تعمل المشفرات الخطية على تعزيز الدقة عن طريق تصحيح الأخطاء الموجودة أسفل الروابط الميكانيكية.

تتتبع المشفرات الخطية موضع المحور دون عناصر ميكانيكية وسيطة. كما تقيس المشفرات أخطاء النقل الناتجة عن الروابط الميكانيكية (مثل الأجهزة الميكانيكية الدوارة الخطية)، مما يساعد عناصر التحكم على تصحيح الأخطاء الناتجة عن الآلة. وبالتالي، تتيح هذه التغذية الراجعة لعناصر التحكم مراعاة جميع الميكانيكا في حلقات التحكم في الموضع.

كيف يعمل المسح الضوئي الكهربائي في أجهزة التشفير

تعمل العديد من أجهزة التشفير الخطية الدقيقة بالمسح الضوئي أو الكهروضوئي. باختصار، يتتبع رأس القراءة تدرجات دورية بعرض بضعة ميكرومترات فقط، ويُخرج إشارات بفترات إشارة قصيرة. عادةً ما يكون معيار القياس زجاجًا أو فولاذًا (لأطوال القياس الكبيرة) يحمل تدرجات دورية - علامات على ركيزة الحامل. وهو أسلوب تتبع موقع بدون تلامس.

تُستخدم مُرمِّزات المسح الخطي للصور ذات الترميز المطلق (PRC) مع فترات شبكية متزايدة تتراوح بين 4 و40 ميكرومتر، وتعمل على توليد إشارات الضوء. تتحرك شبكتان (على المقياس وشبكة المسح) بالنسبة لبعضهما البعض. مادة شبكة المسح شفافة، ولكن يمكن أن تكون مادة المقياس شفافة أو عاكسة. عندما يمرّ الشبكتان ببعضهما البعض، يتغيَّر الضوء الساقط. إذا اصطفّت فجوات الشبكتين، يمرّ الضوء من خلالها. إذا تطابقت خطوط إحدى الشبكتين مع فجوات الأخرى، فإنها تحجب الضوء. تُحوِّل الخلايا الكهروضوئية اختلافات شدة الضوء إلى إشارات كهربائية ذات شكل جيبي.

هناك خيار آخر للتدرجات ذات فترات الشبكة التي تبلغ 8 ميكرومتر أو أقل وهو المسح التداخلي. يعتمد هذا النمط من التشغيل الخطي على الحيود وتداخل الضوء. يعمل المشبك المتدرج كمعيار قياس، مكتملًا بخطوط يبلغ ارتفاعها 0.2 ميكرومتر على سطح عاكس. أمامه توجد شبكة مسح - شبكة شفافة ذات فترة مطابقة لفترة المقياس. عندما تمر موجة ضوئية عبر الشبكة، فإنها تحيد إلى ثلاث موجات جزئية برتب -1 و0 و1 ذات شدة متساوية تقريبًا. يحيد المقياس الموجات بحيث تتركز شدة الضوء في رتب الحيود 1 و-1. تلتقي هذه الموجات مرة أخرى عند شبكة طور الشبكة حيث تحيد مرة أخرى وتتداخل. هذا ينتج ثلاث موجات تغادر الشبكة الماسحة بزوايا مختلفة. ثم تحول الخلايا الكهروضوئية شدة الضوء المتناوبة إلى خرج إشارة كهربائية.

في المسح التداخلي، تُسبب الحركة النسبية بين الشبكة والمقياس انزياحًا طوريًا في جبهات الموجة المُحيَّدة. عندما تتحرك الشبكة الشبكية بمقدار فترة واحدة، تتحرك جبهة الموجة من الرتبة الأولى بمقدار طول موجي واحد في الاتجاه الموجب، بينما تتحرك الموجة من الرتبة -1 بمقدار طول موجي واحد في الاتجاه السالب. تتداخل الموجتان عند خروجهما من الشبكة الشبكية، فينزاحان بالنسبة لبعضهما البعض بمقدار طولين موجيين (لفترتي إشارة من حركة فترة شبكة واحدة فقط).

اختلافان في مسح المشفر

بعض أجهزة التشفير الخطية تُجري قياسات مطلقة، لذا تكون قيمة الموضع متاحة دائمًا عند تشغيل الجهاز، ويمكن للإلكترونيات الرجوع إليها في أي وقت. لا حاجة لنقل المحاور إلى مرجع. يتميز تدرج المقياس ببنية رمز مطلقة تسلسلية، ويتم استيفاء مسار تزايدي منفصل لقيمة الموضع، مع توليد إشارة تزايدية اختيارية في نفس الوقت.

في المقابل، تستخدم أجهزة التشفير الخطية التي تعتمد على قياس تدريجي تدرجات مع شبك دوري، وتحسب أجهزة التشفير الزيادات الفردية (خطوات القياس) من نقطة انطلاق معينة لتحديد الموضع. ولأن هذا الإعداد يستخدم مرجعًا مطلقًا لتحديد المواضع، فإن أشرطة القياس لهذه الإعدادات تأتي مع مسار ثانٍ يحمل علامة مرجعية.

يُحدَّد موضع المقياس المطلق الذي تُحدِّده العلامة المرجعية بفترة إشارة واحدة فقط. لذا، يجب على رأس القراءة تحديد موقع العلامة المرجعية ومسحها ضوئيًا لتحديد مرجع مطلق أو للعثور على آخر مرجع مُحدَّد (يتطلب أحيانًا تشغيلات مرجعية طويلة المدى).

تكرارات المشفر الخطي

أحد تحديات دمج المشفرات الخطية هو أن الأجهزة تعمل مباشرةً عند محور الحركة، مما يجعلها معرضة لبيئة الآلة. لهذا السبب، تُغلق بعض المشفرات الخطية بإحكام. يحمي غلاف من الألومنيوم الميزان وعربة المسح الضوئي ومسار التوجيه الخاص بها من الرقائق والغبار والسوائل، وتُغلق حواف مرنة موجهة للأسفل الغلاف بإحكام. في هذه الحالة، تتحرك عربة المسح الضوئي على طول الميزان على دليل منخفض الاحتكاك. يربط وصلة عربة المسح الضوئي بوحدة التركيب، ويعوض عدم المحاذاة بين الميزان ومسارات التوجيه الخاصة بالآلة. في معظم الحالات، يُسمح بإزاحات جانبية ومحورية تتراوح بين ±0.2 و±0.3 مم بين الميزان ووحدة التركيب.

حالة واقعية: تطبيق أدوات الآلة

الإنتاجية والدقة أمران أساسيان لتطبيقات لا حصر لها، ولكن ظروف التشغيل المتغيرة غالبًا ما تجعل تحقيق أهداف التصميم أمرًا صعبًا. لنأخذ أدوات الآلات على سبيل المثال. لقد أصبح تصنيع القطع يتطلب دفعات صغيرة الحجم بشكل متزايد، لذا يجب على الإعدادات الحفاظ على الدقة تحت مختلف الأحمال والضربات. ولعلّ أكثرها تطلبًا هو تشغيل قطع الطائرات، والذي يتطلب أقصى قدرة قطع لعمليات التشكيل الخشن، ثم أقصى دقة لعمليات التشطيب اللاحقة.

وبشكل أكثر تحديدًا، تتطلب قوالب الطحن عالية الجودة سرعة إزالة المواد وجودة سطح عالية بعد التشطيب. في الوقت نفسه، تُمكّن معدلات التغذية السريعة للخطوط الكنتورية الآلات من إنتاج قطع بأدنى مسافة بين المسارات ضمن أوقات تشغيل مقبولة. ولكن، خاصةً مع دفعات الإنتاج الصغيرة، يكاد يكون من المستحيل الحفاظ على ظروف مستقرة حراريًا. ويرجع ذلك إلى أن التغيرات بين عمليات الحفر والتخشين والتشطيب تُسهم في تقلبات درجات حرارة أدوات الآلة.

علاوة على ذلك، تُعدّ دقة قطعة العمل أساسيةً لتحقيق ربحية أوامر الإنتاج. خلال عمليات الطحن الخشن، ترتفع معدلات الطحن إلى 80% أو أكثر؛ وتُعدّ القيم الأقل من 10% شائعةً في عمليات التشطيب.

تكمن المشكلة في أن التسارعات ومعدلات التغذية العالية بشكل متزايد تُسبب ارتفاع درجة حرارة المكونات الفرعية لمحركات التغذية الخطية للآلات، وخاصةً تلك التي تستخدم لوالب كروية تعمل بمحرك دوار. لذا، يُعد قياس الموضع هنا ضروريًا لتثبيت تصحيحات الأدوات الآلية للسلوك الحراري.

طرق معالجة مشاكل عدم الاستقرار الحراري

يُعدّ التبريد النشط، وهياكل الآلات المتماثلة، وقياسات وتصحيحات درجة الحرارة طرقًا شائعة لمعالجة تغيرات الدقة الناتجة عن الحرارة. ومن الأساليب الأخرى تصحيح نمط شائع من الانجراف الحراري، وهو محاور التغذية التي تعمل بمحرك دوار وتتضمن لوالب كروية معادة التدوير. في هذه الحالة، يمكن أن تتغير درجات الحرارة على طول اللولب الكروي بسرعة مع معدلات التغذية وقوى الحركة. ويمكن أن تُسبب التغيرات الناتجة في الطول (عادةً 100 ميكرومتر/متر خلال 20 دقيقة) عيوبًا كبيرة في قطعة العمل. يتوفر خياران هنا: قياس محور التغذية المُتحكم به رقميًا عبر اللولب الكروي باستخدام مُشفّر دوار أو من خلال مُشفّر خطي.

يستخدم الإعداد السابق مُشفِّرًا دوارًا لتحديد موضع الانزلاق من زاوية ميل المسمار اللولبي المُغذِّي. لذا، يجب أن ينقل المُحرِّك قوى كبيرة ويعمل كحلقة وصل في نظام القياس، مُوفِّرًا قيمًا عالية الدقة ويُعيد إنتاج زاوية ميل المسمار بشكل موثوق. لكن حلقة التحكم في الموضع لا تُؤخذ في الاعتبار إلا سلوك المُشفِّر الدوار. ولأنها لا تستطيع تعويض التغيرات في آليات التشغيل الناتجة عن التآكل أو درجة الحرارة، فإن هذا في الواقع تشغيل شبه مغلق الحلقة. تُصبح أخطاء تحديد موضع المُحرِّك حتمية، وتُؤدي إلى تدهور جودة قطعة العمل.

في المقابل، يقيس مُشفِّر خطي موضع الشريحة، ويتضمن آليات تغذية كاملة في حلقة التحكم بالموضع (لتشغيل حلقة مغلقة تمامًا). لا يؤثر الخلل وعدم الدقة في عناصر نقل الآلة على دقة قياس الموضع. لذا، تعتمد الدقة بشكل شبه كامل على دقة وتركيب المُشفِّر الخطي. ملاحظة جانبية: يُمكن للقياس المباشر للمُشفِّر أيضًا تحسين قياسات حركة المحور الدوار. تستخدم الإعدادات التقليدية آليات تقليل السرعة التي تتصل بمُشفِّر دوار على المحرك، لكن مُشفِّرات الزاوية عالية الدقة تُوفر دقةً وإمكانية إعادة إنتاج أفضل.

طرق معالجة الحرارة بواسطة تصميم الكرة اللولبية

هناك ثلاثة طرق أخرى لمعالجة حرارة الكرة اللولبية، وكل منها لها حدودها الخاصة.

بعض الكرات اللولبية تمنع التسخين الداخلي (وتسخين أجزاء الآلة المحيطة) بفضل أنوية مجوفة لتدوير سائل التبريد. ولكن حتى هذه الكرات تُظهر تمددًا حراريًا، وارتفاع درجة الحرارة بمقدار 1 كلفن فقط يُسبب أخطاءً في التموضع تصل إلى 10 ميكرومتر/متر. وهذا أمرٌ بالغ الأهمية لأن أنظمة التبريد الشائعة لا تستطيع تحمل تغيرات في درجات الحرارة أقل من 1 كلفن.

٢. أحيانًا يُجري المهندسون نمذجة للتمدد الحراري للكرة اللولبية في أدوات التحكم. ولكن نظرًا لصعوبة قياس نمط درجة الحرارة أثناء التشغيل، وتأثره بتآكل صامولة الكرة المُعاد تدويرها، ومعدل التغذية، وقوى القطع، ونطاق الحركة المُستخدم، وعوامل أخرى، فقد تُسبب هذه الطريقة أخطاءً متبقية كبيرة (تصل إلى ٥٠ ميكرومتر/متر).

٣. بعض اللوالب الكروية مزودة بمحامل ثابتة من كلا الطرفين لتعزيز صلابة آلية الدفع. ولكن حتى المحامل شديدة الصلابة لا يمكنها منع التمدد الناتج عن توليد الحرارة الموضعية. القوى الناتجة كبيرة، وتُشوّه حتى أكثر تكوينات المحامل صلابة، بل قد تُسبب أحيانًا تشوهات هيكلية في هندسة الآلة. كما يُغيّر الشد الميكانيكي سلوك الاحتكاك في آلية الدفع، مما يُضعف دقة تحديد محيط الآلة. علاوة على ذلك، لا يُمكن للتشغيل شبه المغلق أن يُعوّض آثار تغيرات الحمل المسبق للمحمل الناتجة عن التآكل أو التشوه المرن لآلية الدفع.