تعمل أجهزة التشفير الخطية على تحسين الدقة من خلال تصحيح الأخطاء في المراحل اللاحقة للوصلات الميكانيكية.

تتتبع المشفرات الخطية موضع المحور دون الحاجة إلى عناصر ميكانيكية وسيطة. بل إنها تقيس أخطاء النقل من الوصلات الميكانيكية (مثل الأجهزة الميكانيكية الدوارة إلى الخطية)، مما يساعد أنظمة التحكم على تصحيح الأخطاء الناجمة عن الآلة. وبالتالي، تتيح هذه التغذية الراجعة لأنظمة التحكم مراعاة جميع الجوانب الميكانيكية في حلقات التحكم في الموضع.

كيف يعمل المسح الكهروضوئي في أجهزة التشفير

تعتمد العديد من أجهزة التشفير الخطي الدقيقة على المسح الضوئي أو الكهروضوئي. باختصار، يتتبع رأس القراءة تدريجات ​​دورية لا يتجاوز عرضها بضعة ميكرومترات، ويُخرج إشارات بفترات زمنية قصيرة. عادةً ما يكون معيار القياس زجاجيًا أو (لأطوال القياس الكبيرة) فولاذيًا يحمل تدريجات ​​دورية - علامات على الركيزة الحاملة. إنها طريقة لتتبع الموضع دون تلامس.

تعمل مشفرات المسح الضوئي الخطية بتقنية PRC (المطلقة) مع فترات محززة متزايدة تتراوح بين 4 و40 ميكرومتر، وذلك عن طريق توليد إشارات ضوئية. تتحرك محززتان (على المقياس وشبكة المسح) بالنسبة لبعضهما البعض. مادة شبكة المسح شفافة، بينما يمكن أن تكون مادة المقياس شفافة أو عاكسة. عند مرور المحززتين بجانب بعضهما، يتغير الضوء الساقط. إذا اصطفت فجوات المحززتين، يمر الضوء. أما إذا تطابقت خطوط إحدى المحززتين مع فجوات الأخرى، فإنها تحجب الضوء. تقوم الخلايا الكهروضوئية بتحويل تغيرات شدة الضوء إلى إشارات كهربائية جيبية الشكل.

يُعد المسح التداخلي خيارًا آخر للتدريجات ​​ذات فترات محزز تبلغ 8 ميكرومتر أو أقل. يعتمد نمط التشغيل هذا، الذي يستخدم مشفرًا خطيًا، على حيود الضوء وتداخله. يعمل محزز متدرج كمعيار للقياس، مزود بخطوط ارتفاعها 0.2 ميكرومتر على سطح عاكس. أمامه توجد شبكة مسح ضوئية - محزز شفاف ذو فترة تتطابق مع فترة المقياس. عندما تمر موجة ضوئية عبر الشبكة، فإنها تنحرف إلى ثلاث موجات جزئية ذات رتب -1 و0 و1، متساوية الشدة تقريبًا. يعمل المقياس على حيود الموجات بحيث تتركز شدة الإضاءة في رتبتي الحيود 1 و-1. تلتقي هذه الموجات مرة أخرى عند محزز الطور الخاص بالشبكة، حيث تنحرف مرة أخرى وتتداخل. ينتج عن ذلك ثلاث موجات تغادر شبكة المسح الضوئي بزوايا مختلفة. تقوم الخلايا الكهروضوئية بعد ذلك بتحويل شدة الضوء المتناوب إلى إشارة كهربائية.

في المسح التداخلي، تتسبب الحركة النسبية بين الشبكة والمقياس في حدوث إزاحة طورية في جبهات الموجات المنحرفة. فعندما تتحرك الشبكة دورة واحدة، تتحرك جبهة الموجة من الرتبة الأولى طول موجة واحدة في الاتجاه الموجب، بينما يتحرك طول موجة حيود الرتبة -1 طول موجة واحدة في الاتجاه السالب. تتداخل الموجتان عند خروجهما من الشبكة، فتنزاحان بالنسبة لبعضهما البعض بمقدار طولي موجة (أي ما يعادل دورتي إشارة نتيجة حركة دورة واحدة للشبكة).

نوعان من أنواع مسح المشفر

تُجري بعض أجهزة التشفير الخطي قياسات مطلقة، لذا فإن قيمة الموضع متاحة دائمًا أثناء تشغيل الجهاز، ويمكن للإلكترونيات الرجوع إليها في أي وقت. لا حاجة لتحريك المحاور إلى مرجع. يتميز تدريج المقياس ببنية رمز مطلقة متسلسلة، ويتم استيفاء مسار تزايدي منفصل لقيمة الموضع مع توليد إشارة تزايدية اختيارية في الوقت نفسه.

في المقابل، تستخدم المشفرات الخطية التي تعمل بالقياس التزايدي تدريجات ​​ذات شبكة دورية، حيث تحسب هذه المشفرات الزيادات الفردية (خطوات القياس) من نقطة مرجعية لتحديد الموضع. ولأن هذا النظام يعتمد على مرجع مطلق لتحديد المواضع، فإن أشرطة القياس الخاصة بهذه الأنظمة تأتي مزودة بمسار ثانٍ يحمل علامة مرجعية.

يتم تحديد موضع المقياس المطلق بواسطة علامة المرجع بفترة إشارة واحدة بالضبط. لذا، يجب على رأس القراءة تحديد موقع علامة المرجع ومسحها ضوئيًا لتحديد مرجع مطلق أو للعثور على آخر نقطة بيانات مختارة (وهو ما يتطلب أحيانًا عمليات مسح مرجعي طويلة).

تكرارات المشفر الخطي

يتمثل أحد التحديات في دمج أجهزة التشفير الخطي في أن هذه الأجهزة تعمل مباشرةً على محور الحركة، مما يجعلها عرضةً لبيئة الماكينة. ولهذا السبب، تُصنع بعض أجهزة التشفير الخطي من مواد محكمة الإغلاق. يحمي غلاف من الألومنيوم المقياس وعربة المسح الضوئي ومسارها من الرقائق والغبار والسوائل، وتُحكم إغلاق الغلاف بواسطة حواف مرنة موجهة للأسفل. تتحرك عربة المسح الضوئي على طول المقياس على دليل منخفض الاحتكاك. يربط وصلة عربة المسح الضوئي بكتلة التثبيت، وتعوض أي عدم محاذاة بين المقياس ومسارات الماكينة. في معظم الحالات، يُسمح بانحرافات جانبية ومحورية تتراوح بين ±0.2 و ±0.3 مم بين المقياس وكتلة التثبيت.

مثال على ذلك: تطبيق أدوات الآلات

تُعدّ الإنتاجية والدقة عنصرين أساسيين في العديد من التطبيقات، إلا أن تغير ظروف التشغيل غالبًا ما يجعل تحقيق هذه الأهداف التصميمية أمرًا صعبًا. لنأخذ على سبيل المثال آلات التشغيل. فقد اتجه تصنيع الأجزاء نحو أحجام دفعات أصغر فأصغر، لذا يجب أن تحافظ عمليات الإعداد على الدقة تحت مختلف الأحمال والأشواط. ولعلّ أكثر العمليات تطلبًا هي تشغيل أجزاء الطائرات، التي تتطلب أقصى قدرة قطع لعمليات التشغيل الخشن، ثم أقصى دقة لعمليات التشطيب اللاحقة.

وبشكلٍ أدق، تتطلب عملية طحن القوالب عالية الجودة إزالة سريعة للمواد وجودة سطح عالية بعد التشطيب. وفي الوقت نفسه، لا تسمح إلا معدلات التغذية السريعة لتشكيل المحيطات للآلات بإنتاج أجزاء بأقل مسافة بين المسارات ضمن أوقات تشغيل مقبولة. ولكن، خاصةً مع دفعات الإنتاج الصغيرة، يكاد يكون من المستحيل الحفاظ على ظروف حرارية مستقرة. وذلك لأن التغيرات بين عمليات الحفر والتخشين والتشطيب تُسهم في تقلبات درجات حرارة آلة التشغيل.

علاوة على ذلك، تُعد دقة قطعة العمل أساسية لتحقيق ربحية طلبات الإنتاج. خلال عمليات التشغيل الخشن، ترتفع معدلات الطحن إلى 80% أو أكثر؛ بينما تكون القيم أقل من 10% شائعة في عمليات التشطيب.

تكمن المشكلة في أن التسارعات ومعدلات التغذية المتزايدة تتسبب في ارتفاع درجة حرارة المكونات الفرعية لمحركات التغذية الخطية في الآلات، وخاصة تلك التي تستخدم براغي كروية تعمل بمحركات دوارة. لذا، يُعد قياس الموضع ضروريًا هنا لتحقيق استقرار تصحيحات آلة التشغيل للسلوك الحراري.

طرق معالجة مشاكل عدم الاستقرار الحراري

يُعد التبريد النشط، وهياكل الآلات المتناظرة، وقياسات درجة الحرارة وتصحيحاتها من الطرق الشائعة لمعالجة تغيرات الدقة الناتجة عن الحرارة. وثمة نهج آخر يتمثل في تصحيح نمط شائع من الانحراف الحراري، وهو انحراف محاور التغذية التي تعمل بمحركات دوارة وتتضمن براغي كروية دائرية. في هذه الحالة، يمكن أن تتغير درجات الحرارة على طول البرغي الكروي بسرعة مع معدلات التغذية وقوى الحركة. ويمكن أن تؤدي التغيرات الناتجة في الطول (عادةً 100 ميكرومتر/متر خلال 20 دقيقة) إلى عيوب كبيرة في قطعة العمل. ومن الخيارات المتاحة هنا قياس محور التغذية المُتحكم به رقميًا من خلال البرغي الكروي باستخدام مشفر دوار أو مشفر خطي.

يستخدم النظام السابق مشفرًا دوارًا لتحديد موضع المنزلق من خطوة لولب التغذية. لذا، يجب أن ينقل المحرك قوى كبيرة ويعمل كحلقة وصل في نظام القياس، مما يوفر قيمًا عالية الدقة ويعيد إنتاج خطوة اللولب بدقة. لكن حلقة التحكم في الموضع لا تأخذ في الحسبان سوى سلوك المشفر الدوار. ولأنها لا تستطيع التعويض عن التغيرات في آلية التشغيل نتيجة التآكل أو تغير درجة الحرارة، فإن هذه العملية تُعتبر في الواقع شبه مغلقة. تصبح أخطاء تحديد موضع المحرك حتمية وتؤدي إلى تدهور جودة قطعة العمل.

على النقيض من ذلك، يقيس المشفر الخطي موضع المنزلق ويتضمن آلية التغذية الكاملة في حلقة التحكم بالموضع (لتشغيل حلقة مغلقة تمامًا). لا يؤثر أي تفاوت أو عدم دقة في عناصر نقل الآلة على دقة قياس الموضع. لذا، تعتمد الدقة بشكل شبه كامل على دقة المشفر الخطي وطريقة تركيبه. ملاحظة جانبية: يمكن للقياس المباشر بواسطة المشفر تحسين قياسات حركة المحور الدوراني. تستخدم الإعدادات التقليدية آليات تخفيض السرعة المتصلة بمشفر دوراني على المحرك، لكن مشفرات الزاوية عالية الدقة توفر دقة وقابلية تكرار أفضل.

طرق تصميم لولب الكرات لمعالجة الحرارة

هناك ثلاثة مناهج أخرى لمعالجة حرارة اللولب الكروي، ولكل منها قيودها الخاصة.

1. تمنع بعض براغي الكرات التسخين الداخلي (وتسخين أجزاء الآلة المحيطة) بفضل وجود تجويف داخلي لتدوير سائل التبريد. ولكن حتى هذه البراغي تُظهر تمددًا حراريًا، وتؤدي زيادة درجة الحرارة بمقدار 1 كلفن فقط إلى أخطاء في تحديد الموضع تصل إلى 10 ميكرومتر/متر. وهذا أمر بالغ الأهمية لأن أنظمة التبريد الشائعة لا تستطيع الحفاظ على تغيرات درجة الحرارة أقل من 1 كلفن.

2. في بعض الأحيان، يقوم المهندسون بنمذجة التمدد الحراري للولب الكروي في أنظمة التحكم. ولكن نظرًا لصعوبة قياس توزيع درجة الحرارة أثناء التشغيل وتأثره بتآكل صامولة الكرات الدوارة، ومعدل التغذية، وقوى القطع، ونطاق الحركة المستخدم، وعوامل أخرى، فقد تتسبب هذه الطريقة في أخطاء متبقية كبيرة (تصل إلى 50 ميكرومتر/متر).

3. تُزود بعض براغي الكرات بمحامل ثابتة في كلا الطرفين لتعزيز صلابة آلية التشغيل. ولكن حتى المحامل شديدة الصلابة لا تستطيع منع التمدد الناتج عن الحرارة الموضعية. وتكون القوى الناتجة كبيرة، وتُشوه حتى أكثر تكوينات المحامل صلابة، بل وتتسبب أحيانًا في تشوهات هيكلية في هندسة الآلة. كما يُغير الشد الميكانيكي سلوك الاحتكاك في آلية التشغيل، مما يُقلل من دقة تشكيل الآلة. علاوة على ذلك، لا يُمكن للتشغيل شبه المغلق تعويض آثار تغيرات التحميل المسبق للمحامل الناتجة عن التآكل أو التشوه المرن لآلية التشغيل.