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Los codificadores lineales mejoran la precisión

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Los codificadores lineales aumentan la precisión corrigiendo los errores que se producen en las conexiones mecánicas.

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Los codificadores lineales siguen la posición del eje sin elementos mecánicos intermedios. Los encóderes miden incluso los errores de transferencia de los enlaces mecánicos (como los dispositivos mecánicos rotatorios a los lineales), lo que ayuda a los controles a corregir los errores originados en la máquina. De este modo, esta retroalimentación permite a los controles dar cuenta de toda la mecánica en los bucles de control de posición.

Cómo funciona el escaneo fotoeléctrico en los codificadores

Muchos codificadores lineales de precisión funcionan por escaneo óptico o fotoeléctrico. En resumen, una cabeza de lectura rastrea graduaciones periódicas de sólo unos pocos micrómetros de ancho y emite señales con pequeños periodos de señal. El patrón de medición suele ser de vidrio o (para grandes longitudes de medición) de acero que lleva marcas de graduación periódica en el sustrato portador. Es un modo de rastreo de posición sin contacto.

Utilizados con periodos de graduación incrementales entre 4 y 40 μm, los codificadores lineales de escaneo de imágenes de código PRC (absoluto) funcionan con la generación de señales de luz. Dos rejillas (en la escala y en el retículo de escaneo) se mueven una en relación a la otra. El material del retículo de escaneo es transparente, pero el material de la escala puede ser transparente o reflectante. Cuando las dos se cruzan, la luz incidente se modula. Si los huecos en las rejillas se alinean, la luz pasa a través de ellos. Si las líneas de una rejilla coinciden con los huecos de la otra, bloquea la luz. Las células fotovoltaicas convierten las variaciones de la intensidad de la luz en señales eléctricas de forma sinusoidal.

Otra opción para graduaciones con periodos de graduación de 8 μm y menores es el escaneo interferencial. Este modo de operación del codificador lineal aprovecha la difracción y la interferencia de la luz. Una rejilla escalonada sirve como estándar de medición, completa con líneas de 0,2 μm de alto en una superficie reflectante. Frente a eso hay una rejilla transparente de escaneo de retícula con un período que coincide con el de la escala. Cuando una onda de luz pasa a través del retículo, se difracta en tres ondas parciales con -1, 0 y 1 orden de intensidad aproximadamente igual. La escala difracta las ondas de manera que la intensidad luminosa se concentra en los órdenes de difracción 1 y -1. Estas ondas se encuentran de nuevo en la rejilla de fase de la retícula donde se difractan una vez más e interfieren. Esto hace tres ondas que salen del retículo de exploración en diferentes ángulos. Las células fotovoltaicas convierten la intensidad de la luz alterna en una señal de salida eléctrica.

En el escaneo interferencial, el movimiento relativo entre la retícula y la escala hace que los frentes de onda difractados sufran un cambio de fase. Cuando la rejilla se mueve por un período, el frente de onda de primer orden se mueve una longitud de onda en dirección positiva, y la longitud de onda de difracción de orden -1 se mueve una longitud de onda en dirección negativa. Las dos ondas interfieren entre sí al salir de la rejilla, por lo que se desplazan una respecto a la otra en dos longitudes de onda (durante dos períodos de señal de un movimiento de un solo período de rejilla).

Dos variaciones de escaneo de codificador

Algunos codificadores lineales hacen mediciones absolutas, de modo que el valor de posición está siempre disponible cuando la máquina está encendida, y la electrónica puede referenciarlo en cualquier momento. No hay necesidad de mover los ejes a una referencia. La graduación de la escala tiene una estructura de código absoluto en serie y una pista incremental separada se interpola para el valor de posición mientras que simultáneamente genera una señal incremental opcional.

Por el contrario, los codificadores lineales que trabajan con medición incremental utilizan graduaciones con rejillas periódicas, y los codificadores cuentan incrementos individuales (pasos de medición) de algún origen para obtener la posición. Dado que esta configuración utiliza una referencia absoluta para determinar las posiciones, las cintas de escala para estas configuraciones vienen con una segunda pista con una marca de referencia.

La posición absoluta de la escala establecida por la marca de referencia se computa con un período de señal exacto. Por lo tanto, la cabeza lectora debe localizar y escanear una marca de referencia para establecer una referencia absoluta o para encontrar el último dato seleccionado (lo que a veces requiere recorridos de referencia de larga duración).

Iteraciones del codificador lineal

Un desafío en la integración de los codificadores lineales es que los dispositivos funcionan justo en el eje de movimiento, por lo que están expuestos al entorno de la máquina. Por esta razón, algunos encoders lineales están sellados. Una carcasa de aluminio protege la balanza, el carro de exploración y su guía de las virutas, el polvo y los fluidos, y unos labios elásticos orientados hacia abajo sellan la carcasa. Aquí, el carro de escaneo se desplaza a lo largo de la escala en una guía de baja fricción. Un acoplamiento conecta el carro de exploración con el bloque de montaje y compensa la desalineación entre la balanza y las guías de la máquina. En la mayoría de los casos, se permiten compensaciones laterales y axiales de ±0,2 a ±0,3 mm entre la escala y el bloque de montaje.

Un ejemplo de ello: Aplicación de la máquina herramienta

La productividad y la precisión son primordiales para una gran cantidad de aplicaciones, pero las condiciones operativas cambiantes a menudo hacen que esos objetivos de diseño sean un desafío. Considere las máquinas herramientas. La fabricación de piezas se ha desplazado hacia tamaños de lote cada vez más pequeños, por lo que las configuraciones deben mantener la precisión bajo diversas cargas y golpes. Tal vez lo más exigente sea el mecanizado de piezas aeroespaciales, que necesita la máxima capacidad de corte para los procesos de desbaste y luego la máxima precisión para los procesos de acabado posteriores.

Más específicamente, los moldes de calidad de fresado necesitan una rápida remoción de material y una alta calidad de superficie después del acabado. Al mismo tiempo, sólo las rápidas velocidades de avance de contorno permiten a las máquinas producir piezas con distancias mínimas entre las trayectorias dentro de tiempos de mecanizado aceptables. Pero especialmente con lotes de producción pequeños, es casi imposible mantener condiciones térmicamente estables. Esto se debe a que los cambios entre las operaciones de taladrado, desbaste y acabado contribuyen a las fluctuaciones de las temperaturas de las máquinas.

Además, la precisión de las piezas es clave para hacer que los pedidos de producción sean rentables. Durante las operaciones de desbaste, las tasas de fresado aumentan hasta el 80% o mejor; los valores por debajo del 10% son comunes para el acabado.

El problema es que las aceleraciones y velocidades de avance cada vez más elevadas provocan el calentamiento de los subcomponentes de los accionamientos de avance lineal de las máquinas, en particular los que utilizan husillos de bolas accionados por motores rotativos. Así que aquí, la medición de la posición es esencial para estabilizar las correcciones de las máquinas-herramienta por el comportamiento térmico.

Formas de abordar los problemas de inestabilidad térmica

El enfriamiento activo, las estructuras simétricas de las máquinas y las mediciones y correcciones de la temperatura son ya formas comunes de abordar los cambios de precisión inducidos térmicamente. Otro enfoque consiste en corregir un modo particularmente común de deriva térmica: el de los ejes de alimentación accionados por motores rotativos que incorporan tornillos de recirculación de bolas. Aquí, las temperaturas a lo largo del husillo de bolas pueden cambiar rápidamente con las velocidades de alimentación y las fuerzas de movimiento. Los cambios de longitud resultantes (típicamente 100 μm/m en 20 minutos) pueden causar defectos significativos en las piezas de trabajo. Aquí hay dos opciones para medir el eje de alimentación controlado numéricamente a través del husillo de bolas con un codificador rotatorio o a través de un codificador lineal.

La primera configuración utiliza un codificador rotativo para determinar la posición de la diapositiva a partir del paso del tornillo de alimentación. Así, el accionamiento debe transferir grandes fuerzas y actuar como un enlace en el sistema de medición, proporcionando valores muy precisos y reproduciendo de forma fiable el paso del tornillo. Pero el lazo de control de posición sólo tiene en cuenta el comportamiento del codificador rotativo. Debido a que no puede compensar los cambios en la mecánica del accionamiento debido al desgaste o la temperatura, esta es en realidad una operación de lazo semi-cerrado. Los errores de posicionamiento del motor son inevitables y degradan la calidad de la pieza.

Por el contrario, un codificador lineal mide la posición de la diapositiva e incluye una mecánica de alimentación completa en el bucle de control de posición (para un funcionamiento en bucle verdaderamente cerrado). La holgura y las imprecisiones en los elementos de transferencia de la máquina no influyen en la precisión de la medición de la posición. Por lo tanto, la precisión depende casi exclusivamente de la precisión y la instalación del codificador lineal. Una nota al margen aquí: La medición directa del encoder también puede mejorar las mediciones del movimiento del eje de rotación. Las configuraciones tradicionales utilizan mecanismos de reducción de velocidad que se conectan a un codificador rotativo en el motor, pero los codificadores angulares de alta precisión ofrecen una mayor exactitud y reproducibilidad.

Las formas en que el diseño de los husillos a bolas se dirige al calor

Otros tres enfoques para abordar el calor de los husillos tienen sus propias limitaciones.

1. Algunos husillos de bolas impiden el calentamiento interno (y el calentamiento de las piezas de la máquina circundante) con núcleos huecos para la circulación del refrigerante. Pero incluso estos exhiben expansión térmica, y un aumento de la temperatura de sólo 1 K causa errores de posicionamiento a 10 μm/m. Eso es significativo porque los sistemas de refrigeración comunes no pueden mantener las variaciones de temperatura a menos de 1 K.

2. A veces los ingenieros modelan la expansión térmica del husillo de bolas en los controles. Pero debido a que el perfil de temperatura es difícil de medir durante la operación y está influenciado por el desgaste de la tuerca de bolas de recirculación, la velocidad de avance, las fuerzas de corte, el rango transversal utilizado y otros factores, este método puede causar considerables errores residuales (hasta 50 μm/m).

3. Algunos tornillos de bolas tienen rodamientos fijos en ambos extremos para aumentar la rigidez de la mecánica de accionamiento. Pero incluso los rodamientos extra rígidos no pueden evitar la expansión por la generación de calor local. Las fuerzas resultantes son considerables, y deforman incluso las configuraciones de rodamientos más rígidas, a veces incluso causando distorsiones estructurales en la geometría de la máquina. La tensión mecánica también cambia el comportamiento de la fricción del accionamiento, degradando la precisión de contorno de la máquina. Además, el funcionamiento en bucle semicerrado no puede compensar los efectos de los cambios de precarga de los cojinetes debido al desgaste o a la deformación mecánica elástica del accionamiento.