H. Thiết kế và vận hành điển hình của bộ mã hóa tuyến tính dựa trên nền tảng công nghiệp cho máy móc

Các bộ mã hóa cứng trong xưởng được sử dụng cho các máy móc nền tảng công nghiệp phải cung cấp khả năng điều khiển chuyển động hiệu quả. Vì vậy, các hệ thống chuyển động này yêu cầu ứng dụng chính xác của các bộ mã hóa tuyến tính hoặc quay hiệu suất cao. Nếu ứng dụng đo lường hiện tại yêu cầu một thang đo với khả năng phân biệt định vị tối ưu, kết hợp với cả độ chính xác/ độ tin cậy và độ ổn định cao, thì giải pháp tối ưu có thể dành cho bộ mã hóa tuyến tính quang không tiếp xúc – xem hình 1.12.6-5, 6, 7. Bộ điều khiển công nghiệp hướng tới độ tin cậy/ độ chính xác cao hơn đã đảm bảo rằng các bộ mã hóa tuyến tính phản hồi trực tiếp thường được chọn. Theo đó, với sự ra đời rộng rãi của động cơ tuyến tính trên máy công cụ và do tốc độ/ định vị trượt/ đơn giản vốn có của chúng, điều này đã kết xuất bộ mã hóa quay cho nhiều ứng dụng tuyến tính được thực hiện hầu như lỗi thời. Một số nhà cung cấp đo lường sáng tạo của hệ thống mã hóa, dựa trên sản phẩm của họ trên các hệ thống quang học không tiếp xúc này vì chúng cung cấp độ phân giải cao với độ trễ cơ học bằng không, đồng thời chịu được sự xâm nhập của nhiều loại tạp chất tiềm ẩn. Nguyên nhân của các tàn tích này thường có thể là do tia dầu, bụi và các mảnh vụn tàn dư khác, hơn nữa những bộ mã hóa này sẽ có khả năng chịu đựng lớn hơn đối với bất kỳ vết xước bề ngoài nào – mà không ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của bộ mã hóa. Để dễ dàng lắp vào máy công cụ, các bộ mã hóa tuyến tính như vậy (xem hình 1.12.6-5) có tỷ lệ mạ vàng linh hoạt tự kết dính trong đó có lớp phủ sơn mài – để xử lý/ bảo vệ /dễ bảo trì – đồng thời được điều chỉnh cho phù hợp với từng trục. Bộ mã hóa tuyến tính có thể dài tới 70 m, loại bỏ nhu cầu cần thiết của các phụ kiện khoan và ta rô đính kèm, do đó tiết kiệm thời gian lắp đặt bổ sung và chi phí tài chính khác. Ở đây, tất cả các tổ hợp đầu đọc và giao diện đều có cài đặt đèn LED, giúp tiết kiệm thêm chi phí điều mà thường liên quan đến thiết bị cài đặt của máy hiện sóng. Các đầu đọc nhỏ gọn khác nhau của bộ mã hóa được trang bị cơ sở nội suy tích hợp, có một loạt các đặc tính tương tự và kỹ thuật số với phạm vi đầu ra có thể từ 5 µm đến 50 nm. Loại bộ mã hóa tuyến tính này được trang bị với sự kết nối nhiệt các thang đo của nó, mà sau đó đơn giản hóa việc bù nhiệt của toàn bộ hệ thống. Trong văn bản sau, chỉ một số bộ mã hóa có sẵn trên thị trường sẽ được mô tả chi tiết hơn, để hiểu cụ thể về cách các hệ thống đó hoạt động và vận hành trên các máy dựa trên nền tảng CNC và cho một số thiết bị đo lường nhất định.

Trong đó:

• Photodetector: Bộ tách sóng quang
• Photocurrent Output: Đầu ra dòng quang điện
• Index grating: Cách tử chỉ số
• Readhead window: Cửa sổ đầu đọc
• Scale: Thang đo tỷ lệ
• Gold plated scale facets: Các mặt thang đo mạ vàng
• RGS scale profile: Hình dạng thang đo RGS (Rat Grimace Scale)
• Pitch 20μm: Bước 20μm
• Lacquer scale coating: Lớp phủ thang đo sơn mài

Thang đo laser dựa trên công nghệ sử dụng để hiệu chuẩn laser của máy công cụ, được biết đến rộng rãi như là bù lỗi tuyến tính. Độ chính xác lý thuyết đối với hệ thống hiệu chuẩn laser là ± 0.1ppm (±0,025μm). Thang đo sử dụng cùng nguyên tắc – phép đo giao thoa, nhưng được hợp khối đối với môi trường gia công. Cường độ chùm tia, độ nhạy quang học và các tính năng khác tất cả đều được cải thiện nâng cao trên tia laser hiệu chuẩn để đạt được độ chính xác, độ tin cậy cao trong môi trường gia công thực tế. Thang đo được đánh giá chống sốc đến 35g, chịu được độ rung là 10g ở tần số 3-300Hz, và được niêm chặt IP65 (NEMA12/13)

Hình 5 Một bộ mã hóa tuyến tính dạng mở, cấu hình quang học không tiếp xúc.

Trong sơ đồ thể hiện ở hình 5, một bộ mã hóa tuyến tính của cấu hình quang không tiếp xúc dạng mở được minh họa, có lọc quang học cung cấp độ ổn định tín hiệu tuyệt vời của hoạt động ở độ phân giải cao. Mỗi đầu đọc có đầu ra tương tự tiêu chuẩn công nghiệp hoặc sóng vuông tiêu chuẩn công nghiệp, với chu kỳ tín hiệu tương tự 20 µm (tức là có độ phân giải kỹ thuật số chỉ từ 5 µm đến 50 nm). Sau khi được lắp đặt trên trục của máy, đèn LED thiết lập sẽ sáng lên màu xanh lục khi đã đạt được sự kết nối tối ưu. Đối với loại bộ mã hóa này, dấu tham chiếu hoặc đầu ra của công tắc giới hạn có thể được lắp trên tất cả các kiểu mô hình đầu đọc – dấu tham chiếu này cung cấp vị trí về gốc hoặc vị trí 0 có thể lặp lại, trong khi giới hạn được sử dụng làm chỉ báo kết thúc hành trình. Như có thể quan sát từ hình 5, một đèn LED hồng ngoại phát ra ánh sáng chiếu vào các mặt cạnh của thang đo góc, sau đó nó được dẫn ngược trở lại đầu đọc, thông qua một cách tử pha trong suốt. Luồng ánh sáng này tạo ra các vân giao thoa hình sin tại mặt phẳng phát hiện bên trong đầu đọc. Ở đây, sơ đồ quang học tính trung bình các đóng góp từ  các khía cạnh thang đo và lọc ra một cách hiệu quả các tín hiệu của những khía cạnh không kết nối phù hợp với chu kỳ thang đo, do đó đảm bảo tín hiệu ổn định ngay cả khi thang đo bị nhiễm bẩn hoặc thực sự bị hư hỏng nhẹ.

Hình 6 Các lỗi đo điển hình xảy ra trên chiều dài đo lường của thang đo

 

Trong đó:

• Sub-divisional error (SDE): Lỗi chia phụ (con)/ sai số chia nhỏ
• Typical scale pitch: Bước sóng thang đo điển hình
• Measuring error: Lỗi đo/ sai số đo
• End point: Điểm cuối
• End point slope: Độ dốc điểm cuối
• Error band: Dải lỗi
• Slope: Dốc, nghiêng
• Mean measuring error: Sai số đo trung bình
• Linearity error: Lỗi tuyến tính/ sai số tuyến tính
• Measuring length: Chiều dài đo
• Measuring travel: Hành trình đo

Trong các bộ mã hóa được lắp vào cấu trúc của máy, các đặc tính nhiệt thường đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định độ tin cậy/ độ chính xác của phép đo tổng thể – xem hình 6. Do đó, vì quy mô lớp nền tự kết dính được cố định cứng vững ở các đầu của nó (tức là thường thông qua các đầu kẹp được liên kết epoxy), nó phải phù hợp với tác động nhiệt của chất nền (tức là khi được gắn vào thành phần cấu trúc của máy) nên không cần phải bù cho hệ số mở rộng tiềm ẩn khác. Trong tình huống này, sai số ngắn hạn thấp được đảm bảo bởi thiết kế quang học có tính chất đổi mới, thường tạo ra sai số chu kỳ > ± 0.15 µm, hoặc như nó thường được gọi là sai số chia nhỏ (SDE: Sub-divisional error). Chi tiết điều này nằm trong thông số kỹ thuật về độ tuyến tính là ± 0.75 µm trong 60 mm, hoặc ± 3 µm trong bất kỳ chiều dài đơn vị mét nào. Các bộ mã hóa tuyến tính này được cung cấp trong các cuộn có độ dài liên tục này, mà sau đó có thể được cắt chính xác theo độ dài thực tế cần thiết tại điểm lắp đặt – với việc chuẩn bị tối thiểu của trục. Vì lí do đó, việc lắp đặt thang đo trên bất kỳ trục nào trở nên nhanh chóng và dễ dàng đạt được, bằng cách sử dụng công cụ ứng dụng được cung cấp cùng với bộ phụ kiện, mà sau đó sử dụng chuyển động thực tế của trục máy để đảm bảo căn chỉnh tuyến tính chính xác của nó. Cuối cùng, để hoàn tất quá trình cài đặt bộ mã hóa, dấu tham chiếu, công tắc giới hạn và các đầu kẹp là khi ấy chỉ đơn giản là được dán vào vị trí.

Hình 7 Cấu hình quang học không tiếp xúc, dạng mở của Bộ mã hóa tuyến tính, với tốc độ hoạt động nhanh hơn

 

Trong hình 7 tương tự, nhưng hơi khác so với hình 5, là một hệ thống quang học không tiếp xúc dạng mở nhưng ở đây có sự khác biệt rõ ràng, trong đó là bước thang đo hiện đã được tăng từ 20 µm lên 40 µm. Cấu hình được sửa đổi này với thiết kế mặt cạnh thô và bước (xem sơ đồ bên trong trong hình 7) cho phép tốc độ cao hơn, cùng với dung sai tuân thủ hơn khi định hướng các phần tử quang học. Trong cấu hình quang học này – được hiển thị trong hình 7, đèn LED hồng ngoại phát ra ánh sáng được phản xạ từ mặt thang đo ở góc 90° so với thang đo trục – chứ không phải song song với nó – như được mô tả trong hình 1.12.6-5; trong khi cách tử chỉ số được định vị giống hệt như hình 5, do đó tạo ra các vân giao thoa hình sin cần thiết của nó tại mặt phẳng phát hiện. Bằng cách sắp xếp quang học khác nhau này, nó tạo điều kiện cho việc sử dụng nhiều loại thang đo khác nhau, chẳng hạn như:

• Thang đo mạ vàng – được phủ lớp sơn mài kết hợp lớp nền tự kết dính;
• Thang đo crom trên kính – phiên bản này có thể được sử dụng ở những nơi yêu cầu độ dài ngắn hơn và độ tin cậy/ độ chính xác chưa được hiệu chỉnh, thường có chiều dài lên đến 1 m;
• Cân bằng thép hình trụ và tuyến tính được khắc phản chiếu do khách hàng thiết kế – phiên bản này cũng có thể được đọc bằng nhiều loại đầu đọc khác nhau.

Lưu ý là tất cả các đầu đọc này có thể duy trì sai số ngắn hạn thấp, điển hình thường có sai số chu kỳ chỉ ± 0,25 µm. Độ tuyến tính cụ thể đối với thang đo của bộ mã hóa tuyến tính một lần nữa lại rất nhỏ, là: ≤1 µm trong chiều dài 60 mm bất kỳ và ≥ ± 3 µm với bất kỳ chiều dài 1 m nào.

I. Bộ mã hóa phẳng

Một loại hệ thống mã hóa Planar (hay còn gọi là mã hóa phẳng với phép chiếu nằm ngang, hai chiều) được mô tả trong hình 8, trong đó nó có đầu đọc X-Y được gắn trực tiếp lên vùng chuyển động, với phản hồi vị trí thực sự trực tiếp, do đó loại bỏ hoàn toàn mọi khả năng xảy ra lỗi Abbe và lỗi trực giao. Đầu đọc này có một trọng khối (khuôn/ khung) nhỏ cho phép nó dễ dàng được tích hợp trong một loạt cấu hình lắp đặt linh hoạt. Chúc năng đầu đọc có đầu ra tương tự 1 Vpp với mức độ đáng chú ý của sự ổn định Lissajous. Đầu ra tương tự này có thể được nội suy bởi một loạt các đơn vị giao diện, cho độ phân giải đầu ra kỹ thuật số đến 0.1 µm. Các bộ mã hóa phẳng này có lẽ là một cài đặt lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu hệ thống định vị trực tiếp tốc độ cao, cung cấp phản hồi vị trí chính xác và tin cậy, đặc biệt là cho việc chọn và đặt các cấu hình máy.

Mô hình lưới (được hiển thị dưới dạng giản đồ trong chế độ xem mặt bằng và là sơ đồ chính trong hình 8) sử dụng một tấm lưới crom trên kính có hoa văn bàn cờ làm thang trung gian – các lưới này có nhiều kích thước khác nhau. Mỗi phần tử quang học trong đầu đọc sẽ đọc ánh sáng phản xạ từ các đường vạch có hệ số phản xạ cực đại và cực tiểu. Hệ quả là, do mô hình chính xác/ tin cậy của các hình vuông phản xạ và không phản chiếu, các đường này xuất hiện ở cả trục X và trục Y, cho phép chúng được đọc một cách riêng lẻ bởi hai phần tử quang học trong đầu đọc – chúng được định hướng ở góc 90° với nhau. Đáng chú ý là tấm lưới này được sản xuất từ thủy tinh silica nung chảy dày 1.5 mm, có hệ số giãn nở nhiệt chỉ 0.55 µm/ m/ °C. Do đó, thang đo crom mẫu bàn cờ có bước 40 µm theo cả hai hướng trục – phù hợp với quang học đầu đọc – trong khi có phạm vi đo tiêu chuẩn là diện tích 70 mm x 70 mm.

Trong đó:

• Reflective squares (chrome): Hình vuông phản xạ (crom)
• Non-reflective squares: Hình vuông không phản xạ
• Lines of maximum reflectivity in X & Y axes: Các đường có hệ số phản xạ tối đa theo trục X & Y
• Lines of minimum reflectivity in X & Y axes: Các đường có hệ số phản xạ tối thiểu theo trục X & Y

Hình 8 Cấu hình điển hình của mô hình dạng lưới của bộ mã hóa phẳng

 

Đầu đọc thực tế bao gồm hai phần tử quang học; trong phần thân (nghĩa là đọc riêng rẽ trục X và trục Y) tín hiệu được xuất ra qua hai dây cáp riêng biệt – như minh họa trong hình 8 (trên cùng). Các đầu ra đầu đọc điển hình tuân theo tiêu chuẩn tương tự 1 Vpp – trên một loạt các bộ nội suy, cho ra các đầu ra sóng vuông kỹ thuật số có phạm vi độ phân giải từ 10 đến 0.1 µm. Bộ nội suy này cũng chứa đèn LED cài đặt. Ở đây, đầu đọc có thể được gắn trên cả mặt trên và mặt bên của thiết bị, với chiều cao lướt theo thực tế của nó được thiết lập bằng cách áp dụng một số tấm lót bằng nhựa. Đầu đọc phẳng duy trì sai số chu kỳ thấp, thường là ± 0.25 µm, trong khi kiểu lưới có kích thước tiêu chuẩn có thể giải quyết bất kỳ chuyển động nào của máy xuống chỉ ± 2 µm trên toàn bộ diện tích của nó.