• Controle de movimento: Encoders lineares de comprimento longo parecem vivos

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Diagrama: O método de deteção fotoelétrica mostrado aplica-se a um encoder linear óptico, utilizando uma escala de vidro. Com uma escala de aço, um método de varredura reflexiva, ligeiramente modificado é usado - no qual a luz incide na fita da escala e reflete para o retículo de varredura

Operação dinâmica elevada caracteriza sistemas CNC e equipamentos de montagem de precisão nos quais operam encoders lineares. As medições de posição devem ser fornecidas em ambientes difíceis e muitas vezes em velocidades de deslocamento e acelerações elevadas. O uso crescente de encoders lineares com motores lineares de acionamento direto salienta esses requisitos. Por exemplo, alguns modelos de encoders oferecem velocidades de deslocamento de 20 metros/s (65,6 pés/s) ou superiores.

Detritos, óleo, cavacos e contaminantes são especialmente prejudiciais para encoders ópticos — que exigem proteção física do dispositivo ou melhoria do processo de medição. Essa é uma área na qual a operação de encoders lineares difere de encoders rotativos, que trabalham em um ambiente vedado. Encoders lineares podem ser classificados de diferentes formas.

Detecção óptica ou magnética

Os encoders pertencem a duas tecnologias principais (óptica e magnética), que também se aplicam a encoders rotativos. Encoders indutivos não são abordados aqui. Os encoders lineares consistem basicamente em uma escala de medição com divisões extremamente finas (ou informações magnetizadas) que transmitem a posição e um cabeçote de varredura para ler a escala.

Em termos bem simples, o processo de medição dos encoders lineares ópticos implica na detecção fotoelétrica da escala e uma retícula de varredura que se move uma em relação à outra (veja o diagrama). A luz projetada é modulada à medida que passa através das aberturas nas redes de difração quando a escala e a retícula estão alinhadas ou é bloqueada quando as linhas de uma rede de difração coincidem com as aberturas da outra. Uma matriz de células fotovoltaicas converte essas variações de intensidade de luz em sinais elétricos. A rede de difração especialmente estruturada da retícula de escaneamento filtra a luz para gerar sinais de saída quase senoidais. O processamento adicional dos sinais no cabeçote de varredura ou no controlador de sistema produz a saída de posição.

Encoders lineares ópticos utilizam uma escala de vidro ou de aço. Geralmente, a escala de vidro é limitada a comprimentos de medição de cerca de 4 m e as escalas de aço são aplicáveis a comprimentos mais longos. O comprimento da escala de vidro é limitado pela precisão das máquinas que as fabricam, conforme observado por Nathan Mathiot, especialista em produtos, do departamento de marketing de máquinas-ferramenta da Heidenhain Corp.

Os componentes principais dos encoders lineares magnéticos são uma fita magnética e um cabeçote de varredura. As informações de posição magnetizadas na fita em um código sequencial atuam como a escala de medição. As fitas são fornecidas em vários comprimentos e podem ser extremamente longas. Elas são, em geral, laminadas em uma tira de aço e têm uma película adesiva no verso para facilitar a montagem em uma máquina. As informações de posição são detectadas à medida que o cabeçote de varredura se desloca sobre a fita de medição.

Aplicações de encoders de comprimento linear longo (LLL) nem sempre exigem a precisão da tecnologia óptica, explicou Corrie Fearon, gerente de marketing da divisão de produtos encoders da Renishaw plc. Os encoders magnéticos são uma alternativa, com uma precisão de ±20 micra/metro (μm/m); 1 µm = 0,00004 pol.) precisão típica para versões sofisticadas. “Encoders magnéticos oferecem maiores tolerâncias de instalação/execução, imunidade a detritos e contaminação, e geralmente uma economia de custos em comparação a encoders ópticos”, disse Fearon. (Veja abaixo mais informações sobre precisão e aplicações; também nas Ref. 1 e 2, on-line.)

Outras categorias de encoders

Encoders lineares também são designados como dispositivos incrementais ou absolutos — termos derivados dos encoders rotativos. Basicamente, os encoders absolutos fornecem uma posição essencialmente na energização. Os encoders incrementais exigem o movimento do eixo para primeiro estabelecer uma posição de referência. Entretanto, marcas de referência codificadas por distância (DCRMs) espaçadas ao longo da escala diminuem a necessidade de movimento da máquina. O circuito eletrônico do encoder estabelece a referência absoluta após passar por duas DCRMs, o que significa, em geral, um movimento de alguns milímetros, segundo a Heidenhain.

“As marcas de referência são calculadas por uma fórmula que, por fim, leva um valor de posição única repetida e, assim, torna-se um limite de comprimento para escalas de fita incrementais com DCRMs”, disse Mathiot. O encoder linear mais longo codificado por distâncias, fabricado pela Heidenhain, foi de 72 metros.

Foto: Esta máquina de montagem de painel de asa de avião da Electroimpact Inc. em Broughton, Reino Unido, da linha de produção do Airbus A380 utiliza encoders ópticos lineares incrementais Renishaw RGH41. As escalas de fitas RGS40 são instaladas em três áreas de trabalho ao longo da distância de deslocamento de 160 m da máquina.

Escalas de fita absolutas também são limitadas no comprimento de medição pelo código pseudoaleatório (PRC) colocado na pista. Como exemplo, Mathiot citou o encoder linear LC281 com memória de 32 bits. “Cada passo de 10 nanômetros utiliza 1 de 4.294.967.296 valores de posição possíveis armazenados na memória. “O PRC é único para cada valor de posição e, por fim, se repete”, acrescentou.

Da mesma forma, a Renishaw comentou um limite de comprimento máximo para encoders incrementais em termos do “rendimento para fabricar uma escala tão longa”, mas vem fornecendo escalas de fita com até 100 m de comprimento. “Para encoders absolutos, o comprimento máximo das escalas de encoder óptico Resolute da Renishaw é atualmente de 10 metros, limitados pelas palavras de código selecionadas para características ideais de imunidade a detritos e de desempenho”, afirmou Fearon. O comprimento máximo da escala de encoder magnético LMA-10 é de 16,2 m.

Encoders lineares ópticos são designados também como dispositivos vedados ou expostos. Em unidades vedadas, uma carcaça metálica e lábios de vedação elásticos protegem a escala, o cabeçote de varredura e a superfície rolante contra a entrada de contaminantes encontrados em ambientes industriais. Encoders lineares expostos (sem contato) são fisicamente mais simples e, muitas vezes, utilizados em ambientes mais limpos.

Ambientes de trabalho adversos

Encoders lineares ópticos sem contato, em particular, enfrentam condições adversas e precisam de melhoria corretiva do escaneamento óptico. Fearon comentou duas maneiras básicas para reduzir os efeitos da contaminação: utilizar filtragem óptica ou obter a média da varredura em uma área relativamente maior.

A filtragem, o método mais poderoso, amplifica os sinais satisfatórios na frequência fundamental na qual as ópticas são sintonizadas, rejeitando outros harmônicos causados por contaminação. Esse método é adequado para encoders incrementais. “Adicionar controle de ganho automático (AGC) ao sistema ajuda a aumentar ainda mais a imunidade aos detritos, mas adicionar o AGC a um esquema óptico ineficiente simplesmente amplifica os sinais insatisfatórios e não superam as mudanças de fase ou outras questões”, disse Fearon.

A linha de encoders lineares sem contato absolutos Resolute da Renishaw aplica técnicas diferentes e avançadas para obter imunidade a detritos. Após captar uma imagem da escala de medição, o encoder realiza verificação cruzada e rejeição de erros por meio de um processador de sinais digitais integrado — neutralizando a retrodifusão caótica de luz sobre a cabeça de varredura proveniente de graxa, óleo ou contaminantes particulados na escala. A alta redundância do sistema permite que a posição correta seja determinada até mesmo com grandes partes da imagem obscurecida, de acordo com Fearon.

“Para fornecer mais segurança e cobertura diagnóstica, os encoders da Resolute incluem um algoritmo de verificação de posição que rastreia a posição, garantindo que somente os dados corretos sejam enviados à unidade/controlador do sistema”, Fearon acrescentou. Na verdade, dois métodos de cálculo independente são utilizados e verificados na cabeça de varredura. Em seguida, um resultado correto é enviado, liberando a unidade/controlador dessa tarefa (veja mais na Ref. 3).

Encoders lineares ópticos vedados minimizam ou eliminam a necessidade de medidas extremas de imunidade contra detritos. A Heidenhain oferece encoders expostos e vedados, mas aplica este último exclusivamente no ambiente de máquinas-ferramentas controladas numericamente.

“Um encoder linear vedado é o encoder correto para ambientes agressivos, nos quais há líquido de arrefecimento, óleo e cavacos”, afirmou Mathiot.

Exemplos de encoders LLL vedados da Heidenhain incluem o LC211 (absoluto) para medições até 28 m e o LB382 (incremental) disponível para até 30 m e 72 m conforme pedido especial. Ambos os modelos usam uma tira de escala de metal. Esses encoders oferecem grau de precisão de ±5 micra (µm) — definido como tolerância de erro de posição em qualquer comprimento de medição de 1 m. Alguns modelos oferecem precisão de ±3 μm. Encoders vedados, destinados a aplicações de máquinas sem CNC têm um intervalo de medição de até 3 m e, normalmente, um grau de precisão de ±10 μm.

Da mesma forma, a Heidenhain observou métodos que “reduzem a sensibilidade à contaminação” para seus encoders LLL expostos, que têm aplicação em máquinas de produção/montagem de alta precisão, dispositivos de medição e acionamentos diretos. Um método mencionado é a varredura de campo simples (em vez de quatro campos) para gerar sinais de posição. Embora os sinais de saída com detecção de campo simples sofram alteração de amplitude em função de contaminação, há relatos de que o deslocamento e a posição da fase permanecem inalteradas.

“Os sinais permanecem altamente interpoláveis e o erro de posição no período de um sinal permanece pequeno”, de acordo com a Heidenhain. Encoders expostos representativos incluem a série LIC (absolutos) e a série LIDA (incrementais) — com erro de posição por período de sinal de até ±0,08 μm e ±0,2 μm, respectivamente.

Precisão dos sinais

Gráfico: A precisão real da escala do encoder muitas vezes pode ser significativamente melhor do que o valor especificado. Um exemplo mostrado é a escala óptica RTLC da Renishaw — com precisão total de ±4 micra em todo comprimento de 11,9 m. Cortesia da: Renishaw plc.

O uso de um grande campo de varredura relativo ao período de graduação da escala também reduz a sensibilidade à contaminação. Supostamente, sinais de alta qualidade são emitidos na presença de contaminantes até 3 mm de diâmetro e um erro de posição permanece bem abaixo das especificações de graduação de precisão da escala.

Algumas das precisões de escalas citadas acima referem-se a valores certificados. Na prática, as escalas de encoders atingem resultados substancialmente melhores (veja o diagrama).

Sick, Inc. — uma subsidiária da empresa alemã Sick AG — oferece diversos tipos de encoders magnéticos LLL. O encoder absoluto sem contato TTK70 tem grau de precisão de ±10 μm, aplicável até ao comprimento total de 4 m da unidade. O LinCoder L320, outro dispositivo absoluto sem contato, tem versões com comprimentos de até 40 m e com uma especificação de precisão de ±0,3 mm/metro (a 20 °C).

Outro encoder da Sick merece atenção principalmente por conta de sua capacidade de medição de comprimentos extremos. O Pomux KH53 oferece medição de posição absoluta para até 1,7 km (ou seja, 1.700 m).

“Com grau de proteção IP 66 e carcaça de alumínio, o Pomux KH53 é uma solução muito robusta para aplicações de comprimento extremo e em ambiente agressivos”, disse Mandee Liberty, gerente de produto de encoders lineares e absolutos da Sick.

Encoders lineares de grande comprimento abrangem amplas aplicações. A Sick mencionou aplicações do KH53 em pontes rolantes e sistemas de armazenamento/transporte, entre outros. Liberty comentou o sucesso do KH53 nessas aplicações com comprimentos de medição entre 15 a 800 metros.

Na experiência de Renishaw, aplicações de encoders de grandes comprimentos incluem máquinas de retífica de grandes rolamentos, etapas de fabricação de telas LCD, impressão em formato grande e máquinas para corte a laser/jato d’água, e também produção de asas de aeronaves (ver foto).

A Heidenhain comentou exemplos de aplicação na fabricação de componentes de turbinas eólicas e peças automotivas em uma linha de máquinas tipo transfer. Em uma tendência de mercado relacionada, a empresa vê seus clientes passando a usar encoders com motores lineares para obter uma usinagem de peças mais rápida.

Conceitos importantes

  • Use encoders lineares, ópticos ou magnéticos, para realimentação de posição direta.
  • Medição e controle de posição em comprimento extremo ajuda na precisão da máquina-ferramenta e na produção de peças de grande porte precisas.
  • Foram abordados aqui encoders lineares com mais de 3 m.

Considere isto

Encoders lineares podem proporcionar medições de alta precisão em longas distâncias; qual aplicação você poderia aprimorar com melhor feedback?

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