Doğrusal kodlayıcılar, mekanik bağlantıların sonrasında oluşan hataları düzelterek doğruluğu artırır.

Doğrusal enkoderler, ara mekanik elemanlar olmadan eksen konumunu izler. Enkoderler, mekanik bağlantılardan (örneğin döner-doğrusal mekanik cihazlar) kaynaklanan aktarım hatalarını bile ölçer; bu da kontrol sistemlerinin makineden kaynaklanan hataları düzeltmesine yardımcı olur. Böylece, bu geri bildirim, kontrol sistemlerinin konum kontrol döngülerindeki tüm mekanik unsurları hesaba katmasını sağlar.

Kodlayıcılarda fotoelektrik tarama nasıl çalışır?

Birçok hassas doğrusal kodlayıcı, optik veya fotoelektrik tarama yöntemiyle çalışır. Kısaca, bir okuma kafası sadece birkaç mikrometre genişliğinde periyodik derecelendirmeleri izler ve küçük sinyal periyotlarına sahip sinyaller üretir. Ölçüm standardı genellikle periyodik derecelendirmeler taşıyan cam veya (büyük ölçüm uzunlukları için) çeliktir; bu derecelendirmeler taşıyıcı alt tabaka üzerinde yer alır. Bu, temassız bir konum izleme yöntemidir.

4 ile 40 μm arasında artımlı ızgara periyotlarıyla kullanılan PRC (mutlak) kodlu görüntü taramalı doğrusal kodlayıcılar, ışık sinyali üretimiyle çalışır. İki ızgara (ölçek ve tarama retikülü üzerinde) birbirine göre hareket eder. Tarama retikülünün malzemesi şeffaftır, ancak ölçeğin malzemesi şeffaf veya yansıtıcı olabilir. İkisi birbirinin yanından geçtiğinde, gelen ışık modüle olur. Izgaralardaki boşluklar hizalanırsa, ışık geçer. Bir ızgaranın çizgileri diğerinin boşluklarıyla çakışırsa, ışığı engeller. Fotovoltaik hücreler, ışık yoğunluğundaki değişimleri sinüzoidal biçimde elektrik sinyallerine dönüştürür.

8 μm ve daha küçük ızgara periyotlarına sahip derecelendirmeler için bir diğer seçenek ise girişimsel taramadır. Bu doğrusal kodlayıcı çalışma modu, kırınım ve ışık girişimini kullanır. Yansıtıcı bir yüzey üzerinde 0,2 μm yüksekliğinde çizgilerle tamamlanmış bir kademeli ızgara, ölçüm standardı görevi görür. Bunun önünde, ölçeğin periyoduyla eşleşen bir periyoda sahip şeffaf bir ızgara olan tarama retikülü bulunur. Bir ışık dalgası retikülden geçtiğinde, yaklaşık olarak eşit yoğunlukta -1, 0 ve 1. mertebelerden üç kısmi dalgaya kırınım yapar. Ölçek, dalgaları kırınım yaparak ışık yoğunluğunun 1 ve -1. kırınım mertebelerinde yoğunlaşmasını sağlar. Bu dalgalar, retikülün faz ızgarasında tekrar buluşarak bir kez daha kırınıma uğrar ve girişim oluşturur. Bu, tarama retikülünden farklı açılarda çıkan üç dalga oluşturur. Fotovoltaik hücreler daha sonra alternatif ışık yoğunluğunu elektrik sinyali çıkışına dönüştürür.

Girişimsel taramada, retikül ve ölçek arasındaki göreceli hareket, kırınım dalga cephelerinin faz kaymasına neden olur. Izgara bir periyot hareket ettiğinde, birinci mertebeden dalga cephesi pozitif yönde bir dalga boyu hareket eder ve -1 kırınım mertebesinden dalga boyu negatif yönde bir dalga boyu hareket eder. İki dalga, ızgaradan çıkarken birbirleriyle girişim yapar, bu nedenle birbirlerine göre iki dalga boyu kadar kayarlar (sadece bir ızgara periyodu hareketinden iki sinyal periyodu için).

İki kodlayıcı tarama varyasyonu

Bazı doğrusal enkoderler mutlak ölçümler yapar, bu nedenle makine açıkken konum değeri her zaman mevcuttur ve elektronik devreler bunu her zaman referans alabilir. Eksenleri bir referansa hareket ettirmeye gerek yoktur. Ölçek derecelendirmesi seri bir mutlak kod yapısına sahiptir ve konum değeri için ayrı bir artımlı iz enterpolasyon edilirken eş zamanlı olarak isteğe bağlı bir artımlı sinyal üretilir.

Buna karşılık, artımlı ölçümle çalışan doğrusal enkoderler, periyodik ızgaralı derecelendirmeler kullanır ve enkoderler, konumu elde etmek için bir başlangıç ​​noktasından itibaren tek tek artımları (ölçüm adımlarını) sayar. Bu düzenek, konumları belirlemek için mutlak bir referans kullandığından, bu düzenekler için kullanılan ölçek bantları, referans işareti bulunan ikinci bir iz ile birlikte gelir.

Referans işaretiyle belirlenen mutlak ölçek konumu, tam olarak bir sinyal periyoduyla kontrol edilir. Bu nedenle okuma kafasının, mutlak bir referans oluşturmak veya en son seçilen veriyi bulmak için bir referans işaretini bulması ve taraması gerekir (bu bazen uzun stroklu referans taramaları gerektirir).

Doğrusal kodlayıcı yinelemeleri

Doğrusal enkoder entegrasyonundaki zorluklardan biri, cihazların hareket ekseninde doğrudan çalışması ve dolayısıyla makine ortamına maruz kalmasıdır. Bu nedenle, bazı doğrusal enkoderler sızdırmaz hale getirilmiştir. Alüminyum bir gövde, ölçeği, tarama kızağını ve kılavuz yolunu talaşlardan, tozdan ve sıvılardan korur ve aşağı doğru yönlendirilmiş elastik dudaklar gövdeyi sızdırmaz hale getirir. Burada, tarama kızağı düşük sürtünmeli bir kılavuz üzerinde ölçek boyunca hareket eder. Bir kaplin, tarama kızağını montaj bloğuna bağlar ve ölçek ile makine kılavuz yolları arasındaki hizalama hatasını telafi eder. Çoğu durumda, ölçek ve montaj bloğu arasında ±0,2 ila ±0,3 mm'lik yanal ve eksenel sapmalara izin verilir.

Örnek olarak: Takım tezgahı uygulaması

Verimlilik ve doğruluk, sayısız uygulama için son derece önemlidir, ancak değişen çalışma koşulları genellikle bu tasarım hedeflerini zorlaştırır. Takım tezgahlarını ele alalım. Parça üretimi giderek daha küçük parti boyutlarına kaymıştır, bu nedenle kurulumların çeşitli yükler ve stroklar altında doğruluğu koruması gerekir. Belki de en zorlu olanı, kaba işleme süreçleri için maksimum kesme kapasitesine ve ardından sonraki son işleme süreçleri için maksimum hassasiyete ihtiyaç duyan havacılık parçalarının işlenmesidir.

Daha spesifik olarak, frezeleme kalitesinde kalıplar üretmek için hızlı malzeme kaldırma ve son işlemden sonra yüksek yüzey kalitesi gereklidir. Aynı zamanda, yalnızca hızlı konturlama ilerleme hızları, makinelerin kabul edilebilir işleme süreleri içinde yollar arasındaki minimum mesafelerle parça üretmesine olanak tanır. Ancak özellikle küçük üretim partilerinde, termal olarak kararlı koşulları korumak neredeyse imkansızdır. Bunun nedeni, delme, kaba işleme ve son işleme işlemleri arasındaki değişikliklerin takım tezgahı sıcaklıklarında dalgalanmalara katkıda bulunmasıdır.

Dahası, iş parçasının hassasiyeti, üretim siparişlerinin karlı olması için çok önemlidir. Kaba işleme işlemlerinde frezeleme oranları %80 veya daha yüksek seviyelere çıkarken, ince işlemede %10'un altındaki değerler yaygındır.

Sorun şu ki, giderek artan ivmeler ve ilerleme hızları, özellikle döner motor tahrikli bilyalı vidalar kullanan makinelerin doğrusal ilerleme tahrik sistemlerinin alt bileşenlerinde ısınmaya neden oluyor. Bu nedenle, burada, termal davranış için takım tezgahı düzeltmelerini stabilize etmek için konum ölçümü şarttır.

Termal kararsızlık sorunlarını ele almanın yolları

Aktif soğutma, simetrik makine yapıları ve sıcaklık ölçümleri ve düzeltmeleri, termal kaynaklı doğruluk değişikliklerini ele almanın zaten yaygın yollarıdır. Bir diğer yaklaşım ise, özellikle yaygın bir termal kayma modunu düzeltmektir; bu da, devridaim bilyalı vidaları içeren döner motor tahrikli besleme eksenleridir. Burada, bilyalı vida boyunca sıcaklıklar, besleme hızları ve hareket kuvvetleriyle hızla değişebilir. Ortaya çıkan uzunluk değişiklikleri (tipik olarak 20 dakika içinde 100 μm/m), iş parçasında önemli kusurlara neden olabilir. Burada iki seçenek vardır: sayısal olarak kontrol edilen besleme eksenini bilyalı vida üzerinden döner bir kodlayıcı veya doğrusal bir kodlayıcı ile ölçmek.

Önceki düzenek, besleme vidasının adımından kızak konumunu belirlemek için döner bir kodlayıcı kullanır. Bu nedenle, tahrik mekanizması büyük kuvvetleri aktarmalı ve ölçüm sisteminde bir bağlantı görevi görerek son derece hassas değerler sağlamalı ve vida adımını güvenilir bir şekilde yeniden üretmelidir. Ancak konum kontrol döngüsü yalnızca döner kodlayıcının davranışını hesaba katar. Aşınma veya sıcaklık nedeniyle tahrik mekaniğindeki değişiklikleri telafi edemediği için, bu aslında yarı kapalı döngü bir çalışmadır. Tahrik konumlandırma hataları kaçınılmaz hale gelir ve iş parçasının kalitesini düşürür.

Buna karşılık, doğrusal bir enkoder kızak konumunu ölçer ve konum kontrol döngüsünde (gerçekten kapalı döngü çalışma için) eksiksiz besleme mekaniğini içerir. Makinenin transfer elemanlarındaki boşluk ve hassasiyetsizlikler, konum ölçüm doğruluğunu etkilemez. Bu nedenle, doğruluk neredeyse tamamen doğrusal enkoderin hassasiyetine ve kurulumuna bağlıdır. Burada bir dipnot: Doğrudan enkoder ölçümü, döner eksen hareketinin ölçümlerini de iyileştirebilir. Geleneksel kurulumlar, motordaki bir döner enkodere bağlanan hız azaltma mekanizmalarını kullanır, ancak yüksek hassasiyetli açı enkoderleri daha iyi doğruluk ve tekrarlanabilirlik sağlar.

Bilyalı vida tasarımının ısı sorununu ele alma yöntemleri

Bilyalı vidanın ısınması sorununu çözmeye yönelik diğer üç yaklaşımın da kendi sınırlamaları vardır.

1. Bazı bilyalı vidalar, soğutma sıvısı sirkülasyonu için içi boş çekirdekler kullanarak iç ısınmayı (ve çevredeki makine parçalarının ısınmasını) önler. Ancak bunlar bile termal genleşme gösterir ve sadece 1 K'lik bir sıcaklık artışı, 10 μm/m'ye kadar konumlandırma hatalarına neden olur. Bu önemlidir çünkü yaygın soğutma sistemleri sıcaklık değişimlerini 1 K'den daha düşük seviyede tutamaz.

2. Bazen mühendisler, bilyalı vidanın termal genleşmesini kontrol sistemlerinde modellemektedir. Ancak çalışma sırasında sıcaklık profilini ölçmek zor olduğundan ve devirdaim bilyalı somunun aşınması, ilerleme hızı, kesme kuvvetleri, kullanılan hareket aralığı ve diğer faktörlerden etkilendiğinden, bu yöntem önemli ölçüde artık hatalara (50 μm/m'ye kadar) neden olabilir.

3. Bazı bilyalı vidalarda, tahrik mekaniğinin rijitliğini artırmak için her iki uçta da sabit yataklar bulunur. Ancak ekstra rijit yataklar bile yerel ısı oluşumundan kaynaklanan genleşmeyi önleyemez. Ortaya çıkan kuvvetler oldukça büyüktür ve en rijit yatak konfigürasyonlarını bile deforme eder; bazen makine geometrisinde yapısal bozulmalara bile neden olur. Mekanik gerilim ayrıca tahrikin sürtünme davranışını değiştirerek makinenin konturlama doğruluğunu düşürür. Dahası, yarı kapalı devre çalışma, aşınma veya elastik tahrik mekaniği deformasyonundan kaynaklanan yatak ön yükleme değişikliklerinin etkilerini telafi edemez.