リニアエンコーダは、機械的リンケージの下流でエラーを修正することで精度を高めます。

リニアエンコーダは、中間の機械要素を使用せずに軸の位置を追跡します。エンコーダは、機械的リンケージ (回転から直線への機械装置など) からの伝達誤差も測定し、制御が機械に起因する誤差を修正するのに役立ちます。したがって、このフィードバックにより、制御は位置制御ループ内のすべての機構を考慮できるようになります。

エンコーダにおける光電スキャンの仕組み

多くの高精度リニア エンコーダは、光学式または光電式スキャンによって動作します。つまり、読み取りヘッドは幅わずか数マイクロメートルの周期的な目盛りを追跡し、小さな信号周期で信号を出力します。通常、測定標準はガラスまたは（測定長が長い場合）スチールで、キャリア基板上に周期的な目盛り、つまりマークが付いています。これは位置追跡の非接触モードです。

4 ～ 40 μm の増分格子周期で使用される PRC (絶対) コード画像走査リニア エンコーダは、光信号生成で動作します。2 つの格子 (スケール上と走査レチクル上) が相互に移動します。走査レチクルの材質は透明ですが、スケールの材質は透明または反射することができます。この 2 つがすれ違うと、入射光が変調されます。格子の隙間が揃っていれば、光は通過します。一方の格子の線がもう一方の格子の隙間と一致すると、光が遮断されます。太陽電池は、光強度の変化を正弦波形式の電気信号に変換します。

格子周期が 8 μm 以下の目盛りのもう 1 つのオプションは、干渉走査です。このリニア エンコーダの動作モードは、回折と光の干渉を利用します。ステップグレーティングは測定標準として機能し、反射面上に高さ 0.2 μm の線が付いています。その前には走査レチクル、つまりスケールの周期と一致する周期を持つ透明な格子があります。光波がレチクルを通過すると、強度がほぼ等しい -1、0、1 次の 3 つの部分波に回折されます。スケールは波を回折するため、光の強度は回折次数 1 と -1 に集中します。これらの波はレチクルの位相格子で再び出会い、そこで再び回折して干渉します。これにより、走査レチクルから異なる角度で離れる 3 つの波が生成されます。次に、太陽電池が交流の光強度を電気信号出力に変換します。

干渉走査では、レチクルとスケール間の相対運動によって回折波面に位相シフトが生じます。格子が 1 周期移動すると、1 次の波面は正の方向に 1 波長移動し、回折次数 -1 の波長は負の方向に 1 波長移動します。2 つの波は回折格子を出るときに互いに干渉するため、(回折格子 1 周期だけの移動で 2 つの信号周期の間) 2 波長だけ互いに対してシフトします。

2 つのエンコーダ スキャン バリエーション

一部のリニア エンコーダは絶対測定を行うため、機械の電源が入っているときは常に位置値を利用でき、電子機器でいつでも位置値を参照できます。軸を基準に移動する必要はありません。スケール目盛りはシリアル絶対値コード構造を持ち、オプションのインクリメンタル信号を同時に生成しながら、別個のインクリメンタル トラックが位置値に対して補間されます。

対照的に、インクリメンタル測定を実行するリニア エンコーダは、周期的な格子を備えた目盛りを使用し、エンコーダは位置を取得するためにある原点からの個々の増分 (測定ステップ) をカウントします。このセットアップでは絶対参照を使用して位置を確認するため、これらのセットアップ用のスケール テープには、リファレンス マーク付きの 2 番目のトラックが付属しています。

基準マークによって確立される絶対スケール位置は、正確に 1 つの信号周期でゲートされます。したがって、読み取りヘッドは絶対基準を確立するか、最後に選択されたデータを見つけるために基準マークを見つけてスキャンする必要があります (これには長いストロークの基準実行が必要になる場合があります)。

リニアエンコーダの反復

リニアエンコーダの統合における課題の 1 つは、デバイスが動作軸で動作するため、機械環境にさらされることです。このため、一部のリニアエンコーダは密閉されています。アルミニウムのハウジングがスケール、走査キャリッジとそのガイドウェイを切り粉、ほこり、液体から保護し、下向きの弾性リップがハウジングを密閉します。ここで、走査キャリッジは低摩擦ガイド上のスケールに沿って移動します。カップリングはスキャニング キャリッジを取り付けブロックに接続し、スケールと機械ガイドウェイの間の位置ずれを補正します。ほとんどの場合、スケールと取り付けブロック間の横方向および軸方向のオフセットは ±0.2 ～ ±0.3 mm まで許容されます。

好例: 工作機械への応用

生産性と精度は無数のアプリケーションにとって最も重要ですが、動作条件の変化により、これらの設計目標が困難になることがよくあります。工作機械を考えてみましょう。部品の製造はますます小さなバッチサイズに移行しているため、セットアップはさまざまな荷重やストロークの下でも精度を維持する必要があります。おそらく最も要求が厳しいのは航空宇宙部品の加工であり、粗加工プロセスでは最大の切削能力が必要とされ、その後の仕上げプロセスでは最大の精度が必要となります。

より具体的には、フライス加工品質の金型には、仕上げ後の素早い材料除去と高い表面品質が必要です。同時に、高速コンタリング送り速度のみが、許容可能な加工時間内で経路間の距離が最小の部品を機械で出力できます。しかし、特に小規模な生産バッチでは、熱的に安定した状態を維持することはほとんど不可能です。それは、穴あけ、荒加工、仕上げ加工の間の変化が工作機械の温度変動に寄与するためです。

さらに、ワークピースの精度は、生産注文を収益性の高いものにするための鍵となります。荒加工では、フライス加工率が 80% 以上に増加します。仕上げでは 10% 未満の値が一般的です。

問題は、加速度と送り速度がますます高くなることで、機械の直線送りドライブのサブコンポーネント、特に回転モーター駆動のボールねじを使用するコンポーネントで発熱が発生することです。したがって、工作機械の熱挙動補正を安定させるには、位置測定が不可欠です。

熱不安定性の問題に対処する方法

アクティブな冷却、対称的な機械構造、温度の測定と補正は、熱による精度の変化に対処するための一般的な方法としてすでに使用されています。さらに別のアプローチは、熱ドリフトの特に一般的なモード、つまり再循環ボールねじを組み込んだ回転モーター駆動の送り軸のモードを補正することです。ここで、ボールねじに沿った温度は、送り速度や移動力によって急速に変化する可能性があります。結果として生じる長さの変化（通常、20 分以内に 100 μm/m）により、ワークピースに重大な傷が発生する可能性があります。ここでの 2 つのオプションは、ボールねじを介してロータリー エンコーダを使用するか、リニア エンコーダを介して数値制御された送り軸を測定することです。

前者はロータリーエンコーダを使用し、送りねじのピッチからスライド位置を決定します。したがって、ドライブは大きな力を伝達し、測定システムのリンクとして機能し、高精度の値を提供し、ねじピッチを確実に再現する必要があります。ただし、位置制御ループはロータリーエンコーダの動作のみを考慮します。摩耗や温度による駆動機構の変化を補償できないため、これは実際には半閉ループ動作になります。ドライブの位置決め誤差は避けられず、ワークの品質を低下させます。

対照的に、リニア エンコーダはスライド位置を測定し、位置制御ループに完全な送り機構を組み込みます (真の閉ループ動作用)。機械の伝達要素の遊びや不正確さは、位置測定の精度には影響しません。したがって、精度はほぼリニアエンコーダの精度と設置にのみ依存します。ここで余談ですが、エンコーダの直接測定により、回転軸の動きの測定も改善できます。従来のセットアップでは、モーターのロータリーエンコーダーに接続する減速機構が使用されていましたが、高精度角度エンコーダーにより、より優れた精度と再現性が実現します。

ボールねじの設計が熱に対処する方法

ボールねじの熱に対処する他の 3 つのアプローチには、それぞれ独自の制限があります。

1. 一部のボールねじは、冷媒循環用の中空コアにより内部加熱 (および周囲の機械部品の加熱) を防ぎます。しかし、これらでも熱膨張があり、わずか 1 K の温度上昇で 10 μm/m の位置誤差が発生します。一般的な冷却システムは温度変化を 1 K 未満に抑えることができないため、これは重要です。

2. エンジニアは、制御装置のボールねじの熱膨張をモデル化することがあります。しかし、温度プロファイルは動作中に測定することが難しく、再循環ボールナットの磨耗、送り速度、切削抵抗、使用するトラバース範囲、その他の要因の影響を受けるため、この方法ではかなりの残留誤差 (最大 50 μm/m) が発生する可能性があります。 。

3. 一部のボールねじには、駆動機構の剛性を高めるために両端に固定ベアリングが付いています。しかし、たとえ超高剛性ベアリングであっても、局所的な発熱による膨張を防ぐことはできません。結果として生じる力はかなり大きく、最も剛性の高い軸受構成さえも変形させ、場合によっては機械の形状に構造的な歪みを引き起こすことさえあります。機械的張力もドライブの摩擦挙動を変化させ、機械の輪郭精度を低下させます。さらに、半閉ループ動作では、摩耗や駆動機構の弾性変形によるベアリングの予圧変化の影響を補償できません。