Лінійні енкодери підвищують точність, виправляючи помилки після механічних з'єднань.

Лінійні енкодери відстежують положення осі без проміжних механічних елементів. Енкодери навіть вимірюють похибки передачі від механічних з'єднань (таких як механічні пристрої з обертово-лінійного переміщення), що допомагає елементам керування виправляти помилки, що виникають у машині. Таким чином, цей зворотний зв'язок дозволяє елементам керування враховувати всі механічні механізми в контурах керування положенням.

Як працює фотоелектричне сканування в енкодерах

Багато прецизійних лінійних енкодерів працюють за принципом оптичного або фотоелектричного сканування. Коротше кажучи, зчитувальна головка відстежує періодичні поділки шириною лише кілька мікрометрів і видає сигнали з малими періодами сигналу. Вимірювальним стандартом зазвичай є скло або (для великих вимірювальних довжин) сталь з періодичними поділками — мітками на несучій підкладці. Це безконтактний режим відстеження положення.

Використовувані з інкрементними періодами решітки від 4 до 40 мкм, лінійні енкодери сканування зображень з PRC (абсолютним) кодом працюють з генерацією світлового сигналу. Дві решітки (на шкалі та скануючій сітці) рухаються відносно одна одної. Матеріал скануючої сітки прозорий, але матеріал шкали може бути прозорим або відбиваючим. Коли вони проходять одна повз одну, падаюче світло модулюється. Якщо проміжки в решітках вирівнюються, світло проходить крізь них. Якщо лінії однієї решітки збігаються з проміжками іншої, вона блокує світло. Фотоелектричні елементи перетворюють зміни інтенсивності світла на електричні сигнали синусоїдальної форми.

Іншим варіантом для градуювання з періодами решітки 8 мкм і менше є інтерференційне сканування. Цей режим роботи лінійного кодера використовує дифракцію та інтерференцію світла. Ступінчаста решітка служить вимірювальним стандартом, укомплектована лініями висотою 0,2 мкм на відбивній поверхні. Перед нею знаходиться скануюча сітка — прозора решітка з періодом, що відповідає періоду шкали. Коли світлова хвиля проходить через сітку, вона дифрагує на три часткові хвилі з -1, 0 та 1 порядком приблизно однакової інтенсивності. Шкала дифрагує хвилі, таким чином інтенсивність світла концентрується в дифракційних порядках 1 та -1. Ці хвилі знову зустрічаються на фазовій решітці сітки, де вони знову дифрагують та інтерферують. Це утворює три хвилі, які залишають скануючу сітку під різними кутами. Потім фотоелектричні елементи перетворюють змінну інтенсивність світла на вихідний електричний сигнал.

Під час інтерференційного сканування відносний рух між сіткою та шкалою призводить до фазового зсуву дифракційних хвильових фронтів. Коли дифракційна решітка рухається на один період, хвильовий фронт першого порядку рухається на одну довжину хвилі в позитивному напрямку, а довжина хвилі дифракційного порядку -1 рухається на одну довжину хвилі в негативному. Дві хвилі інтерферують одна з одною при виході з решітки, тому зміщуються одна відносно одної на дві довжини хвилі (для двох періодів сигналу від зсуву лише на один період решітки).

Два варіанти сканування енкодера

Деякі лінійні енкодери виконують абсолютні вимірювання, тому значення позиції завжди доступне, коли машина увімкнена, і електроніка може звертатися до нього в будь-який час. Немає потреби переміщувати осі до опорної точки. Градація шкали має послідовну структуру абсолютного коду, а окрема інкрементальна доріжка інтерполюється для значення позиції, одночасно генеруючи додатковий інкрементальний сигнал.

На відміну від цього, лінійні енкодери, що працюють за принципом інкрементального вимірювання, використовують градуювання з періодичною решіткою, і енкодери відраховують окремі прирости (кроки вимірювання) від деякого початку координат, щоб отримати позицію. Оскільки ця система використовує абсолютну відліковку для визначення позицій, масштабні стрічки для цих систем постачаються з другою доріжкою з опорною міткою.

Абсолютне положення шкали, встановлене опорною міткою, синхронізується рівно з одним періодом сигналу. Тому зчитувальна головка повинна знайти та просканувати опорну мітку, щоб встановити абсолютну опорну точку або знайти останню вибрану точку приведення (що іноді вимагає довгого ходу опорних точок).

Ітерації лінійного енкодера

Одна з проблем інтеграції лінійних енкодерів полягає в тому, що пристрої працюють безпосередньо на осі руху, тому піддаються впливу машинного середовища. З цієї причини деякі лінійні енкодери герметичні. Алюмінієвий корпус захищає шкалу, сканувальну каретку та її напрямну від стружки, пилу та рідин, а спрямовані вниз еластичні кромки герметизують корпус. Тут сканувальна каретка рухається вздовж шкали на напрямній з низьким тертям. Муфта з'єднує сканувальну каретку з монтажним блоком і компенсує неспіввісність між шкалою та напрямними машини. У більшості випадків допустимі бічні та осьові зміщення від ±0,2 до ±0,3 мм між шкалою та монтажним блоком.

Приклад: застосування у верстатах

Продуктивність і точність мають першорядне значення для безлічі застосувань, але зміна умов експлуатації часто ускладнює досягнення цих проектних цілей. Розглянемо верстати. Виробництво деталей перейшло на все менші партії, тому установки повинні підтримувати точність за різних навантажень і ходів. Мабуть, найбільш вимогливою є обробка аерокосмічних деталей, яка потребує максимальної ріжучої здатності для чорнових процесів, а потім максимальної точності для подальших процесів чистової обробки.

Точніше, фрезерування високоякісних форм вимагає швидкого видалення матеріалу та високої якості поверхні після чистової обробки. Водночас, лише високі швидкості контурної подачі дозволяють верстатам виготовляти деталі з мінімальними відстанями між траєкторіями в межах прийнятного часу обробки. Але особливо при невеликих виробничих партіях практично неможливо підтримувати термічно стабільні умови. Це пояснюється тим, що зміни між операціями свердління, чорнової та чистової обробки сприяють коливанням температури верстатів.

Більше того, точність заготовки є ключовим фактором для прибутковості виробничих замовлень. Під час чорнової обробки швидкість фрезерування зростає до 80% або вище; значення нижче 10% є звичайним явищем для чистової обробки.

Проблема полягає в тому, що дедалі вищі прискорення та швидкості подачі призводять до нагрівання підкомпонентів лінійних приводів подачі верстатів, особливо тих, що використовують кулькові гвинтові передачі з роторним двигуном. Тому тут вимірювання положення є важливим для стабілізації коригувань верстата на теплову поведінку.

Способи вирішення проблем термічної нестабільності

Активне охолодження, симетричні структури машин, а також вимірювання та корекція температури вже є поширеними способами вирішення проблем, пов'язаних зі змінами точності, викликаними теплом. Ще один підхід полягає в корекції особливо поширеного режиму теплового дрейфу — осей подачі з роторним двигуном, що включають рециркулюючі кулькові гвинтові передачі. Тут температура вздовж кульового гвинта може швидко змінюватися залежно від швидкості подачі та рухомих сил. Результуючі зміни довжини (зазвичай 100 мкм/м протягом 20 хвилин) можуть спричинити значні дефекти заготовки. Два варіанти тут — вимірювати числово керовану вісь подачі через кульовий гвинт за допомогою обертового енкодера або за допомогою лінійного енкодера.

У попередній схемі для визначення положення ковзання за кроком гвинта подачі використовується обертовий енкодер. Отже, привід повинен передавати великі зусилля та діяти як сполучна ланка у вимірювальній системі, забезпечуючи високоточні значення та надійно відтворюючи крок гвинта. Але контур керування положенням враховує лише поведінку обертового енкодера. Оскільки він не може компенсувати зміни в механіці приводу через знос або температуру, це фактично робота з напівзамкнутим циклом. Помилки позиціонування приводу стають неминучими та погіршують якість заготовки.

На відміну від цього, лінійний енкодер вимірює положення ковзання та включає повну механіку подачі в контур керування положенням (для справді замкнутого циклу роботи). Люфт і неточності в передавальних елементах машини не впливають на точність вимірювання положення. Отже, точність залежить майже виключно від точності та встановлення лінійного енкодера. Одне зауваження: пряме вимірювання енкодера також може покращити вимірювання руху обертової осі. Традиційні установки використовують механізми зниження швидкості, які підключаються до обертового енкодера на двигуні, але високоточні кутові енкодери забезпечують кращу точність і відтворюваність.

Способи, якими конструкція кулькових гвинтів вирішує проблему нагрівання

Три інші підходи до вирішення проблеми нагрівання кульових гвинтів мають свої обмеження.

1. Деякі кулькові гвинтові передачі запобігають внутрішньому нагріванню (і нагріванню навколишніх деталей машини) завдяки порожнистим осердям для циркуляції охолоджувальної рідини. Але навіть вони демонструють теплове розширення, і підвищення температури лише на 1 K призводить до похибок позиціонування до 10 мкм/м. Це важливо, оскільки звичайні системи охолодження не можуть витримувати коливання температури менше 1 K.

2. Іноді інженери моделюють теплове розширення кульового гвинта в елементах керування. Але оскільки температурний профіль важко виміряти під час роботи і на нього впливають знос рециркулюючої кулькової гайки, швидкість подачі, сили різання, використовуваний діапазон переміщення та інші фактори, цей метод може спричинити значні залишкові похибки (до 50 мкм/м).

3. Деякі кулькові гвинтові передачі мають фіксовані підшипники на обох кінцях для підвищення жорсткості механіки приводу. Але навіть наджорсткі підшипники не можуть запобігти розширенню від локального виділення тепла. Результуючі сили є значними та деформують навіть найжорсткіші конфігурації підшипників, іноді навіть спричиняючи структурні спотворення геометрії машини. Механічне натягнення також змінює тертя приводу, знижуючи точність контурування машини. Більше того, робота в напівзамкненому циклі не може компенсувати вплив змін попереднього натягу підшипника через знос або пружну деформацію механіки приводу.