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#Tendenze
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Gli encoder lineari migliorano la precisione
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Gli encoder lineari aumentano la precisione correggendo gli errori a valle dei collegamenti meccanici.
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Gli encoder lineari seguono la posizione dell'asse senza elementi meccanici intermedi. Gli encoder misurano anche gli errori di trasferimento dai collegamenti meccanici (come i dispositivi meccanici rotanti e lineari), il che aiuta i controlli a correggere gli errori provenienti dalla macchina. Così, questo feedback permette ai controlli di tenere conto di tutti i meccanici nei loop di controllo della posizione.
Come funziona la scansione fotoelettrica negli encoder
Molti encoder lineari di precisione funzionano con la scansione ottica o fotoelettrica. In breve, una testina di lettura tiene traccia delle graduazioni periodiche larghe solo pochi micrometri ed emette segnali con piccoli periodi di segnale. Lo standard di misura è di solito di vetro o (per grandi lunghezze di misura) di acciaio che porta le graduazioni periodiche sul substrato portante. È un modo di tracciamento della posizione senza contatto.
Utilizzati con periodi di reticolo incrementale tra 4 e 40 μm, i sistemi di misura lineari a scansione di immagini a codice PRC (assoluto) funzionano con la generazione di segnali luminosi. Due reticoli (sulla riga graduata e sul reticolo di scansione) si muovono l'uno rispetto all'altro. Il materiale del reticolo di scansione è trasparente, ma il materiale della riga graduata può essere trasparente o riflettente. Quando i due passano l'uno sull'altro, la luce incidente modula. Se gli spazi vuoti nei reticoli si allineano, la luce passa attraverso. Se le linee di un reticolo coincidono con gli interstizi dell'altro, la luce viene bloccata. Le celle fotovoltaiche convertono le variazioni di intensità luminosa in segnali elettrici di forma sinusoidale.
Un'altra opzione per le graduazioni con periodi di reticolo di 8 μm e più piccoli è la scansione interferenziale. Questo modo di funzionamento a codifica lineare sfrutta la diffrazione e le interferenze luminose. Un reticolo a gradini funge da standard di misura, completo di linee alte 0,2 μm su una superficie riflettente. Davanti a questo c'è un reticolo di scansione reticolare-trasparente con un periodo che corrisponde a quello della riga. Quando un'onda luminosa passa attraverso il reticolo, si diffonde in tre onde parziali con ordini di -1, 0 e 1 di intensità più o meno uguale. La scala diffrange le onde in modo che l'intensità luminosa si concentri negli ordini di diffrazione 1 e -1. Queste onde si incontrano di nuovo al reticolo di fase del reticolo dove si diffratta ancora una volta e interferisce. In questo modo si formano tre onde che lasciano il reticolo di scansione ad angoli diversi. Le celle fotovoltaiche convertono poi l'intensità della luce alternata in uscita del segnale elettrico.
Nella scansione interferenziale, il movimento relativo tra reticolo e scala fa sì che i fronti d'onda diffratti subiscano uno sfasamento. Quando il reticolo si muove di un periodo, il fronte d'onda del primo ordine si muove di una lunghezza d'onda in direzione positiva, e la lunghezza d'onda dell'ordine di diffrazione -1 si muove di una lunghezza d'onda in direzione negativa. Le due onde interferiscono l'una con l'altra quando escono dal reticolo, quindi si spostano l'una rispetto all'altra di due lunghezze d'onda (per due periodi di segnale da uno spostamento di un solo periodo di reticolo).
Due varianti di scansione dell'encoder
Alcuni sistemi di misura lineari effettuano misure assolute, quindi il valore di posizione è sempre disponibile quando la macchina è accesa, e l'elettronica può farvi riferimento in qualsiasi momento. Non è necessario spostare gli assi su un riferimento. La graduazione della riga graduata ha una struttura di codice assoluto seriale e una traccia incrementale separata viene interpolata per il valore di posizione, generando contemporaneamente un segnale incrementale opzionale.
Al contrario, i sistemi di misura lineari che lavorano su graduazioni di misura incrementali utilizzano graduazioni con reticolo periodico, e i sistemi di misura contano i singoli incrementi (passi di misura) da una certa origine per ottenere la posizione. Poiché questa configurazione utilizza un riferimento assoluto per accertare le posizioni, i nastri di misura per queste configurazioni sono dotati di una seconda traccia con un segno di riferimento.
La posizione assoluta della scala stabilita dalla tacca di riferimento è gated con esattamente un periodo di segnale. Quindi la testina di lettura deve individuare e scansionare un indice di riferimento per stabilire un riferimento assoluto o per trovare l'ultimo dato selezionato (che a volte richiede corse di riferimento a corsa lunga).
Iterazioni lineari dell'encoder
Una sfida nell'integrazione degli encoder lineari è che i dispositivi operano direttamente sull'asse di movimento, quindi sono esposti all'ambiente della macchina. Per questo motivo, alcuni encoder lineari sono sigillati. Un alloggiamento in alluminio protegge la riga, il carrello di scansione e la sua guida da trucioli, polvere e fluidi, e labbri elastici orientati verso il basso sigillano l'alloggiamento. Qui, il carrello di scansione viaggia lungo la riga su una guida a basso attrito. Un giunto collega il carrello di scansione con il blocco di montaggio e compensa il disallineamento tra la riga e le guide della macchina. Nella maggior parte dei casi, sono ammessi spostamenti laterali e assiali da ±0,2 a ±0,3 mm tra la riga e il blocco di montaggio.
Un esempio: Applicazione della macchina utensile
La produttività e la precisione sono fondamentali per una miriade di applicazioni, ma le mutevoli condizioni operative rendono spesso impegnativi questi obiettivi di progettazione. Considerate le macchine utensili. La produzione di pezzi è passata a lotti sempre più piccoli, per cui gli allestimenti devono mantenere la precisione sotto vari carichi e corse. Forse la più impegnativa è la lavorazione di parti aerospaziali, che richiede la massima capacità di taglio per i processi di sgrossatura e quindi la massima precisione per i successivi processi di finitura.
Più specificamente, gli stampi di qualità di fresatura necessitano di una rapida rimozione del materiale e di un'elevata qualità superficiale dopo la finitura. Allo stesso tempo, solo gli avanzamenti rapidi di contornatura consentono alle macchine di produrre pezzi con distanze minime tra i percorsi entro tempi di lavorazione accettabili. Ma soprattutto con piccoli lotti di produzione, è quasi impossibile mantenere condizioni termicamente stabili. Questo perché i cambiamenti tra le operazioni di foratura, sgrossatura e finitura contribuiscono alle fluttuazioni delle temperature delle macchine utensili.
Inoltre, la precisione del pezzo è la chiave per rendere redditizi gli ordini di produzione. Durante le operazioni di sgrossatura, le velocità di fresatura aumentano all'80% o meglio; valori inferiori al 10% sono comuni per la finitura.
Il problema è che accelerazioni e velocità di avanzamento sempre più elevate causano il riscaldamento dei sottocomponenti degli azionamenti lineari di alimentazione delle macchine, in particolare quelli che utilizzano viti a ricircolo di sfere azionate da motori rotativi. Quindi, in questo caso, la misurazione della posizione è essenziale per stabilizzare le correzioni della macchina utensile per il comportamento termico.
Modi per affrontare i problemi di instabilità termica
Il raffreddamento attivo, le strutture simmetriche delle macchine, le misure e le correzioni di temperatura sono già metodi comuni per affrontare le variazioni di precisione indotte dalla temperatura. Un altro approccio è quello di correggere una modalità particolarmente comune di deriva termica - quella degli assi di alimentazione a motore rotativo che incorporano viti a ricircolo di sfere. Qui, le temperature lungo la vite a sfere possono cambiare rapidamente con velocità di avanzamento e forze in movimento. Le variazioni di lunghezza che ne derivano (tipicamente 100 μm/m entro 20 minuti) possono causare significativi difetti del pezzo. Due opzioni sono qui per misurare l'asse di avanzamento a controllo numerico attraverso la vite a ricircolo di sfere con un encoder rotativo o attraverso un encoder lineare.
La prima configurazione utilizza un encoder rotativo per determinare la posizione della slitta a partire dal passo della vite di avanzamento. Quindi, l'azionamento deve trasferire grandi forze e agire come un collegamento nel sistema di misura, fornendo valori altamente precisi e riproducendo in modo affidabile il passo della vite. Ma l'anello di controllo della posizione tiene conto solo del comportamento dell'encoder rotativo. Poiché non può compensare le variazioni della meccanica di azionamento dovute all'usura o alla temperatura, si tratta in realtà di un funzionamento ad anello semichiuso. Gli errori di posizionamento dell'azionamento diventano inevitabili e degradano la qualità del pezzo.
Al contrario, un encoder lineare misura la posizione della slitta e include una meccanica di avanzamento completa nell'anello di controllo della posizione (per un funzionamento veramente ad anello chiuso). Il gioco e le imprecisioni negli elementi di trasferimento della macchina non hanno alcuna influenza sulla precisione di misura della posizione. Quindi, la precisione dipende quasi esclusivamente dalla precisione e dall'installazione del sistema di misura lineare. Una nota a margine: La misurazione diretta dell'encoder può anche migliorare le misurazioni del movimento dell'asse rotativo. Le configurazioni tradizionali utilizzano meccanismi di riduzione della velocità che si collegano ad un encoder rotativo sul motore, ma gli encoder angolari ad alta precisione offrono una migliore precisione e riproducibilità.
Modi che il design della vite a sfera affronta il calore
Altri tre approcci per affrontare il calore delle viti a ricircolo di sfere hanno i loro limiti.
1. Alcune viti a sfere impediscono il riscaldamento interno (e il riscaldamento delle parti circostanti della macchina) con nuclei cavi per la circolazione del refrigerante. Ma anche queste presentano una dilatazione termica, e un aumento della temperatura di solo 1 K causa errori di posizionamento fino a 10 μm/m. Questo è significativo perché i comuni sistemi di raffreddamento non possono contenere variazioni di temperatura inferiori a 1 K.
2. A volte gli ingegneri modellano l'espansione termica della vite a sfera nei controlli. Ma poiché il profilo della temperatura è difficile da misurare durante il funzionamento ed è influenzato dall'usura della chiocciola a ricircolo di sfere, dalla velocità di avanzamento, dalle forze di taglio, dal campo di traslazione utilizzato e da altri fattori, questo metodo può causare notevoli errori residui (fino a 50 μm/m).
3. Alcune viti a sfere sono dotate di cuscinetti fissi ad entrambe le estremità per aumentare la rigidità della meccanica di azionamento. Ma anche i cuscinetti extra rigidi non possono impedire l'espansione dovuta alla generazione di calore locale. Le forze risultanti sono considerevoli, e deformano anche le configurazioni dei cuscinetti più rigidi - a volte causando anche distorsioni strutturali nella geometria della macchina. La tensione meccanica modifica anche il comportamento di attrito dell'azionamento, degradando la precisione di contorno della macchina. Inoltre, il funzionamento ad anello semichiuso non può compensare gli effetti delle variazioni di precarico del cuscinetto dovute all'usura o alla deformazione elastica dell'azionamento-meccanico.