Новые разработки датчиков линейных перемещений больших длин класса абсолют

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оренбургский государственный университет

НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ ДАТЧИКОВ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ БОЛЬШИХ ДЛИН КЛАССА АБСОЛЮТ

Белоновская И.Д., д-р пед. наук, профессор,

Целовальников И.М., магистрант,

Носикова Т.В., магистрант

Металлообрабатывающие станки для производства крупногабаритных деталей в авиационной и космической промышленности, в энергетическом машиностроении имеют минимум одну регулируемую линейную длинную управляемую ось. Оси длиной в несколько метров не являются редкостью для таких станков. Для определения линейных перемещений на станках с ЧПУ используются инкрементальные или абсолютные датчики. В статье представлен сопоставительный анализ новых разработок компании Heidenhain в области датчиков таких типов.

Основным достоинством инкрементальных и абсолютных датчиков является возможность применения их на осях с высокой динамикой. В то же время существуют особенности их использования на станках с ЧПУ, которые определяются, главным образом, принципом их настройки.

Основным недостатком работы инкрементальных датчиков является необходимость указания точки отсчета. В данном случае используется так называемый инкрементальный метод измерения с помощью шкалы, которая представляет собой последовательность штрихов с одинаковым периодом. Данные о положении определяются подсчётом отдельных «инкрементов» (штрихов) от свободно установленной нулевой точки, в качестве которой на шкале или ленте используется дополнительная дорожка, которая содержит референтную метку. Абсолютная позиция на шкале определяется референтной меткой и распознается точно в одном периоде сигнала. Для восстановления или установки вновь абсолютной привязки необходимо пересечь референтную метку. Инкрементальный датчик положения сообщает о пошаговом изменении положения. Перед началом работы (после включения питания) для датчика необходимо выставить ноль - вывести рабочий орган машины в опорную (реперную) точку, в ней обнулить счётчик импульсов, то есть указать точку отсчета, что и является основным недостатком работы инкрементальных датчиков. В то же время диапазон длин измерений этих датчиков значителен. Так, фирма Heidenhain предлагает закрытые и открытые датчики линейных перемещений с измеряемой длиной до 30 м [1].

Указанного недостатка лишены датчики класса абсолют, выдающие абсолютное значение положения сразу после включения, они не требуют обнуления осей. До недавнего времени их использование ограничивалось небольшой измеряемой длиной.

В статье представлен результат разработки компании HEIDENHAIN: LC 200 - это новый модельный ряд датчиков линейных перемещений с длиной перемещений до 28 м класса абсолют для станков, что снимает прежние ограничения (ранее для больших длин был только инкрементальный линейный датчик). Несмотря на впечатляющую длину измерения, значение положения генерируется всего по двум дорожкам с высоким разрешением [1].

Абсолютный датчик LC 200 закрепляют на станине, шкала натягивается внутри составного корпуса. Абсолютный сборный датчик комплектуется в зависимости от конкретной длины такими деталями как шкала, подложка и уплотнение. В состав датчика входят одна или несколько считывающих головок и набор требуемых длин для элементов корпуса. Шкалой в этом датчике служит стальная лента с рисками, считывание с которой производится с помощью отраженного света. Несмотря на большую длину измерения (до 28 м) значение позиции генерируется всего по двум дорожкам: абсолютная дорожка с последовательным кодом является однозначной по всей длине; инкрементальная дорожка с периодом делений 40 мкм интерполируется и обрабатывается интегрированным Opto-ASIC для получения абсолютного значения с высоким разрешением (до 0,01 мкм). Метод позволяет нанести на стальную ленту однородные штрихи с очень четкими краями. В сочетании с абсолютным считыванием с одним полем сканирования с помощью интегрированного Opto-ASIC достигается высокое качество сигнала с очень маленькой погрешностью интерполяции при повышенной устойчивости к загрязнениям.

Рисунок 1 Шкала с двумя дорожками - абсолютной и инкрементальной

Другое преимущество стальной ленты связано с термическими свойствами. Стальная лента при монтаже натягивается и закрепляется на обоих концах через концевые элементы корпуса на станине. Благодаря этому шкала следует всем термическим деформациям станины и шкале передается коэффициент термического расширения станины. Многие станкопроизводители следуют тенденциям по повышению рабочих характеристик и достижению более высокой динамики на осях станка, устанавливая на эти оси линейные двигатели. При использовании линейных двигателей к датчикам линейных перемещений предъявляются более высокие требования по качеству сигнала и по динамике. Важным качеством при этом является жесткость системы в направлении измерения. При разработке удалось уделить особое внимание улучшению жесткости системы в направлении измерения, чтобы этот датчик можно было применять также с линейными двигателями. Благодаря компактной конструкции считывающей головки жесткость в направлении измерения увеличилась на 50% при одновременном увеличении резонансной частоты более чем на 45% по сравнению с инкрементальным датчиком.

Рисунок 2 Оптический метод считывания

датчик инкрементальный абсолют станок

Особенно важно для составных датчиков - уменьшение погрешности в местах стыковки сегментов корпуса. При монтаже датчика элементы корпуса монтируются на станине, а затем шкала протягивается через многосекционный корпус. Чтобы избежать ошибок измерения позиции в местах стыковки корпуса, считывание со шкалы выполняется всегда в нейтральной фазе. Поэтому точность системы остается стабильной даже при смещении размеров (например, перекос корпуса) к границам допуска на монтаж корпуса. Учитывалась не только совместимость по монтажу при одновременном упрощении монтажа, но и легкость прокладки шкалы в местах стыковки элементов корпуса. Новые элементы профиля корпуса имеют на одном конце уплотнение, проходящее по всему периметру. Таким образом профили очень просто соединяются друг с другом и благодаря предустановленному уплотнению полностью герметизированы [2].

Датчик линейных перемещений подходит для использования в качестве датчика обратной связи на осях большой длины в системах с повышенными требованиями к безопасности. Целью является возможность применения в безопасных системах управления в качестве системы одного датчика, отвечающих категориям SIL-2 (согласно EN 61 508) или Performance Level «d» (согласно EN ISO 13 849). Основой для безопасной передачи значения позиции являются два генерируемых независимо друг от друга абсолютных значения, а также биты ошибок, передаваемые системе ЧПУ. Это достигается с помощью последовательного интерфейса EnDat 2.2. Кроме этого последовательная передача данных с помощью двунаправленного интерфейса EnDat 2.2 имеет другие преимущества, такие как высокая надежность, повышенная точность, возможность диагностики, низкие затраты благодаря простому подключению и многое другое. LC 200 будет также доступен и с интерфейсом EnDat 2.2 с дополнительными инкрементальными сигналами [3].

Рисунок 3 Новый профиль составного корпуса с упрощенным монтажом

Датчик закрывает пробел в абсолютных закрытых линейных датчиках большой длины (до 28 м). Технология считывания с одним полем сканирования, позволила повысить точность и надежность датчика. Новая конструкция корпуса сделала монтаж многосекционного датчика простым и быстрым.

Таким образом, при сохраненных преимуществах инкрементального датчика появился новый значительно улучшенный абсолютный датчик линейных перемещений, который благодаря инновационной технологии открывает новые горизонты как для существующих, так и для перспективных задач станкостроения.

Список литературы

1. Официальный сайт «ИВТЕХСЕРВИС» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.pragati.ru/img/wysiwyg/UASI_PRAGATI.pdf/. (Дата обращения: 10.01.2019).

2. Официальный сайт «СТАНКИМ» [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.stankim.com/catalog/oborudovanie. (Дата обращения: 10.01.2019).

3. Измерение точности позиционирования рабочих органов станков с ЧПУ [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.tops100.ru/agreg/avtomaticheskaya-smenainstrumenta/. (Дата обращения: 10.01.2019).

4. Чабина О.А. Повышение производительности многооперационных станков за счет выбора рациональной системы автоматической системы позиционирования/ О.А. Чабина, И.В. Киселева // Студенческий научно-технический журнал "Инженер", Донецк-Дон НТУ. 1(21)-2(22), 2018, с.185-188.

Размещено на Allbest.ru