecelendirmeleri izler ve küçük sinyal periyotlarına sahip sinyaller üretir. Ölçüm standardı genellikle cam veya (büyük ölçüm uzunlukları için) taşıyıcı alt tabaka üzerindeki periyodik derecelendirmeleri taşıyan çeliktir. Bu, temassız bir konum izleme modudur.

4 ile 40 μm arasındaki artımlı kafes periyotlarıyla kullanılan PRC (mutlak) kodlu görüntü taramalı doğrusal kodlayıcılar ışık sinyali üretimiyle çalışır. İki kafes (ölçek ve tarama retikülünde) birbirine göre hareket eder. Tarama retikülünün malzemesi şeffaftır, ancak ölçeğin malzemesi şeffaf veya yansıtıcı olabilir. İkisi birbirini geçtiğinde, gelen ışık modüle olur. Kafeslerdeki boşluklar hizalanırsa, ışık geçer. Bir kafesin çizgileri diğerinin boşluklarıyla çakışırsa, ışığı engeller. Fotovoltaik hücreler, ışık yoğunluğundaki değişiklikleri sinüzoidal formda elektrik sinyallerine dönüştürür.

8 μm ve daha küçük ızgara periyotlarına sahip derecelendirmeler için bir diğer seçenek ise girişimsel taramadır. Bu doğrusal kodlayıcı çalışma modu kırınımı ve ışık girişimini kullanır. Yansıtıcı bir yüzey üzerinde 0,2 μm yüksekliğinde çizgilerle tamamlanan bir basamak ızgarası ölçüm standardı olarak hizmet eder. Bunun önünde, ölçeğin periyoduna uyan şeffaf bir ızgara olan tarama retikülü bulunur. Bir ışık dalgası retikülden geçtiğinde, yaklaşık olarak eşit yoğunlukta -1, 0 ve 1 mertebelerinde üç kısmi dalgaya kırılır. Ölçek dalgaları kırar, böylece ışık yoğunluğu 1 ve -1 kırınım mertebelerinde yoğunlaşır. Bu dalgalar, bir kez daha kırındıkları ve girişimde bulundukları retikülün faz ızgarasında tekrar buluşurlar. Bu, tarama retikülünü farklı açılarda terk eden üç dalga oluşturur. Fotovoltaik hücreler daha sonra alternatif ışık yoğunluğunu elektrik sinyali çıkışına dönüştürür.

Girişimsel taramada, retikül ile ölçek arasındaki bağıl hareket, kırınan dalga cephelerinin faz kaymasına uğramasına neden olur. Izgara bir periyot hareket ettiğinde, birinci dereceden dalga cephesi pozitif yönde bir dalga boyu hareket eder ve kırınım derecesi -1 olan dalga boyu negatif yönde bir dalga boyu hareket eder. İki dalga ızgaradan çıkarken birbirleriyle girişim yapar, bu nedenle birbirlerine göre iki dalga boyu kadar kayarlar (sadece bir ızgara periyodu hareketinden iki sinyal periyodu için).

İki kodlayıcı tarama varyasyonu

Bazı doğrusal kodlayıcılar mutlak ölçümler yapar, bu nedenle konum değeri makine açıkken her zaman kullanılabilir ve elektronikler her zaman buna başvurabilir. Eksenleri bir referansa taşımaya gerek yoktur. Ölçek derecelendirmesi seri bir mutlak kod yapısına sahiptir ve konum değeri için ayrı bir artımlı iz, aynı anda isteğe bağlı bir artımlı sinyal üretirken enterpole edilir.

Buna karşılık, artımlı ölçümle çalışan doğrusal kodlayıcılar periyodik kafesle derecelendirmeler kullanır ve kodlayıcılar pozisyon almak için bazı kökenlerden gelen bireysel artışları (ölçüm adımlarını) sayar. Bu kurulum pozisyonları belirlemek için mutlak bir referans kullandığından, bu kurulumlar için ölçek bantları bir referans işareti olan ikinci bir parça ile birlikte gelir.

Referans işareti tarafından oluşturulan mutlak ölçek konumu tam olarak bir sinyal periyodu ile kapatılır. Bu nedenle okuma kafası mutlak bir referans oluşturmak veya son seçilen veriyi bulmak için bir referans işaretini bulmalı ve taramalıdır (bu bazen uzun stroklu referans çalışmaları gerektirir).

Doğrusal kodlayıcı yinelemeleri

Doğrusal kodlayıcı entegrasyonundaki zorluklardan biri, cihazların hareket ekseninde çalışması ve bu nedenle makine ortamına maruz kalmasıdır. Bu nedenle, bazı doğrusal kodlayıcılar mühürlenmiştir. Alüminyum bir muhafaza, ölçeği, tarama taşıyıcısını ve kılavuz yolunu talaşlardan, tozdan ve sıvılardan korur ve aşağı doğru yönlendirilmiş elastik dudaklar muhafazayı mühürler. Burada, tarama taşıyıcısı düşük sürtünmeli bir kılavuz üzerinde ölçek boyunca hareket eder. Bir bağlantı, tarama taşıyıcısını montaj bloğuna bağlar ve ölçek ile makine kılavuz yolları arasındaki yanlış hizalamayı telafi eder. Çoğu durumda, ölçek ile montaj bloğu arasında ±0,2 ila ±0,3 mm'lik yanal ve eksenel ofsetlere izin verilir.

Örnek olay: Makine-alet uygulaması

Üretkenlik ve doğruluk sayısız uygulama için çok önemlidir, ancak değişen çalışma koşulları genellikle bu tasarım hedeflerini zorlaştırır. Makine takımlarını düşünün. Parçaların üretimi giderek daha küçük parti boyutlarına doğru ilerledi, bu nedenle kurulumlar çeşitli yükler ve darbeler altında doğruluğu korumalıdır. Belki de en zorlu olanı, kaba işleme süreçleri için maksimum kesme kapasitesi ve ardından sonraki bitirme süreçleri için maksimum hassasiyet gerektiren havacılık parçalarının işlenmesidir.

Daha spesifik olarak, frezeleme kaliteli kalıplar, hızlı malzeme kaldırma ve son işlemden sonra yüksek yüzey kalitesi gerektirir. Aynı zamanda, yalnızca hızlı konturlama besleme oranları, makinelerin kabul edilebilir işleme süreleri içinde yollar arasında minimum mesafelerle parçalar üretmesini sağlar. Ancak özellikle küçük üretim partilerinde, termal olarak kararlı koşulları korumak neredeyse imkansızdır. Bunun nedeni, delme, kaba işleme ve son işlem işlemleri arasındaki değişikliklerin makine aleti sıcaklıklarındaki dalgalanmalara katkıda bulunmasıdır.

Dahası, iş parçası doğruluğu üretim emirlerini karlı hale getirmenin anahtarıdır. Kaba işleme işlemleri sırasında, frezeleme oranları %80'e veya daha iyisine yükselir; %10'un altındaki değerler finiş için yaygındır.

Sorun, giderek artan hızlanma ve besleme oranlarının, özellikle döner motor tahrikli bilyalı vidalar kullanan makinelerin doğrusal besleme tahriklerinin alt bileşenlerinde ısınmaya neden olmasıdır. Bu nedenle, burada, makine aletinin termal davranış düzeltmelerini sabitlemek için konum ölçümü esastır.

Isıl kararsızlık sorunlarını çözmenin yolları

Aktif soğutma, simetrik makine yapıları ve sıcaklık ölçümleri ve düzeltmeleri, termal olarak indüklenen doğruluk değişikliklerini ele almanın halihazırda yaygın yollarıdır. Bir diğer yaklaşım ise, özellikle yaygın bir termal kayma modunu düzeltmektir; bu, devridaim eden bilyalı vidaları içeren döner motor tahrikli besleme eksenleridir. Burada, bilyalı vida boyunca sıcaklıklar besleme oranları ve hareket eden kuvvetlerle hızla değişebilir. Uzunlukta ortaya çıkan değişiklikler (tipik olarak 20 dakika içinde 100 μm/m) önemli iş parçası kusurlarına neden olabilir. Burada iki seçenek, sayısal olarak kontrol edilen besleme eksenini döner bir kodlayıcı ile bilyalı vidadan veya doğrusal bir kodlayıcıdan ölçmektir.

Önceki kurulum, besleme vidası aralığından kızak konumunu belirlemek için döner bir kodlayıcı kullanır. Bu nedenle, tahrik büyük kuvvetleri aktarmalı ve ölçüm sisteminde bir bağlantı görevi görmelidir; bu da son derece doğru değerler sağlar ve vida aralığını güvenilir bir şekilde yeniden üretir. Ancak konum kontrol döngüsü yalnızca döner kodlayıcı davranışını hesaba katar. Aşınma veya sıcaklık nedeniyle sürüş mekaniğindeki değişiklikleri telafi edemediği için, bu aslında yarı kapalı devre bir işlemdir. Tahrik konumlandırma hataları kaçınılmaz hale gelir ve iş parçası kalitesini düşürür.

Buna karşılık, doğrusal bir kodlayıcı kızak konumunu ölçer ve pozisyon kontrol döngüsünde (gerçekten kapalı devre çalışması için) tam besleme mekaniğini içerir. Makinenin transfer elemanlarındaki oynama ve yanlışlıklar, pozisyon ölçüm doğruluğu üzerinde hiçbir etkiye sahip değildir. Bu nedenle, doğruluk neredeyse tamamen doğrusal kodlayıcının hassasiyetine ve kurulumuna bağlıdır. Burada bir yan not: Doğrudan kodlayıcı ölçümü, döner eksen hareketinin ölçümlerini de iyileştirebilir. Geleneksel kurulumlar, motordaki döner bir kodlayıcıya bağlanan hız azaltma mekanizmaları kullanır, ancak yüksek doğruluklu açı kodlayıcıları daha iyi doğruluk ve tekrarlanabilirlik sağlar.

Bilyalı vida tasarımının ısıyı ele alma yolları

Bilyalı vida ısısını gidermeye yönelik üç diğer yaklaşımın da kendi sınırlamaları vardır.

1. Bazı bilyalı vidalar, soğutma sıvısı sirkülasyonu için içi boş çekirdeklerle iç ısınmayı (ve çevredeki makine parçalarının ısınmasını) önler. Ancak bunlar bile termal genleşme gösterir ve yalnızca 1 K'lik bir sıcaklık artışı, konumlandırma hatalarını 10 μm/m'ye çıkarır. Bu önemlidir çünkü yaygın soğutma sistemleri sıcaklık değişimlerini 1 K'den düşük tutamaz.

2. Bazen mühendisler kontrollerde bilyalı vidanın termal genleşmesini modeller. Ancak sıcaklık profilinin çalışma sırasında ölçülmesi zor olduğundan ve devridaim bilyalı somunun aşınması, ilerleme hızı, kesme kuvvetleri, kullanılan hareket aralığı ve diğer faktörlerden etkilendiğinden, bu yöntem önemli kalıntı hatalarına (50 μm/m'ye kadar) neden olabilir.

3. Bazı bilyalı vidalar, tahrik mekaniğinin rijitliğini artırmak için her iki uçta sabit yataklar alır. Ancak ekstra rijit yataklar bile yerel ısı oluşumundan kaynaklanan genleşmeyi önleyemez. Ortaya çıkan kuvvetler önemlidir ve en rijit yatak yapılandırmalarını bile deforme eder; hatta bazen makine geometrisinde yapısal bozulmalara neden olur. Mekanik gerilim ayrıca tahrikin sürtünme davranışını değiştirerek makinenin konturlama doğruluğunu düşürür. Dahası, yarı kapalı devre çalışması, aşınma veya elastik tahrik mekaniği deformasyonu nedeniyle oluşan yatak ön yükleme değişikliklerinin etkilerini telafi edemez.