Лінійні кодери підвищують точність, виправляючи помилки після механічних з’єднань.

Лінійні кодери відстежують положення осі без проміжних механічних елементів. Кодери навіть вимірюють помилки передачі від механічних зв’язків (таких як механічні пристрої, що обертаються до лінійних), що допомагає органам керування виправляти помилки, що виникають від машини. Таким чином, цей зворотний зв’язок дозволяє органам керування враховувати всі механізми в циклах керування положенням.

Як працює фотоелектричне сканування в кодувальниках

Багато точних лінійних кодерів працюють за допомогою оптичного або фотоелектричного сканування. Коротше кажучи, зчитувальна головка відстежує періодичні поділки шириною лише кілька мікрометрів і виводить сигнали з малими періодами. Вимірювальним еталоном зазвичай є скляна або (для великих вимірювальних довжин) сталева пластина з періодичними поділками — мітками на несучій підкладці. Це безконтактний режим відстеження позиції.

Лінійні кодери PRC (абсолютного) коду зі скануванням зображень, які використовуються з періодами інкрементної гратки від 4 до 40 мкм, працюють із генерацією світлового сигналу. Дві решітки (на шкалі і скануюча сітка) рухаються одна відносно одної. Матеріал скануючої сітки прозорий, але матеріал шкали може бути прозорим або світловідбиваючим. Коли вони проходять повз один одного, падаюче світло модулює. Якщо проміжки в решітках збігаються, світло проходить. Якщо лінії однієї решітки збігаються з проміжками іншої, це блокує світло. Фотоелектричні елементи перетворюють коливання інтенсивності світла в електричні сигнали синусоїдальної форми.

Іншим варіантом градуювання з періодом решітки 8 мкм і менше є інтерференційне сканування. Цей режим роботи лінійного кодера використовує дифракцію та світлові перешкоди. Ступінчаста решітка служить вимірювальним еталоном з лініями висотою 0,2 мкм на поверхні, що відбиває. Перед нею розташована скануюча сітка — прозора решітка з періодом, що відповідає масштабу. Коли світлова хвиля проходить через візирну сітку, вона дифрагує на три часткові хвилі приблизно однакової інтенсивності з -1, 0 і 1 порядками. Шкала дифрагує хвилі, тому інтенсивність світла концентрується в порядку дифракції 1 і -1. Ці хвилі знову зустрічаються на фазовій решітці візирної сітки, де вони знову дифрагують і інтерферують. Це створює три хвилі, які залишають скануючу сітку під різними кутами. Потім фотоелементи перетворюють інтенсивність змінного світла в вихідний електричний сигнал.

При інтерференційному скануванні відносний рух між візирною сіткою та масштабом призводить до фазового зсуву фронтів дифрагованих хвиль. При переміщенні решітки на один період хвильовий фронт першого порядку переміщується на одну довжину хвилі в позитивному напрямку, а довжина хвилі дифракційного порядку -1 — на одну довжину хвилі в негативному. Дві хвилі інтерферують одна з одною при виході з решітки, тому зсуваються відносно одна одної на дві довжини хвилі (для двох періодів сигналу від переміщення лише на один період решітки).

Два варіанти сканування кодера

Деякі лінійні кодери виконують абсолютні вимірювання, тому значення положення завжди доступне, коли машина ввімкнена, і електроніка може посилатися на нього в будь-який час. Немає необхідності переміщати осі до посилання. Градуювання шкали має послідовну структуру абсолютного коду, а окрема інкрементна доріжка інтерполюється для значення позиції з одночасним генеруванням додаткового інкрементального сигналу.

Навпаки, лінійні кодери, які працюють з покроковим вимірюванням, використовують градуювання з періодичною решіткою, і кодери підраховують окремі прирости (кроки вимірювання) від певного початку, щоб отримати положення. Оскільки в цій установці використовується абсолютне посилання для визначення позицій, масштабні стрічки для цих установок постачаються з другою доріжкою з контрольною позначкою.

Абсолютне положення шкали, встановлене опорною позначкою, стробується рівно одним періодом сигналу. Таким чином, зчитувальна головка повинна знайти та відсканувати контрольну позначку, щоб встановити абсолютне посилання або знайти останню вибрану базу даних (що іноді потребує довгих опорних прогонів).

Ітерації лінійного кодера

Однією з проблем інтеграції лінійного кодера є те, що пристрої працюють прямо на осі руху, тому піддаються впливу машинного середовища. З цієї причини деякі лінійні кодери запечатані. Алюмінієвий корпус захищає ваги, скануючу каретку та її напрямну від стружки, пилу та рідин, а спрямовані вниз еластичні губи ущільнюють корпус. Тут скануюча каретка рухається вздовж шкали по напрямній із низьким коефіцієнтом тертя. Муфта з’єднує скануючу каретку з монтажним блоком і компенсує несумісність між шкалою та напрямними машини. У більшості випадків допустимі бічні та осьові зміщення від ±0,2 до ±0,3 мм між шкалою та монтажним блоком.

Приклад: застосування верстатів

Продуктивність і точність мають першочергове значення для безлічі застосувань, але зміна умов експлуатації часто ускладнює ці завдання проектування. Розглянемо верстати. Виробництво деталей перейшло до дедалі менших розмірів партій, тому установки повинні підтримувати точність під різними навантаженнями та ходами. Мабуть, найбільш вимогливою є обробка аерокосмічних деталей, яка потребує максимальної потужності різання для чорнової обробки та максимальної точності для наступних процесів фінішної обробки.

Якщо говорити точніше, якісні фрезерні форми потребують швидкого видалення матеріалу та високої якості поверхні після обробки. У той же час лише високі швидкості подачі контуру дозволяють машинам виводити деталі з мінімальними відстанями між траєкторіями за прийнятний час обробки. Але особливо при невеликих партіях виробництва практично неможливо підтримувати термостабільні умови. Це тому, що зміни між операціями свердління, чорнової обробки та фінішної обробки сприяють коливанням температур верстатів.

Більше того, точність деталей є ключовою для того, щоб зробити виробничі замовлення прибутковими. Під час чорнових операцій швидкість фрезерування збільшується до 80% або вище; значення нижче 10% є звичайними для обробки.

Проблема полягає в тому, що все більш високі прискорення та швидкості подачі спричиняють нагрівання підкомпонентів приводів лінійної подачі машин, особливо тих, які використовують кулькові гвинти з обертовим двигуном. Отже, тут вимірювання положення має важливе значення для стабілізації поправок верстатного інструменту щодо теплової поведінки.

Способи вирішення проблем термічної нестабільності

Активне охолодження, симетричні конструкції машин, а також вимірювання та корекція температури вже є звичайними способами усунення змін точності, спричинених термічним впливом. Ще один підхід полягає у внесенні поправок на особливо поширений спосіб теплового дрейфу — на осі подачі з обертовим двигуном, які включають рециркуляційні кулькові гвинти. Тут температура вздовж гвинта може швидко змінюватися залежно від швидкості подачі та рухомих сил. Результуючі зміни довжини (зазвичай 100 мкм/м протягом 20 хвилин) можуть спричинити значні дефекти заготовки. Тут є два варіанти вимірювання осі подачі з числовим керуванням через кульковий гвинт за допомогою датчика обертання або за допомогою лінійного датчика.

Попередня установка використовує поворотний енкодер для визначення положення ковзання за кроком гвинта подачі. Таким чином, привід повинен передавати великі зусилля та діяти як зв’язок у вимірювальній системі, забезпечуючи високоточні значення та надійно відтворюючи крок гвинта. Але цикл керування положенням враховує лише поведінку поворотного енкодера. Оскільки він не може компенсувати зміни в механіці водіння через знос або температуру, це фактично напівзамкнутий цикл. Помилки позиціонування приводу стають неминучими та погіршують якість заготовки.

Навпаки, лінійний кодер вимірює положення ковзання та включає повну механіку подачі в контур керування положенням (для справді замкнутої роботи). Люфт і неточності елементів передачі машини не впливають на точність вимірювання положення. Таким чином, точність залежить майже виключно від точності та встановлення лінійного кодера. Одне зауваження тут: пряме вимірювання датчиком також може покращити вимірювання руху навколо осі обертання. У традиційних установках використовуються механізми зниження швидкості, які підключаються до датчика обертання на двигуні, але високоточні датчики кута забезпечують кращу точність і відтворюваність.

Шляхи, за допомогою яких гвинтова конструкція впливає на тепло

Три інші підходи до усунення тепла кулькового гвинта мають свої власні обмеження.

1. Деякі кулькові гвинти запобігають внутрішньому нагріванню (і нагріванню оточуючих частин машини) за допомогою порожнистих сердечників для циркуляції охолоджуючої рідини. Але навіть вони демонструють теплове розширення, а підвищення температури лише на 1 К призводить до похибок позиціонування до 10 мкм/м. Це важливо, оскільки звичайні системи охолодження не можуть утримувати коливання температури менше ніж на 1 К.

2. Іноді інженери моделюють теплове розширення гвинта в елементах керування. Але оскільки температурний профіль важко виміряти під час роботи, і на нього впливає знос рециркуляційної кулькової гайки, швидкість подачі, сили різання, використовуваний діапазон ходу та інші фактори, цей метод може спричинити значні залишкові похибки (до 50 мкм/м) .

3. Деякі кулькові гвинти мають фіксовані підшипники з обох кінців для підвищення жорсткості механізму приводу. Але навіть наджорсткі підшипники не можуть запобігти розширенню від локального виділення тепла. Результуючі сили є значними та деформують навіть найжорсткіші конфігурації підшипників, іноді навіть спричиняючи структурні деформації геометрії машини. Механічний натяг також змінює фрикційну поведінку приводу, погіршуючи точність контуру машини. Більше того, робота в напівзамкненому циклі не може компенсувати вплив змін попереднього натягу підшипника через знос або пружну деформацію приводу.