Doğrusal kodlayıcılar, mekanik bağlantıların sonrasındaki hataları düzelterek doğruluğu artırır.

Doğrusal kodlayıcılar, eksen konumunu ara mekanik elemanlar olmadan izler. Kodlayıcılar, mekanik bağlantılardan (döner-doğrusal mekanik cihazlar gibi) kaynaklanan aktarım hatalarını bile ölçer ve bu da kontrollerin makineden kaynaklanan hataları düzeltmesine yardımcı olur. Böylece, bu geri bildirim, kontrollerin konum kontrol döngülerindeki tüm mekanikleri hesaba katmasını sağlar.

Fotoelektrik tarama kodlayıcılarda nasıl çalışır?

Birçok hassas doğrusal kodlayıcı, optik veya fotoelektrik tarama ile çalışır. Kısacası, bir okuma kafası yalnızca birkaç mikrometre genişliğinde periyodik derecelendirmeleri izler ve küçük sinyal periyotlarıyla sinyaller üretir. Ölçüm standardı genellikle cam veya (uzun ölçüm uzunlukları için) taşıyıcı alt tabaka üzerinde periyodik derecelendirmeler (işaretler) taşıyan çeliktir. Bu, temassız bir konum izleme modudur.

4 ila 40 μm arasında artımlı ızgara periyotlarıyla kullanılan PRC (mutlak) kodlu görüntü taramalı doğrusal kodlayıcılar, ışık sinyali üretimiyle çalışır. İki ızgara (ölçek ve tarama retikülünde) birbirine göre hareket eder. Tarama retikülünün malzemesi şeffaftır, ancak ölçeğin malzemesi şeffaf veya yansıtıcı olabilir. İki ızgara 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 formda 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 tamamlanan bir basamaklı ızgara, ölçüm standardı görevi görür. Bunun önünde, periyodu ölçeğin periyoduyla eşleşen şeffaf bir ızgara olan tarama retikülü bulunur. Bir ışık dalgası retikülden geçtiğinde, yaklaşık olarak eşit yoğunlukta -1, 0 ve 1 mertebelerinde üç kısmi dalgaya kırınım yapar. Ölçek dalgaları kırınıma uğratır, böylece ışık yoğunluğu 1 ve -1 kırınım mertebelerinde yoğunlaşır. Bu dalgalar, retikülün faz ızgarasında tekrar buluşur ve burada bir kez daha kırınım yaparak girişim yaparlar. Bu, tarama retikülünü farklı açılarda terk eden üç dalga oluşturur. Fotovoltaik hücreler daha sonra alternatif ışık yoğunluğunu elektrik sinyali çıkışına dönüştürür.

Girişimsel taramada, retikül ve ölçek arasındaki bağıl hareket, kırınımlı dalga cephelerinin faz kaymasına neden olur. Kırınım ızgarası bir periyot hareket ettiğinde, birinci dereceden dalga cephesi pozitif yönde bir dalga boyu, -1 kırınım mertebesindeki dalga cephesi ise 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 kodlayıcılar mutlak ölçümler yapar, böylece makine çalışırken konum değeri her zaman kullanılabilir ve elektronik cihazlar herhangi bir zamanda bu değere başvurabilir. Eksenleri bir referansa taşımaya gerek yoktur. Ölçek derecelendirmesi seri bir mutlak kod yapısına sahiptir ve konum değeri için ayrı bir artımlı iz enterpole edilirken, aynı anda isteğe bağlı bir artımlı sinyal üretilir.

Buna karşılık, artımlı ölçümle çalışan doğrusal kodlayıcılar, periyodik ızgaralı derecelendirmeler kullanır ve kodlayıcılar, konumu belirlemek için belirli bir kaynaktan gelen ayrı artışları (ölçüm adımlarını) sayar. Bu kurulum, konumları belirlemek için mutlak bir referans kullandığından, bu kurulumların ölçek bantları, referans işaretli ikinci bir rayla birlikte gelir.

Referans işareti tarafından belirlenen mutlak ölçek konumu, tam olarak bir sinyal periyoduyla sınırlandırılır. Bu nedenle, okuma kafası, mutlak bir referans oluşturmak veya son seçilen veriyi bulmak için (bazen uzun stroklu referans çalışmaları gerektirir) bir referans işaretini bulup taramalıdır.

Doğrusal kodlayıcı yinelemeleri

Doğrusal kodlayıcı entegrasyonundaki zorluklardan biri, cihazların doğrudan hareket ekseninde çalışması ve dolayısıyla makine ortamına maruz kalmasıdır. Bu nedenle bazı doğrusal kodlayıcılar sızdırmazdır. Alüminyum bir muhafaza, teraziyi, tarama taşıyıcısını ve kılavuz yolunu talaş, toz ve sıvılardan korur ve aşağı doğru yönlendirilmiş elastik dudaklar muhafazayı sızdırmaz hale getirir. Burada, tarama taşıyıcısı düşük sürtünmeli bir kılavuz üzerinde terazi boyunca hareket eder. Bir bağlantı, tarama taşıyıcısını montaj bloğuna bağlar ve terazi ile makine kılavuz yolları arasındaki hizalama hatasını telafi eder. Çoğu durumda, terazi ile montaj bloğu arasında ±0,2 ila ±0,3 mm'lik yanal ve eksenel ofsetlere izin verilir.

Örnek olay: Makine-takım uygulaması

Üretkenlik ve doğruluk sayısız uygulama için çok önemlidir, ancak değişen çalışma koşulları genellikle bu tasarım hedeflerini zorlaştırır. Takım tezgahlarını düşünün. Parça üretimi giderek daha küçük parti boyutlarına kaydığından, kurulumların çeşitli yükler ve stroklar altında hassasiyeti koruması gerekir. Belki de en zorlu olanı, kaba işleme işlemleri için maksimum kesme kapasitesi ve ardından son işlem işlemleri için maksimum hassasiyet gerektiren havacılık parçalarının işlenmesidir.

Daha spesifik olarak, frezeleme kalitesindeki kalıplar, hızlı malzeme kaldırma ve finiş sonrası yüksek yüzey kalitesi gerektirir. Aynı zamanda, yalnızca hızlı kontur besleme hızları, makinelerin kabul edilebilir işleme süreleri içinde minimum yol mesafesine sahip parçalar üretmesini sağlar. Ancak özellikle küçük üretim partilerinde, termal olarak kararlı koşulları korumak neredeyse imkansızdır. Bunun nedeni, delme, kaba işleme ve finiş işlemleri arasındaki değişikliklerin, takım tezgahı sıcaklıklarındaki dalgalanmalara katkıda bulunmasıdır.

Dahası, iş parçası hassasiyeti, üretim emirlerini kârlı hale getirmenin anahtarıdır. Kaba işleme operasyonlarında frezeleme oranları %80 veya daha fazlasına yükselir; finiş işlemlerinde ise %10'un altındaki değerler yaygındır.

Sorun, giderek artan ivmelenme ve ilerleme hızlarının, özellikle döner motor tahrikli bilyalı vidalar kullanan makinelerin doğrusal ilerleme tahriklerinin alt bileşenlerinde ısınmaya neden olmasıdır. Bu nedenle, burada konum ölçümü, takım tezgahlarının termal davranış düzeltmelerini dengelemek için olmazsa olmazdır.

Isıl kararsızlık sorunlarını çözmenin yolları

Aktif soğutma, simetrik makine yapıları ve sıcaklık ölçümleri ve düzeltmeleri, termal kaynaklı hassasiyet değişikliklerini ele almanın yaygın yollarıdır. Bir diğer yaklaşım ise, özellikle yaygın bir termal kayma modunu, yani devridaimli bilyalı vidaları içeren döner motor tahrikli besleme eksenlerini düzeltmektir. Burada, bilyalı vida boyunca sıcaklıklar, besleme hızları ve hareket eden kuvvetlerle hızla değişebilir. Uzunlukta ortaya çıkan değişiklikler (genellikle 20 dakika içinde 100 μm/m), önemli iş parçası kusurlarına neden olabilir. Burada iki seçenek, sayısal kontrollü besleme eksenini bilyalı vida üzerinden döner bir kodlayıcı veya doğrusal bir kodlayıcı ile ölçmektir.

Önceki düzenek, kızak konumunu besleme vidası adımından belirlemek için döner bir kodlayıcı kullanır. Dolayısıyla, tahrik ünitesi 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 devre bir işlemdir. Tahrik konumlandırma hataları kaçınılmaz hale gelir ve iş parçası kalitesini düşürür.

Buna karşılık, doğrusal bir kodlayıcı kızak konumunu ölçer ve konum kontrol döngüsüne (gerçekten kapalı devre çalışma için) tüm besleme mekaniğini dahil eder. Makinenin aktarım elemanlarındaki boşluk ve yanlışlıklar, konum ölçümünün doğruluğunu etkilemez. Dolayısıyla, doğruluk neredeyse tamamen doğrusal kodlayıcının hassasiyetine ve kurulumuna bağlıdır. Burada küçük bir not: Doğrudan kodlayıcı ölçümü, döner eksen hareketinin ölçümlerini de iyileştirebilir. Geleneksel kurulumlar, motordaki bir döner kodlayıcıya bağlanan hız azaltma mekanizmaları kullanır, ancak yüksek doğruluklu açı kodlayıcıları daha iyi doğruluk ve tekrarlanabilirlik sağlar.

Bilyalı vida tasarımının ısıyı ele alma yolları

Bilyalı vida ısısını gidermeye yönelik diğer üç yaklaşımın da kendine özgü sınırlamaları vardır.

1. Bazı bilyalı vidalar, soğutma sıvısı sirkülasyonu için içi boş gövdeleriyle iç ısınmayı (ve çevresindeki makine parçalarının ısınmasını) önler. Ancak bunlar bile termal genleşme gösterir ve sadece 1 K'lik bir sıcaklık artışı, 10 μm/m'ye varan konumlandırma hatalarına neden olur. Bu önemlidir çünkü yaygın soğutma sistemleri sıcaklık değişimlerini 1 K'nin altına düşüremez.

2. Mühendisler bazen kontrollerde bilyalı vidanın termal genleşmesini modellerler. Ancak, sıcaklık profilinin çalışma sırasında ölçülmesi zor olduğundan ve dönen bilyalı somunun aşınması, ilerleme hızı, kesme kuvvetleri, kullanılan hareket aralığı ve diğer faktörlerden etkilendiğinden, bu yöntem önemli kalıntı hatalarına (50 μm/m'ye kadar) neden olabilir.

3. Bazı bilyalı vidalar, tahrik mekaniğinin rijitliğini artırmak için her iki uçta sabit rulmanlarla donatılmıştır. Ancak ekstra rijit rulmanlar bile, lokal ısı oluşumundan kaynaklanan genleşmeyi engelleyemez. Ortaya çıkan kuvvetler önemlidir ve en rijit rulman konfigürasyonlarını bile deforme eder; hatta bazen makine geometrisinde yapısal bozulmalara neden olur. Mekanik gerilim ayrıca tahrikin sürtünme davranışını değiştirerek makinenin kontur hassasiyetini düşürür. Dahası, yarı kapalı devre çalışma, aşınma veya elastik tahrik mekaniği deformasyonundan kaynaklanan rulman ön yük değişikliklerinin etkilerini telafi edemez.