Lineaarianturit parantavat tarkkuutta korjaamalla mekaanisten vivustojen jälkeen esiintyviä virheitä.

Lineaarianturit seuraavat akselin asentoa ilman mekaanisia elementtejä. Anturit mittaavat jopa mekaanisista kytkennöistä (kuten pyörivistä lineaarimekaanisista laitteista) tulevia siirtovirheitä, mikä auttaa ohjauksia korjaamaan koneesta peräisin olevia virheitä. Näin ollen tämä takaisinkytkentä antaa ohjauksille mahdollisuuden ottaa huomioon kaikki mekaniikka paikansäätösilmukoissa.

Miten valosähköinen skannaus toimii enkoodereissa

Monet tarkkuuslineaarianturit toimivat optisella tai fotoelektrisellä skannauksella. Lyhyesti sanottuna lukupää seuraa jaksollisia asteikkoja vain muutaman mikrometrin levyisinä ja tuottaa signaaleja, joilla on pienet signaalijaksot. Mittausstandardi on yleensä lasi tai (suurilla mittauspituuksilla) teräs, jossa on jaksolliset asteikot – merkinnät alustalla. Se on kosketukseton paikannustapa.

PRC- (absoluuttinen) koodia käyttävät kuvaskannaavat lineaarianturit toimivat valosignaalin generoinnin avulla, ja niitä käytetään inkrementaalisilla hilajaksoilla 4–40 μm. Kaksi hilaa (asteikolla ja skannausristikolla) liikkuvat toistensa suhteen. Skannausristikon materiaali on läpinäkyvää, mutta asteikon materiaali voi olla läpinäkyvää tai heijastavaa. Kun nämä kaksi ohittavat toisensa, tuleva valo moduloi. Jos hilojen raot ovat kohdakkain, valo kulkee niiden läpi. Jos toisen hilan viivat osuvat toisen hilan rakoihin, se estää valon pääsyn. Aurinkosähkökennot muuntavat valon voimakkuuden vaihtelut sinimuotoisiksi sähköisiksi signaaleiksi.

Toinen vaihtoehto asteikoille, joiden hilajakso on 8 μm tai vähemmän, on interferenssipyyhkäisy. Tämä lineaarikooderin toimintatila hyödyntää diffraktiota ja valointerferenssiä. Mittausstandardina toimii porrastettu hila, jossa on 0,2 μm korkeat viivat heijastavalla pinnalla. Sen edessä on pyyhkäisyristikko – läpinäkyvä hila, jonka jakso vastaa asteikon jaksoa. Kun valoaalto kulkee ristikon läpi, se diffraktoituu kolmeksi osa-aalloksi, joiden intensiteetti on suunnilleen yhtä suuri -1, 0 ja 1 kertaluokkaa. Asteikko diffraktoi aallot, joten valovoima keskittyy diffraktiokertoimiin 1 ja -1. Nämä aallot kohtaavat uudelleen ristikon vaihehilassa, jossa ne diffraktoituvat uudelleen ja interferoivat. Tämä muodostaa kolme aaltoa, jotka lähtevät pyyhkäisyristikosta eri kulmissa. Aurinkokennot muuntavat sitten vaihtuvan valon intensiteetin sähköiseksi signaaliksi.

Interferenssipyyhkäisyssä ristikon ja asteikon välinen suhteellinen liike aiheuttaa diffraktoituneille aaltorintamille vaihesiirron. Kun hila liikkuu yhden periodin verran, ensimmäisen kertaluvun aaltorintama liikkuu yhden aallonpituuden positiiviseen suuntaan ja diffraktiokertaluvun -1 aallonpituus liikkuu yhden aallonpituuden negatiiviseen suuntaan. Nämä kaksi aaltoa interferoivat toisiaan poistuessaan hilasta, joten ne siirtyvät toisiinsa nähden kahden aallonpituuden verran (kahden signaalijakson verran vain yhden hilajakson liikkeestä).

Kaksi kooderin skannausvariaatiota

Jotkin lineaarianturit tekevät absoluuttisia mittauksia, joten paikkatieto on aina saatavilla koneen ollessa käynnissä, ja elektroniikka voi referenssiä siitä milloin tahansa. Akseleita ei tarvitse siirtää referenssiin. Asteikon asteikko on sarjamuotoinen absoluuttinen koodirakenne ja erillinen inkrementaalinen raita interpoloidaan paikkatietoa varten samalla kun generoidaan valinnainen inkrementaalinen signaali.

Sitä vastoin inkrementaalimittaukseen perustuvat lineaarianturit käyttävät asteikkoja jaksollisella hila-asteikolla, ja anturit laskevat yksittäisiä inkrementtejä (mittausaskeleita) jostakin lähtöpisteestä paikan määrittämiseksi. Koska tässä kokoonpanossa käytetään absoluuttista referenssiä paikan määrittämiseen, näiden kokoonpanojen asteikkonauhoissa on toinen ura, jossa on referenssimerkki.

Referenssimerkin määrittämä absoluuttinen asteikon sijainti ohjataan täsmälleen yhdellä signaalijaksolla. Lukupään on siis paikannettava ja skannattava referenssimerkki absoluuttisen referenssin muodostamiseksi tai viimeksi valitun datumin löytämiseksi (mikä joskus vaatii pitkiä referenssiajoja).

Lineaarikooderin iteraatiot

Yksi lineaarianturien integroinnin haasteista on, että laitteet toimivat aivan liikeakselilla, joten ne ovat alttiina koneen ympäristölle. Tästä syystä jotkut lineaarianturit on suljettu. Alumiinikotelo suojaa asteikkoa, skannausvaunua ja sen johdetta siruilta, pölyltä ja nesteiltä, ​​ja alaspäin suuntautuvat joustavat huulet tiivistävät kotelon. Tässä skannausvaunu kulkee asteikkoa pitkin pienikitkaisen ohjaimen päällä. Kytkin yhdistää skannausvaunun kiinnityslohkoon ja kompensoi asteikon ja koneen johdeiden välisen kohdistusvirheen. Useimmissa tapauksissa asteikon ja kiinnityslohkon välillä sallitaan ±0,2–±0,3 mm:n sivuttais- ja aksiaalisiirtymät.

Esimerkkinä mainittakoon: Konetyökalusovellus

Tuottavuus ja tarkkuus ovat ensiarvoisen tärkeitä lukuisissa sovelluksissa, mutta muuttuvat käyttöolosuhteet tekevät näistä suunnittelutavoitteista usein haastavia. Ajatellaanpa esimerkiksi työstökoneita. Osien valmistus on siirtynyt yhä pienempiin eräkokoihin, joten asetusten on säilytettävä tarkkuus erilaisten kuormien ja iskujen aikana. Ehkä vaativinta on ilmailu- ja avaruusteollisuuden osien koneistus, jossa tarvitaan maksimaalista leikkauskapasiteettia rouhintaprosesseissa ja sitten maksimaalista tarkkuutta myöhemmissä viimeistelyprosesseissa.

Tarkemmin sanottuna jyrsintälaatuisten muottien on poistettava materiaalia nopeasti ja pintaa on laadukkaasti viimeistelyn jälkeen. Samaan aikaan vain nopeat ääriviivasyöttönopeudet mahdollistavat koneiden tuottaa osia, joiden ratavälit ovat mahdollisimman pienet hyväksyttävien työstöaikojen puitteissa. Mutta erityisesti pienten tuotantoerien kanssa on lähes mahdotonta ylläpitää termisesti vakaita olosuhteita. Tämä johtuu siitä, että poraus-, rouhinta- ja viimeistelyvaiheiden väliset vaihtelut vaikuttavat työstökoneiden lämpötilan vaihteluihin.

Lisäksi työkappaleen tarkkuus on avainasemassa kannattavien tuotantotilausten tekemisessä. Rouhintatöissä jyrsintänopeudet nousevat 80 prosenttiin tai parempaan; viimeistelyssä alle 10 prosentin arvot ovat yleisiä.

Ongelmana on, että yhä suuremmat kiihtyvyydet ja syöttönopeudet aiheuttavat kuumenemista koneiden lineaarisyöttölaitteiden alikomponenteissa, erityisesti niissä, joissa käytetään pyörivämoottorikäyttöisiä kuularuuveja. Tässä tapauksessa paikan mittaus on siis välttämätöntä työstökoneen lämpökäyttäytymisen korjausten vakauttamiseksi.

Tapoja ratkaista lämpöepävakauden ongelmia

Aktiivinen jäähdytys, symmetriset konerakenteet sekä lämpötilan mittaukset ja korjaukset ovat jo yleisiä tapoja käsitellä lämpötekijöiden aiheuttamia tarkkuusmuutoksia. Vielä yksi lähestymistapa on korjata erityisen yleinen lämpöajautumisen muoto – pyörivillä kuularuuveilla varustettujen pyörivien moottorikäyttöisten syöttöakseleiden aiheuttama. Tässä lämpötilat kuularuuvin varrella voivat muuttua nopeasti syöttönopeuksien ja liikevoimien mukana. Tästä johtuvat pituusmuutokset (tyypillisesti 100 μm/m 20 minuutissa) voivat aiheuttaa merkittäviä työkappaleen virheitä. Kaksi vaihtoehtoa tässä ovat numeerisesti ohjatun syöttöakselin mittaaminen kuularuuvin läpi pyörivällä enkooderilla tai lineaarianturilla.

Edellisessä kokoonpanossa käytetään pyörivää enkooderia luistin asennon määrittämiseen syöttöruuvin noususta. Niinpä käytön on siirrettävä suuria voimia ja toimittava linkkinä mittausjärjestelmässä – tarjoten erittäin tarkkoja arvoja ja toistaen ruuvin nousun luotettavasti. Mutta asennonsäätösilmukka ottaa huomioon vain pyörivän enkooderin käyttäytymisen. Koska se ei pysty kompensoimaan kulumisesta tai lämpötilasta johtuvia käyttömekaniikan muutoksia, kyseessä on itse asiassa puoliksi suljettu silmukka. Käytön paikannusvirheistä tulee väistämättömiä ja ne heikentävät työkappaleen laatua.

Lineaarianturi sitä vastoin mittaa luistin asentoa ja sisältää täydellisen syöttömekaniikan asennonsäätösilmukassa (aito suljetun silmukan toimintaa varten). Koneen siirtoelementtien välykset ja epätarkkuudet eivät vaikuta asennonmittauksen tarkkuuteen. Tarkkuus riippuu siis lähes yksinomaan lineaarianturin tarkkuudesta ja asennuksesta. Yksi sivuhuomautus: Suora anturimittaus voi myös parantaa pyörimisakselin liikkeen mittauksia. Perinteisissä asetuksissa käytetään nopeudenalennusmekanismeja, jotka kytketään moottorin pyörimisanturiin, mutta tarkat kulma-anturit tarjoavat paremman tarkkuuden ja toistettavuuden.

Tapoja, joilla kuularuuvien suunnittelu käsittelee lämpöä

Kolmella muulla lähestymistavalla kuularuuvien kuumenemiseen on omat rajoituksensa.

1. Joissakin kuularuuveissa ontot ytimet jäähdytysnesteen kiertoa varten, mikä estää sisäisen lämpenemisen (ja ympäröivien koneen osien lämpenemisen). Mutta jopa näissä esiintyy lämpölaajenemista, ja jo 1 K:n lämpötilan nousu aiheuttaa jopa 10 μm/m:n paikannusvirheitä. Tämä on merkittävää, koska tavalliset jäähdytysjärjestelmät eivät pysty pitämään lämpötilanvaihteluita alle 1 K:ssa.

2. Joskus insinöörit mallintavat kuularuuvin lämpölaajenemista ohjaimissa. Mutta koska lämpötilaprofiilia on vaikea mitata käytön aikana ja siihen vaikuttavat kiertävän kuulamutterin kuluminen, syöttönopeus, leikkausvoimat, käytetty liikealue ja muut tekijät, tämä menetelmä voi aiheuttaa huomattavia jäännösvirheitä (jopa 50 μm/m).

3. Joissakin kuularuuveissa on kiinteät laakerit molemmissa päissä käyttömekaniikan jäykkyyden lisäämiseksi. Mutta edes erittäin jäykät laakerit eivät pysty estämään paikallisesta lämmöntuotannosta johtuvaa laajenemista. Tuloksena olevat voimat ovat huomattavia ja muokkaavat jopa jäykimpiä laakerikokoonpanoja – joskus jopa aiheuttaen rakenteellisia vääristymiä koneen geometriassa. Mekaaninen jännitys muuttaa myös käyttölaitteen kitkakäyttäytymistä, mikä heikentää koneen ääriviivan tarkkuutta. Lisäksi puolisuljettu silmukka ei pysty kompensoimaan laakerin esijännityksen muutosten vaikutuksia, jotka johtuvat kulumisesta tai käyttölaitteen elastisesta muodonmuutoksesta.