Линейные энкодеры повышают точность, исправляя ошибки, возникающие после механических соединений.

Линейные энкодеры отслеживают положение осей без промежуточных механических элементов. Энкодеры даже измеряют ошибки передачи от механических звеньев (таких как устройства преобразования вращательного движения в линейное), что помогает системам управления корректировать ошибки, возникающие в самой машине. Таким образом, эта обратная связь позволяет системам управления учитывать все механические факторы в контурах управления положением.

Как работает фотоэлектрическое сканирование в энкодерах

Многие прецизионные линейные энкодеры работают за счет оптического или фотоэлектрического сканирования. Проще говоря, считывающая головка отслеживает периодические деления шириной всего в несколько микрометров и выдает сигналы с малыми периодами. В качестве измерительного эталона обычно используется стекло или (для больших длин измерения) сталь с периодическими делениями — метками на подложке. Это бесконтактный способ отслеживания положения.

Линейные энкодеры с абсолютным кодом (PRC), используемые с шагом периодов решетки от 4 до 40 мкм, работают на основе генерации светового сигнала. Две решетки (на шкале и сканирующей сетке) перемещаются относительно друг друга. Материал сканирующей сетки прозрачен, а материал шкалы может быть прозрачным или отражающим. Когда они проходят мимо друг друга, падающий свет модулируется. Если зазоры в решетках совпадают, свет проходит сквозь них. Если линии одной решетки совпадают с зазорами другой, она блокирует свет. Фотоэлектрические элементы преобразуют изменения интенсивности света в электрические сигналы синусоидальной формы.

Другой вариант для градуировки с периодами решетки 8 мкм и меньше — интерференционное сканирование. Этот режим работы линейного энкодера использует дифракцию и интерференцию света. В качестве измерительного стандарта используется ступенчатая решетка с линиями высотой 0,2 мкм на отражающей поверхности. Перед ней находится сканирующая сетка — прозрачная решетка с периодом, соответствующим периоду шкалы. Когда световая волна проходит через сетку, она дифрагирует на три частичные волны с порядками -1, 0 и 1 приблизительно одинаковой интенсивности. Шкала дифрагирует волны таким образом, что интенсивность света концентрируется в порядках дифракции 1 и -1. Эти волны снова встречаются на фазовой решетке сетки, где они снова дифрагируют и интерферируют. В результате образуются три волны, которые выходят из сканирующей сетки под разными углами. Затем фотоэлектрические элементы преобразуют переменную интенсивность света в электрический выходной сигнал.

При интерференционном сканировании относительное движение между фотошаблоном и шкалой вызывает фазовый сдвиг дифрагированных волновых фронтов. Когда решетка перемещается на один период, волновой фронт первого порядка смещается на одну длину волны в положительном направлении, а длина волны дифракционного порядка -1 смещается на одну длину волны в отрицательном направлении. Две волны интерферируют друг с другом при выходе из решетки, поэтому смещаются относительно друг друга на две длины волны (для двух периодов сигнала от перемещения всего на один период решетки).

Два варианта сканирования с помощью энкодера

Некоторые линейные энкодеры выполняют абсолютные измерения, поэтому значение положения всегда доступно, когда машина включена, и электроника может в любой момент использовать его в качестве эталона. Нет необходимости перемещать оси к эталону. Шкала имеет последовательную структуру абсолютного кода, и для значения положения интерполируется отдельная инкрементальная дорожка, одновременно генерируя дополнительный инкрементальный сигнал.

В отличие от них, линейные энкодеры, работающие по принципу инкрементального измерения, используют градуировку с периодической решеткой, и энкодеры отсчитывают отдельные приращения (шаги измерения) от некоторой начальной точки для определения положения. Поскольку в этой системе используется абсолютная точка отсчета для определения положения, измерительные ленты для таких систем имеют вторую дорожку с эталонной меткой.

Положение по абсолютной шкале, определяемое эталонной меткой, регулируется ровно одним сигнальным периодом. Поэтому считывающая головка должна найти и просканировать эталонную метку, чтобы установить абсолютную точку отсчета или найти последнюю выбранную точку отсчета (что иногда требует длинных циклов сканирования эталона).

Итерации линейного энкодера

Одна из сложностей интеграции линейных энкодеров заключается в том, что устройства работают непосредственно на оси движения, поэтому они подвержены воздействию окружающей среды станка. По этой причине некоторые линейные энкодеры имеют герметичный корпус. Алюминиевый корпус защищает шкалу, сканирующую каретку и ее направляющую от стружки, пыли и жидкостей, а направленные вниз эластичные кромки герметизируют корпус. В данном случае сканирующая каретка перемещается вдоль шкалы по направляющей с низким коэффициентом трения. Муфта соединяет сканирующую каретку с монтажным блоком и компенсирует несоосность между шкалой и направляющими станка. В большинстве случаев допускаются боковые и осевые смещения ±0,2–±0,3 мм между шкалой и монтажным блоком.

Пример: применение на станках.

Производительность и точность имеют первостепенное значение для множества применений, но изменяющиеся условия эксплуатации часто делают достижение этих проектных целей сложной задачей. Рассмотрим станки. Производство деталей перешло к все более мелким партиям, поэтому настройка должна поддерживать точность при различных нагрузках и ходах. Возможно, наиболее сложной является обработка деталей для аэрокосмической отрасли, которая требует максимальной производительности резания для черновой обработки, а затем максимальной точности для последующих чистовых процессов.

В частности, для фрезерования пресс-форм высокого качества требуется быстрое удаление материала и высокое качество поверхности после чистовой обработки. В то же время, только высокая скорость подачи при контурной обработке позволяет станкам производить детали с минимальным расстоянием между траекториями в приемлемые сроки. Но особенно при мелкосерийном производстве практически невозможно поддерживать термостабильные условия. Это связано с тем, что изменения между операциями сверления, черновой и чистовой обработки приводят к колебаниям температуры станка.

Более того, точность обработки заготовки является ключевым фактором рентабельности производственных заказов. В ходе черновой обработки скорость фрезерования увеличивается до 80% и выше; для чистовой обработки обычно наблюдаются значения ниже 10%.

Проблема заключается в том, что всё более высокие ускорения и скорости подачи вызывают нагрев компонентов линейных приводов подачи станков, особенно тех, которые используют шариковинтовые передачи с вращающимся двигателем. Поэтому в данном случае измерение положения имеет важное значение для стабилизации корректировок станка, учитывающих тепловые характеристики.

Способы решения проблем, связанных с термической нестабильностью.

Активное охлаждение, симметричные конструкции станков, а также измерения и коррекция температуры уже являются распространенными способами решения проблемы изменений точности, вызванных тепловыми воздействиями. Еще один подход заключается в коррекции особенно распространенного вида теплового дрейфа — дрейфа осей подачи с вращающимся двигателем и шариковыми винтами с рециркуляцией шариков. В этом случае температура вдоль шарикового винта может быстро изменяться в зависимости от скорости подачи и движущихся сил. Результирующие изменения длины (обычно 100 мкм/м в течение 20 минут) могут привести к значительным дефектам заготовки. В этом случае есть два варианта: измерение оси подачи с числовым программным управлением через шариковый винт с помощью поворотного энкодера или линейного энкодера.

В прежней схеме для определения положения ползуна по шагу подающего винта используется поворотный энкодер. Таким образом, привод должен передавать большие усилия и выступать в качестве звена в измерительной системе, обеспечивая высокоточные значения и надежно воспроизводя шаг винта. Однако контур управления положением учитывает только поведение поворотного энкодера. Поскольку он не может компенсировать изменения в механике привода из-за износа или температуры, это фактически работа в полузамкнутом контуре. Ошибки позиционирования привода становятся неизбежными и ухудшают качество обрабатываемой детали.

В отличие от этого, линейный энкодер измеряет положение направляющей и включает в контур управления положением полную механику подачи (для действительно замкнутого контура). Люфт и неточности в элементах передачи станка не влияют на точность измерения положения. Таким образом, точность зависит почти исключительно от точности и установки линейного энкодера. Следует отметить: прямое измерение с помощью энкодера также может улучшить измерения движения вращающейся оси. В традиционных системах используются механизмы понижения скорости, которые соединяются с поворотным энкодером на двигателе, но высокоточные угловые энкодеры обеспечивают лучшую точность и воспроизводимость.

Способы, которыми конструкция шариковинтовой передачи решает проблему тепловыделения.

Три других подхода к решению проблемы нагрева шариковинтовой передачи также имеют свои ограничения.

1. В некоторых шариковых винтах внутренний нагрев (и нагрев окружающих деталей машины) предотвращается за счет полых сердечников для циркуляции охлаждающей жидкости. Но даже они подвержены тепловому расширению, и повышение температуры всего на 1 К приводит к погрешностям позиционирования до 10 мкм/м. Это существенно, поскольку обычные системы охлаждения не могут выдерживать колебания температуры менее чем на 1 К.

2. Иногда инженеры моделируют тепловое расширение шариковинтовой передачи в системах управления. Однако, поскольку температурный профиль трудно измерить во время работы, и на него влияют износ гайки с шариками рециркуляции, скорость подачи, силы резания, используемый диапазон перемещения и другие факторы, этот метод может вызывать значительные остаточные ошибки (до 50 мкм/м).

3. Некоторые шариковинтовые передачи оснащаются неподвижными подшипниками на обоих концах для повышения жесткости приводной механики. Но даже особо жесткие подшипники не могут предотвратить расширение, вызванное локальным нагревом. Возникающие силы значительны и деформируют даже самые жесткие подшипниковые конструкции, иногда даже вызывая структурные искажения геометрии машины. Механическое натяжение также изменяет характер трения привода, ухудшая точность контурной обработки машины. Более того, работа в полузамкнутом контуре не может компенсировать влияние изменений предварительной нагрузки подшипников из-за износа или упругой деформации приводной механики.