लीनियर एनकोडर, मैकेनिकल लिंकेज के बाद होने वाली त्रुटियों को ठीक करके सटीकता को बढ़ाते हैं।

लीनियर एनकोडर मध्यवर्ती यांत्रिक तत्वों के बिना अक्ष की स्थिति को ट्रैक करते हैं। ये एनकोडर यांत्रिक लिंकेज (जैसे घूर्णी-से-रेखीय यांत्रिक उपकरण) से होने वाली स्थानांतरण त्रुटियों को भी मापते हैं, जिससे नियंत्रण तंत्र मशीन से उत्पन्न त्रुटियों को ठीक करने में सक्षम होता है। इस प्रकार, यह फीडबैक नियंत्रण तंत्र को स्थिति-नियंत्रण लूप में सभी यांत्रिकी कारकों को ध्यान में रखने में सक्षम बनाता है।

एनकोडर में फोटोइलेक्ट्रिक स्कैनिंग कैसे काम करती है

कई सटीक लीनियर एनकोडर ऑप्टिकल या फोटोइलेक्ट्रिक स्कैनिंग द्वारा काम करते हैं। संक्षेप में, एक रीड हेड कुछ माइक्रोमीटर चौड़ाई वाले आवधिक चिह्नों को ट्रैक करता है और छोटे सिग्नल अंतराल वाले सिग्नल आउटपुट करता है। मापने का मानक आमतौर पर कांच का होता है या (बड़ी मापने की लंबाई के लिए) स्टील का होता है जिस पर वाहक सब्सट्रेट पर आवधिक चिह्न बने होते हैं। यह स्थिति ट्रैकिंग का एक संपर्क-रहित तरीका है।

4 से 40 μm के बीच वृद्धिशील ग्रेटिंग अवधियों के साथ उपयोग किए जाने वाले, PRC (निरपेक्ष) कोड इमेज-स्कैनिंग लीनियर एनकोडर प्रकाश-संकेत उत्पादन के साथ काम करते हैं। दो ग्रेटिंग (स्केल और स्कैनिंग रेटिकल पर) एक दूसरे के सापेक्ष गति करते हैं। स्कैनिंग रेटिकल की सामग्री पारदर्शी होती है, जबकि स्केल की सामग्री पारदर्शी या परावर्तक हो सकती है। जब दोनों एक दूसरे के पास से गुजरते हैं, तो आपतित प्रकाश में मॉड्यूलेशन होता है। यदि ग्रेटिंग में अंतराल संरेखित होते हैं, तो प्रकाश गुजरता है। यदि एक ग्रेटिंग की रेखाएं दूसरे ग्रेटिंग के अंतरालों के साथ मेल खाती हैं, तो यह प्रकाश को अवरुद्ध कर देता है। फोटोवोल्टिक सेल प्रकाश की तीव्रता में होने वाले परिवर्तनों को साइनसोइडल रूप वाले विद्युत संकेतों में परिवर्तित करते हैं।

8 μm और उससे कम ग्रेटिंग अवधि वाले ग्रेजुएशन के लिए एक अन्य विकल्प इंटरफेरेंशियल स्कैनिंग है। यह लीनियर-एनकोडर मोड विवर्तन और प्रकाश व्यतिकरण का लाभ उठाता है। एक स्टेप ग्रेटिंग मापक मानक के रूप में कार्य करता है, जिसमें परावर्तक सतह पर 0.2 μm ऊँची रेखाएँ होती हैं। इसके सामने एक स्कैनिंग रेटिकल होता है—एक पारदर्शी ग्रेटिंग जिसकी अवधि स्केल की अवधि के बराबर होती है। जब एक प्रकाश तरंग रेटिकल से गुजरती है, तो यह लगभग समान तीव्रता के -1, 0 और 1 कोटि की तीन आंशिक तरंगों में विवर्तित हो जाती है। स्केल तरंगों को इस प्रकार विवर्तित करता है कि प्रकाशीय तीव्रता विवर्तन कोटि 1 और -1 में केंद्रित हो जाती है। ये तरंगें रेटिकल की फेज ग्रेटिंग पर फिर से मिलती हैं जहाँ वे एक बार फिर विवर्तित होकर व्यतिकरण करती हैं। इससे तीन तरंगें बनती हैं जो स्कैनिंग रेटिकल से अलग-अलग कोणों पर निकलती हैं। फिर फोटोवोल्टेइक सेल प्रत्यावर्ती प्रकाश तीव्रता को विद्युत-संकेत आउटपुट में परिवर्तित करते हैं।

व्यतिकरण स्कैनिंग में, रेटिकल और स्केल के बीच सापेक्ष गति के कारण विवर्तित तरंग मोर्चों में कला विस्थापन होता है। जब ग्रेटिंग एक आवर्तकाल से गति करती है, तो प्रथम कोटि की तरंग अग्रभाग धनात्मक दिशा में एक तरंगदैर्घ्य से गति करती है, और -1 विवर्तन कोटि की तरंगदैर्घ्य ऋणात्मक दिशा में एक तरंगदैर्घ्य से गति करती है। ग्रेटिंग से बाहर निकलते समय दोनों तरंगें एक दूसरे के साथ व्यतिकरण करती हैं, इसलिए एक दूसरे के सापेक्ष दो तरंगदैर्घ्यों से विस्थापित हो जाती हैं (केवल एक ग्रेटिंग आवर्तकाल की गति से दो सिग्नल आवर्तकालों के लिए)।

दो एनकोडर-स्कैनिंग विविधताएँ

कुछ लीनियर एनकोडर सटीक माप करते हैं, इसलिए मशीन चालू होने पर स्थिति मान हमेशा उपलब्ध रहता है और इलेक्ट्रॉनिक्स किसी भी समय इसका संदर्भ ले सकते हैं। अक्षों को संदर्भ में स्थानांतरित करने की कोई आवश्यकता नहीं है। स्केल ग्रेजुएशन में एक सीरियल एब्सोल्यूट कोड संरचना होती है और स्थिति मान के लिए एक अलग इंक्रीमेंटल ट्रैक इंटरपोलेटेड होता है, साथ ही साथ एक वैकल्पिक इंक्रीमेंटल सिग्नल भी उत्पन्न होता है।

इसके विपरीत, वृद्धिशील माप प्रणाली पर काम करने वाले रैखिक एनकोडर आवधिक ग्रैटिंग वाले ग्रेजुएशन का उपयोग करते हैं, और स्थिति प्राप्त करने के लिए एनकोडर किसी मूल बिंदु से अलग-अलग वृद्धि (माप चरण) की गणना करते हैं। चूंकि यह सेटअप स्थिति निर्धारित करने के लिए एक निरपेक्ष संदर्भ का उपयोग करता है, इसलिए इन सेटअपों के लिए स्केल टेप में एक संदर्भ चिह्न वाला दूसरा ट्रैक होता है।

संदर्भ चिह्न द्वारा निर्धारित निरपेक्ष स्केल स्थिति को ठीक एक सिग्नल अवधि के साथ नियंत्रित किया जाता है। इसलिए, रीड हेड को एक निरपेक्ष संदर्भ स्थापित करने या अंतिम चयनित डेटम (जिसके लिए कभी-कभी लंबे स्ट्रोक वाले संदर्भ रन की आवश्यकता होती है) का पता लगाने के लिए एक संदर्भ चिह्न का पता लगाना और उसे स्कैन करना आवश्यक है।

लीनियर एनकोडर पुनरावृति

लीनियर एनकोडर के एकीकरण में एक चुनौती यह है कि ये उपकरण गति अक्ष पर ही कार्य करते हैं, इसलिए मशीन के वातावरण के संपर्क में रहते हैं। इसी कारण कुछ लीनियर एनकोडर सीलबंद होते हैं। एल्युमीनियम का आवरण स्केल, स्कैनिंग कैरिज और उसके गाइडवे को चिप्स, धूल और तरल पदार्थों से बचाता है, और नीचे की ओर झुके हुए लोचदार लिप्स आवरण को सील कर देते हैं। यहां, स्कैनिंग कैरिज कम घर्षण वाले गाइड पर स्केल के साथ-साथ चलता है। एक कपलिंग स्कैनिंग कैरिज को माउंटिंग ब्लॉक से जोड़ता है और स्केल और मशीन गाइडवे के बीच के मिसअलाइनमेंट को समायोजित करता है। अधिकांश मामलों में, स्केल और माउंटिंग ब्लॉक के बीच ±0.2 से ±0.3 मिमी तक का पार्श्व और अक्षीय ऑफसेट स्वीकार्य होता है।

उदाहरण के तौर पर: मशीन-टूल अनुप्रयोग

उत्पादकता और सटीकता अनेक अनुप्रयोगों के लिए सर्वोपरि हैं, लेकिन बदलती परिचालन परिस्थितियाँ अक्सर इन डिज़ाइन उद्देश्यों को चुनौतीपूर्ण बना देती हैं। मशीन टूल्स का उदाहरण लें। पुर्जों का निर्माण अब पहले से कहीं अधिक छोटे बैचों में किया जा रहा है, इसलिए सेटअप को विभिन्न भारों और स्ट्रोकों के तहत सटीकता बनाए रखनी चाहिए। शायद सबसे चुनौतीपूर्ण एयरोस्पेस पुर्जों की मशीनिंग है, जिसके लिए रफिंग प्रक्रियाओं हेतु अधिकतम कटिंग क्षमता और फिर बाद की फिनिशिंग प्रक्रियाओं हेतु अधिकतम परिशुद्धता की आवश्यकता होती है।

विशेष रूप से, उच्च गुणवत्ता वाले मोल्डों की मिलिंग के लिए तेजी से सामग्री हटाने और फिनिशिंग के बाद उच्च सतह गुणवत्ता की आवश्यकता होती है। साथ ही, केवल तेज कंटूरिंग फीड दरों से ही मशीनें स्वीकार्य मशीनिंग समय के भीतर न्यूनतम पथों के बीच की दूरी वाले पुर्जे तैयार कर सकती हैं। लेकिन विशेष रूप से छोटे उत्पादन बैचों में, ऊष्मीय स्थिरता बनाए रखना लगभग असंभव है। ऐसा इसलिए है क्योंकि ड्रिलिंग, रफिंग और फिनिशिंग प्रक्रियाओं के बीच होने वाले परिवर्तन मशीन-टूल के तापमान में उतार-चढ़ाव का कारण बनते हैं।

इसके अलावा, उत्पादन ऑर्डर को लाभदायक बनाने के लिए वर्कपीस की सटीकता बेहद ज़रूरी है। रफिंग प्रक्रिया के दौरान, मिलिंग दर 80% या उससे अधिक तक बढ़ जाती है; फिनिशिंग के लिए 10% से कम मान आम बात है।

समस्या यह है कि बढ़ते त्वरण और फीड दर के कारण मशीनों के लीनियर फीड ड्राइव के उपघटकों में ताप उत्पन्न होता है, विशेषकर उन ड्राइव में जिनमें रोटरी-मोटर-चालित बॉलस्क्रू का उपयोग होता है। इसलिए, थर्मल व्यवहार के लिए मशीन-टूल सुधारों को स्थिर करने के लिए स्थिति मापन आवश्यक है।

ऊष्मीय अस्थिरता की समस्याओं से निपटने के तरीके

सक्रिय शीतलन, सममित मशीन संरचनाएं और तापमान मापन एवं सुधार, ऊष्मीय कारणों से होने वाली सटीकता में परिवर्तन को दूर करने के सामान्य तरीके हैं। एक अन्य तरीका है ऊष्मीय बहाव के एक विशेष रूप से सामान्य तरीके को ठीक करना—जैसे कि रोटरी-मोटर-चालित फीड अक्षों में पुन: प्रसारित बॉलस्क्रू का उपयोग। यहां, बॉलस्क्रू के साथ तापमान फीड दर और गतिमान बलों के साथ तेजी से बदल सकता है। परिणामस्वरूप लंबाई में परिवर्तन (आमतौर पर 20 मिनट के भीतर 100 μm/m) वर्कपीस में महत्वपूर्ण दोष उत्पन्न कर सकता है। यहां दो विकल्प हैं: रोटरी एनकोडर या लीनियर एनकोडर के माध्यम से बॉलस्क्रू द्वारा संख्यात्मक रूप से नियंत्रित फीड अक्ष को मापना।

पहले वाले सेटअप में फीड-स्क्रू पिच से स्लाइड की स्थिति निर्धारित करने के लिए रोटरी एनकोडर का उपयोग किया जाता है। इसलिए, ड्राइव को भारी बल स्थानांतरित करना होता है और मापन प्रणाली में एक लिंकेज के रूप में कार्य करना होता है—जिससे अत्यधिक सटीक मान प्राप्त होते हैं और स्क्रू पिच को विश्वसनीय रूप से पुन: उत्पन्न किया जा सकता है। लेकिन स्थिति-नियंत्रण लूप केवल रोटरी-एनकोडर के व्यवहार को ही ध्यान में रखता है। क्योंकि यह घिसाव या तापमान के कारण ड्राइविंग यांत्रिकी में होने वाले परिवर्तनों की भरपाई नहीं कर सकता, इसलिए यह वास्तव में अर्ध-क्लोज्ड-लूप ऑपरेशन है। ड्राइव की स्थिति में त्रुटियां अपरिहार्य हो जाती हैं और वर्कपीस की गुणवत्ता को कम कर देती हैं।

इसके विपरीत, एक लीनियर एनकोडर स्लाइड की स्थिति को मापता है और स्थिति नियंत्रण लूप में संपूर्ण फीड मैकेनिक्स को शामिल करता है (सही मायने में क्लोज्ड-लूप ऑपरेशन के लिए)। मशीन के ट्रांसफर एलिमेंट्स में प्ले और अशुद्धियाँ स्थिति-मापन सटीकता पर कोई प्रभाव नहीं डालती हैं। इसलिए, सटीकता लगभग पूरी तरह से लीनियर एनकोडर की परिशुद्धता और इंस्टॉलेशन पर निर्भर करती है। एक और बात: डायरेक्ट एनकोडर मापन से रोटरी-एक्सिस मोशन के मापन में भी सुधार हो सकता है। पारंपरिक सेटअप में स्पीड-रिडक्शन मैकेनिज्म का उपयोग किया जाता है जो मोटर पर रोटरी एनकोडर से जुड़ते हैं, लेकिन उच्च-सटीकता वाले एंगल एनकोडर बेहतर सटीकता और पुनरुत्पादकता प्रदान करते हैं।

बॉलस्क्रू डिज़ाइन गर्मी की समस्या को कैसे हल करता है

बॉलस्क्रू की गर्मी को कम करने के तीन अन्य तरीकों की अपनी-अपनी सीमाएं हैं।

1. कुछ बॉलस्क्रू शीतलक परिसंचरण के लिए खोखले कोर का उपयोग करके आंतरिक ताप (और आसपास के मशीन भागों के ताप) को रोकते हैं। लेकिन इनमें भी ऊष्मीय विस्तार होता है, और केवल 1 K तापमान वृद्धि से स्थिति निर्धारण में 10 μm/m तक की त्रुटियाँ हो सकती हैं। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि सामान्य शीतलन प्रणालियाँ तापमान भिन्नता को 1 K से कम नहीं रख सकतीं।

2. कभी-कभी इंजीनियर नियंत्रण प्रणाली में बॉलस्क्रू के तापीय विस्तार का मॉडल बनाते हैं। लेकिन चूंकि परिचालन के दौरान तापमान प्रोफ़ाइल को मापना कठिन होता है और यह पुनर्संचारित बॉल नट के घिसाव, फ़ीड दर, काटने के बल, उपयोग की गई अनुप्रस्थ सीमा और अन्य कारकों से प्रभावित होता है, इसलिए इस विधि से काफी अवशिष्ट त्रुटियां (50 μm/m तक) हो सकती हैं।

3. ड्राइव मैकेनिक्स की कठोरता बढ़ाने के लिए कुछ बॉलस्क्रू के दोनों सिरों पर फिक्स्ड बेयरिंग लगाए जाते हैं। लेकिन अतिरिक्त कठोर बेयरिंग भी स्थानीय ताप उत्पादन से होने वाले फैलाव को नहीं रोक पाते। परिणामस्वरूप बल काफी अधिक होते हैं और सबसे कठोर बेयरिंग संरचनाओं को भी विकृत कर देते हैं—कभी-कभी तो मशीन की ज्यामिति में संरचनात्मक विकृति भी उत्पन्न कर देते हैं। यांत्रिक तनाव ड्राइव के घर्षण व्यवहार को भी बदल देता है, जिससे मशीन की कंटूरिंग सटीकता कम हो जाती है। इसके अलावा, सेमी-क्लोज्ड-लूप ऑपरेशन घिसाव या ड्राइव मैकेनिक्स के लोचदार विरूपण के कारण बेयरिंग प्रीलोड में होने वाले परिवर्तनों के प्रभावों की भरपाई नहीं कर पाता।