Los codificadores lineales mejoran la precisión al corregir los errores que se producen después de los mecanismos de enlace.

Los codificadores lineales registran la posición del eje sin elementos mecánicos intermedios. Incluso miden los errores de transmisión de los mecanismos de enlace (como los dispositivos mecánicos rotativos a lineales), lo que ayuda a los sistemas de control a corregir los errores originados en la máquina. De esta forma, esta retroalimentación permite que los sistemas de control tengan en cuenta todos los mecanismos en los bucles de control de posición.

Cómo funciona el escaneo fotoeléctrico en los codificadores

Muchos codificadores lineales de precisión funcionan mediante escaneo óptico o fotoeléctrico. En resumen, un cabezal de lectura rastrea graduaciones periódicas de apenas unos micrómetros de ancho y emite señales con periodos cortos. El patrón de medición suele ser de vidrio o (para longitudes de medición grandes) de acero con graduaciones periódicas: marcas en el sustrato portador. Se trata de un modo de seguimiento de posición sin contacto.

Utilizados con periodos de rejilla incrementales entre 4 y 40 μm, los codificadores lineales de escaneo de imágenes con código PRC (absoluto) funcionan mediante la generación de señales luminosas. Dos rejillas (una en la escala y otra en la retícula de escaneo) se mueven una respecto a la otra. El material de la retícula de escaneo es transparente, mientras que el de la escala puede ser transparente o reflectante. Cuando ambas rejillas se cruzan, la luz incidente se modula. Si los huecos de las rejillas se alinean, la luz las atraviesa. Si las líneas de una rejilla coinciden con los huecos de la otra, bloquea la luz. Las células fotovoltaicas convierten las variaciones de intensidad luminosa en señales eléctricas sinusoidales.

Otra opción para graduaciones con periodos de rejilla de 8 μm o menores es el escaneo interferencial. Este modo de operación de codificador lineal aprovecha la difracción y la interferencia de la luz. Una rejilla escalonada sirve como patrón de medición, con líneas de 0,2 μm de altura sobre una superficie reflectante. Delante de esta se encuentra una retícula de escaneo: una rejilla transparente con un periodo que coincide con el de la escala. Cuando una onda de luz pasa a través de la retícula, se difracta en tres ondas parciales con órdenes -1, 0 y 1 de intensidad aproximadamente igual. La escala difracta las ondas de manera que la intensidad luminosa se concentra en los órdenes de difracción 1 y -1. Estas ondas se encuentran de nuevo en la rejilla de fase de la retícula, donde se difractan una vez más e interfieren. Esto crea tres ondas que salen de la retícula de escaneo en diferentes ángulos. Las células fotovoltaicas convierten entonces la intensidad de luz alterna en una señal eléctrica de salida.

En el escaneo interferencial, el movimiento relativo entre la retícula y la escala provoca un desfase en los frentes de onda difractados. Cuando la rejilla se desplaza un periodo, el frente de onda de primer orden se mueve una longitud de onda en la dirección positiva, y la longitud de onda de orden de difracción -1 se mueve una longitud de onda en la dirección negativa. Ambas ondas interfieren entre sí al salir de la rejilla, por lo que se desfasan dos longitudes de onda entre sí (equivalente a dos periodos de señal tras un desplazamiento de tan solo un periodo de la rejilla).

Dos variaciones de escaneo del codificador

Algunos codificadores lineales realizan mediciones absolutas, por lo que el valor de posición siempre está disponible mientras la máquina está en funcionamiento, y la electrónica puede consultarlo en cualquier momento. No es necesario mover los ejes a una referencia. La escala de graduación tiene una estructura de código absoluto serial y se interpola una pista incremental independiente para el valor de posición, generando simultáneamente una señal incremental opcional.

En cambio, los codificadores lineales que funcionan mediante medición incremental utilizan graduaciones con rejilla periódica, y cuentan incrementos individuales (pasos de medición) desde un origen para obtener la posición. Dado que este sistema utiliza una referencia absoluta para determinar las posiciones, las cintas de escala para estos sistemas incluyen una segunda pista con una marca de referencia.

La posición absoluta de la escala, establecida por la marca de referencia, se controla con exactamente un período de señal. Por lo tanto, el cabezal de lectura debe localizar y escanear una marca de referencia para establecer una referencia absoluta o para encontrar el último dato seleccionado (lo que a veces requiere recorridos de referencia largos).

Iteraciones del codificador lineal

Uno de los desafíos en la integración de codificadores lineales es que estos dispositivos operan directamente en el eje de movimiento, quedando expuestos al entorno de la máquina. Por esta razón, algunos codificadores lineales están sellados. Una carcasa de aluminio protege la escala, el carro de escaneo y su guía de virutas, polvo y fluidos, y unos labios elásticos orientados hacia abajo sellan la carcasa. En este caso, el carro de escaneo se desplaza a lo largo de la escala sobre una guía de baja fricción. Un acoplamiento conecta el carro de escaneo con el bloque de montaje y compensa la desalineación entre la escala y las guías de la máquina. En la mayoría de los casos, se permiten desfases laterales y axiales de ±0,2 a ±0,3 mm entre la escala y el bloque de montaje.

Un ejemplo: la aplicación de máquinas herramienta.

La productividad y la precisión son fundamentales para innumerables aplicaciones, pero las condiciones de operación cambiantes suelen dificultar el logro de estos objetivos de diseño. Consideremos las máquinas herramienta. La fabricación de piezas se ha orientado hacia lotes cada vez más pequeños, por lo que los sistemas deben mantener la precisión bajo diversas cargas y recorridos. Quizás el mecanizado de piezas aeroespaciales sea el más exigente, ya que requiere la máxima capacidad de corte para los procesos de desbaste y, posteriormente, la máxima precisión para los procesos de acabado.

Más concretamente, el fresado de moldes de calidad requiere una rápida eliminación de material y una alta calidad superficial tras el acabado. Al mismo tiempo, solo las velocidades de avance de contorneado rápidas permiten que las máquinas produzcan piezas con distancias mínimas entre trayectorias en tiempos de mecanizado aceptables. Sin embargo, especialmente con lotes de producción pequeños, resulta casi imposible mantener condiciones térmicas estables. Esto se debe a que los cambios entre las operaciones de taladrado, desbaste y acabado contribuyen a las fluctuaciones de la temperatura de la máquina herramienta.

Además, la precisión de las piezas es clave para que los pedidos de producción sean rentables. Durante las operaciones de desbaste, las tasas de fresado aumentan hasta un 80 % o más; en el acabado, son comunes valores inferiores al 10 %.

El problema radica en que las aceleraciones y velocidades de avance cada vez mayores provocan el calentamiento de los subcomponentes de los sistemas de avance lineal de las máquinas, especialmente en aquellas que utilizan husillos de bolas accionados por motores rotativos. Por lo tanto, en estos casos, la medición de la posición es fundamental para estabilizar las correcciones de la máquina herramienta en función del comportamiento térmico.

Formas de abordar los problemas de inestabilidad térmica

La refrigeración activa, las estructuras de máquinas simétricas y las mediciones y correcciones de temperatura son métodos habituales para abordar las variaciones de precisión inducidas térmicamente. Otro enfoque consiste en corregir un modo particularmente común de deriva térmica: el de los ejes de avance accionados por motores rotativos que incorporan husillos de bolas recirculantes. En este caso, las temperaturas a lo largo del husillo de bolas pueden variar rápidamente con las velocidades de avance y las fuerzas de movimiento. Los cambios de longitud resultantes (típicamente 100 μm/m en 20 minutos) pueden provocar defectos significativos en la pieza. Dos opciones para ello son medir el eje de avance controlado numéricamente a través del husillo de bolas con un codificador rotativo o con un codificador lineal.

La configuración anterior utiliza un codificador rotatorio para determinar la posición del carro a partir del paso del husillo de avance. Por lo tanto, el accionamiento debe transmitir grandes fuerzas y actuar como un enlace en el sistema de medición, proporcionando valores de alta precisión y reproduciendo de forma fiable el paso del husillo. Sin embargo, el bucle de control de posición solo considera el comportamiento del codificador rotatorio. Dado que no puede compensar los cambios en la mecánica de accionamiento debidos al desgaste o la temperatura, se trata en realidad de un funcionamiento de bucle semicerrado. Los errores de posicionamiento del accionamiento se vuelven inevitables y degradan la calidad de la pieza.

En cambio, un codificador lineal mide la posición del carro e integra la mecánica de avance completa en el bucle de control de posición (para un funcionamiento verdaderamente de bucle cerrado). Las holguras e imprecisiones en los elementos de transferencia de la máquina no influyen en la precisión de la medición de posición. Por lo tanto, la precisión depende casi exclusivamente de la exactitud e instalación del codificador lineal. Cabe mencionar que la medición directa con codificador también puede mejorar las mediciones del movimiento del eje rotatorio. Las configuraciones tradicionales utilizan mecanismos de reducción de velocidad conectados a un codificador rotatorio en el motor, pero los codificadores angulares de alta precisión ofrecen mayor exactitud y reproducibilidad.

Formas en que el diseño de husillos de bolas aborda el calor

Otros tres métodos para abordar el calentamiento de los husillos de bolas tienen sus propias limitaciones.

1. Algunos husillos de bolas evitan el calentamiento interno (y el de las piezas circundantes) mediante núcleos huecos que permiten la circulación del refrigerante. Sin embargo, incluso estos presentan dilatación térmica, y un aumento de temperatura de tan solo 1 K provoca errores de posicionamiento de hasta 10 μm/m. Esto es significativo, ya que los sistemas de refrigeración comunes no pueden mantener las variaciones de temperatura por debajo de 1 K.

2. En ocasiones, los ingenieros modelan la dilatación térmica del husillo de bolas en los sistemas de control. Sin embargo, debido a la dificultad de medir el perfil de temperatura durante el funcionamiento, y a la influencia del desgaste de la tuerca de recirculación de bolas, la velocidad de avance, las fuerzas de corte, el rango de desplazamiento utilizado y otros factores, este método puede generar errores residuales considerables (hasta 50 μm/m).

3. Algunos husillos de bolas incorporan rodamientos fijos en ambos extremos para aumentar la rigidez del mecanismo de accionamiento. Sin embargo, incluso los rodamientos más rígidos no pueden evitar la dilatación causada por la generación de calor localizada. Las fuerzas resultantes son considerables y deforman incluso las configuraciones de rodamientos más rígidas, llegando a provocar distorsiones estructurales en la geometría de la máquina. La tensión mecánica también modifica el comportamiento de la fricción del accionamiento, lo que reduce la precisión de contorneado de la máquina. Además, el funcionamiento en bucle semicerrado no puede compensar los efectos de las variaciones en la precarga de los rodamientos debidas al desgaste o a la deformación elástica del mecanismo de accionamiento.