Линейные энкодеры повышают точность за счет исправления ошибок на выходе из механических связей.

Линейные энкодеры отслеживают положение осей без промежуточных механических элементов. Они даже измеряют ошибки передачи от механических соединений (например, преобразователей вращательного движения в линейное), что помогает системам управления корректировать ошибки, возникающие в машине. Таким образом, эта обратная связь позволяет системам управления учитывать все механические процессы в контурах управления положением.

Как работает фотоэлектрическое сканирование в энкодерах

Многие прецизионные линейные энкодеры работают по принципу оптического или фотоэлектрического сканирования. Считывающая головка отслеживает периодические градуировки шириной всего несколько микрометров и выдаёт сигналы с малыми периодами. В качестве измерительного стандарта обычно используется стекло или (для больших длин измерения) сталь с периодическими градуировками — метками на подложке-носителе. Это бесконтактный метод отслеживания положения.

Линейные энкодеры с PRC-кодом (абсолютным) и сканирующим изображением, используемые с инкрементальными решётками с периодом от 4 до 40 мкм, работают с генерацией светового сигнала. Две решётки (на шкале и сканирующей сетке) движутся относительно друг друга. Материал сканирующей сетки прозрачен, но материал шкалы может быть как прозрачным, так и отражающим. При их соприкосновении падающий свет модулируется. Если зазоры в решётках совпадают, свет проходит. Если штрихи одной решётки совпадают с зазорами другой, она блокирует свет. Фотоэлектрические элементы преобразуют изменения интенсивности света в электрические сигналы синусоидальной формы.

Другим вариантом для градуировки с периодом решетки 8 мкм и меньше является интерференционное сканирование. Этот режим работы линейного энкодера использует дифракцию и интерференцию света. Ступенчатая решетка служит измерительным стандартом, полным линий 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 парциальные волны с -1, 0 и 1 порядками примерно равной интенсивности. Шкала дифрагирует волны, поэтому интенсивность света концентрируется в дифракционных порядках 1 и -1. Эти волны снова встречаются на фазовой решетке сетки, где они еще раз дифрагируют и интерферируют. Это создает три волны, которые покидают сканирующую сетку под разными углами. Затем фотоэлектрические элементы преобразуют переменную интенсивность света в выходной электрический сигнал.

При интерференционном сканировании относительное движение сетки и шкалы приводит к фазовому сдвигу фронтов дифрагированных волн. При перемещении решетки на один период волновой фронт первого порядка смещается на одну длину волны в положительном направлении, а волна дифракционного порядка -1 смещается на одну длину волны в отрицательном направлении. Выходя из решетки, две волны интерферируют, смещаясь друг относительно друга на две длины волны (что составляет два периода сигнала при перемещении всего на один период решетки).

Два варианта сканирования энкодера

Некоторые линейные энкодеры выполняют абсолютные измерения, поэтому значение положения всегда доступно при включенном станке, и электроника может обратиться к нему в любой момент. Нет необходимости перемещать оси к точке отсчёта. Градуировка шкалы имеет последовательную структуру абсолютного кода, а для значения положения интерполируется отдельная инкрементальная дорожка с одновременной генерацией дополнительного инкрементального сигнала.

В отличие от них, линейные энкодеры, работающие по принципу инкрементального измерения, используют градуировку с периодической решёткой, и энкодеры отсчитывают отдельные приращения (шаги измерения) от некоторого начала отсчёта для определения положения. Поскольку в этой системе используется абсолютная система отсчёта для определения положения, шкалы для этих систем имеют вторую дорожку с реперной меткой.

Абсолютное положение шкалы, установленное по реперной метке, регистрируется ровно за один период сигнала. Поэтому считывающая головка должна обнаружить и просканировать реперную метку, чтобы установить абсолютную точку отсчёта или найти последнюю выбранную точку отсчёта (что иногда требует длинных реперных ходов).

Итерации линейного энкодера

Одна из сложностей интеграции линейных энкодеров заключается в том, что устройства работают непосредственно на оси движения, подвергаясь воздействию окружающей среды станка. По этой причине некоторые линейные энкодеры герметичны. Алюминиевый корпус защищает шкалу, сканирующую каретку и её направляющие от стружки, пыли и жидкостей, а эластичные кромки, направленные вниз, герметизируют корпус. 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 допустимы боковые и осевые смещения шкалы и монтажного блока от ±0,2 до ±0,3 мм.

Показательный пример: применение станков

Производительность и точность имеют первостепенное значение для множества применений, но меняющиеся условия эксплуатации часто усложняют достижение этих проектных целей. Рассмотрим станки. Производство деталей перешло на всё более мелкосерийное, поэтому установки должны обеспечивать точность при различных нагрузках и ходах. Пожалуй, наиболее сложной является обработка деталей для аэрокосмической промышленности, требующая максимальной производительности резания при черновой обработке и максимальной точности при последующей чистовой обработке.

В частности, для изготовления пресс-форм, предназначенных для фрезерования, требуется быстрое удаление материала и высокое качество поверхности после финишной обработки. В то же время только высокие скорости контурной подачи позволяют станкам выдавать детали с минимальными межканальными расстояниями в пределах приемлемого времени обработки. Однако, особенно при небольших партиях производства, практически невозможно поддерживать термостабильные условия. Это связано с тем, что переход между операциями сверления, черновой и чистовой обработки приводит к колебаниям температуры станка.

Более того, точность обработки деталей играет ключевую роль в обеспечении рентабельности производственных заказов. При черновой обработке производительность фрезерования возрастает до 80% и выше; при чистовой обработке показатели обычно 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 шарико-винтовые передачи с приводом от вращающегося двигателя. Поэтому измерение положения имеет решающее значение для стабилизации коррекции теплового режима станка.

Способы решения проблем термической нестабильности

Активное охлаждение, симметричные конструкции станков, а также измерение и корректировка температуры уже являются распространёнными способами решения проблемы температурно-индуцированных изменений точности. Другой подход заключается в коррекции особенно распространённого вида теплового дрейфа — дрейфа осей подачи с приводом от вращающегося двигателя, включающих рециркуляционные шарико-винтовые передачи. В этом случае температура вдоль шарико-винтовой передачи может быстро меняться в зависимости от скорости подачи и движущих сил. Результирующие изменения длины (обычно 100 мкм/м в течение 20 минут) могут привести к значительным дефектам детали. Два варианта здесь — измерение оси подачи с числовым программным управлением через шарико-винтовую передачу с помощью вращающегося энкодера или линейного энкодера.

В первой системе используется поворотный энкодер для определения положения суппорта по шагу подающего винта. Таким образом, привод должен передавать большие усилия и служить связующим звеном измерительной системы, обеспечивая высокоточные измерения и надёжное воспроизведение шага винта. Однако контур управления положением учитывает только поведение поворотного энкодера. Поскольку он не может компенсировать изменения в механике привода, вызванные износом или температурой, это фактически полузамкнутый контур управления. Ошибки позиционирования привода становятся неизбежными и ухудшают качество заготовки.

В отличие от этого, линейный энкодер измеряет положение ползуна и включает в контур управления положением всю механику подачи (для обеспечения по-настоящему замкнутого контура). Люфт и неточности передаточных элементов станка не влияют на точность измерения положения. Таким образом, точность зависит практически исключительно от точности и установки линейного энкодера. Важно отметить: прямое измерение с помощью энкодера также может улучшить измерения движения по оси вращения. В традиционных системах используются механизмы снижения скорости, подключаемые к поворотному энкодеру на двигателе, но высокоточные угловые энкодеры обеспечивают более высокую точность и воспроизводимость.

Способы, которыми конструкция шарико-винтовой передачи решает проблему нагрева

Три других подхода к решению проблемы нагрева шарико-винтовых передач имеют свои ограничения.

1. Некоторые шарико-винтовые передачи предотвращают внутренний нагрев (и нагрев окружающих деталей машины) благодаря полым сердечникам 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 важно, поскольку обычные системы охлаждения не способны выдерживать колебания температуры менее 1 К.

2. Иногда инженеры моделируют тепловое расширение шарико-винтовой пары в системах управления. Однако, поскольку температурный профиль сложно измерить во время работы и он зависит от износа гайки с рециркуляцией шариков, скорости подачи, сил резания, используемого диапазона перемещения и других факторов, этот метод может приводить к значительным остаточным погрешностям (до 50 мкм/м).

3. Некоторые шарико-винтовые передачи оснащены неподвижными подшипниками на обоих концах для повышения жёсткости приводной механики. Но даже сверхжёсткие подшипники не могут предотвратить расширение, вызванное локальным тепловыделением. Результирующие силы значительны и деформируют даже самые жёсткие подшипниковые конфигурации, иногда вызывая структурные искажения геометрии машины. Механическое натяжение также изменяет фрикционные характеристики привода, снижая точность контурирования машины. Более того, работа в полузамкнутом контуре не позволяет компенсировать влияние изменений предварительного натяга подшипников, вызванных износом или упругой деформацией приводной механики.