Elmozdulásmérés szerszámgépekben

A szerszámgépek forgácsolási pontosságát számos paraméter befolyásolja: a mechanikai kialakítás, a szerszámgép üzemi hőmérséklete, a vezérlő kapacitása, stb. Ahhoz, hogy a gép rendelkezésre álló pontosságát a lehető legjobban kihasználhassuk, elengedhetetlen detektálni az egyes részegységek programozott elmozdulásait. Ehhez szükséges, hogy meg legyen ezek között az egységek között a megfelelő összeköttetés.

A gép mechanikai egységeit és a vezérlő, valamint a hajtómotor együttesét összekötő egyik legfontosabb elem a belső elmozdulást mérő rendszer, más néven a szervo rendszer. Ebben a cikkben a szervo rendszerekhez kapcsolódóan a két legelterjedtebb elmozdulás érzékelőt hasonlítjuk össze: az elfordulást érzékelő szenzort, más néven a forgó enkódert és a mérőlécet.

Az elmozdulás mérésének alapja

Az elmozdulás mérésének az elve a következő: veszünk egy mérőeszközt – mely lehet egy tárcsa vagy léc-, melyen apró hasításokat, hornyokat helyezünk el. A hornyok osztása pontosan ismert. Egy fényforrás segítségével átvilágítjuk a mérőeszközt, majd mozgatjuk-forgatjuk. Ahogy a fényforrás áthalad a hornyokon, részben átengedi az eszköz a fényt, míg két horony között visszaverődik. A fényforrást az eszköz túloldalán elhelyezett érzékelővel detektáljuk, majd számláljuk a jeleket. A jelek számának és az eszköz osztásának az ismeretében az elmozdulás kiszámítható. Ez természetesen működhet úgy is, hogy nem a fény átengedését figyeljük, hanem az eszközről való visszaverődését. Ha az eszköz egy tárcsa, ahol radiális irányban helyezkednek el a hornyok és az eszköz forog, akkor beszélünk enkóderről, ha léc és egyenes vonalon halad, akkor pedig mérőlécről.

Mitől szervo?

Gyakran hívják a szervo motorokra illesztett forgó jeladót szervo enkódernek, míg a mérőlécet csak egyszerűen “mérőlécnek”. Minek oda a “szervo” kifejezés? A szervo kifejezés azt jelenti, hogy a vezérlőben az elmozdulás mérése vissza van csatolva, vagyis az elmozdulás nem vezérelt, hanem szabályozott.

Szervo motorok, beépített forgó jeladókkal

Szervo motorok, beépített forgó jeladókkal

Tehát, a vezérlő és a hajtáskártya együttesen kiadja az elmozdulás parancsot a motorikus egységeknek (hajtómotor), miközben a pozíciót folyamatosan visszaellenőrzi. Mérőlécek esetén is alkalmazzák az elmozdulás ilyen negatív visszacsatolását, így a mérőléccel történő pozíciómérés is szervo jellegű.

Enkódernek nevezünk minden olyan eszközt, ami valamilyen elmozdulás, pozíció, sebesség, stb. értéket elektromos jellé alakít. Így nem csak a villanymotorok tengelyvégére erősített forgó jeladó enkóder, de a mérőlécek is. Mégis a szakmai nyelvben elterjedt a szervo enkóder és a mérőléc megkülönböztetés. Nem kívánom ezt a konvenciót felrúgni, csak felhívni a figyelmet a szavak tényleges tartalmára.

Forgó jeladó és mérőléc közötti legfontosabb különbség

Forgó jeladó, burkolata nélkül

Forgó jeladó, burkolata nélkül

Általánosan elfogadott, hogy az üveg mérőlécek pontosabbak, mint a forgó jeladók. Miért ez a feltételezés? A mérés elve hasonló, a mérőeszköz anyaga is lehet azonos (pl. üveg).  A mérőműszerek pontosságában nincs sok különbség. Szinte bármilyen szélességű és finom osztású hornyot készíthetnek, akár lécre, akár forgó jeladóra. Azt az érzékelőt, amivel az elmozdulás mentén történő jeladást mérjük, alkalmazhatjuk elfordulás esetén is. Lényegében – nagyon leegyszerűsítve -, a forgó jeladó egy önmagában záródó mérőléc. Vannak olyan forgó jeladók, melyen az osztott hornyok/fényérzékeny jelölések száma a százezres nagyságrendbe esik!

A különbség nem igazán a mérés elvéből fakad, sokkal inkább a mérőegység beépítésében!

A forgó jeladókat gyakran a hajtó motorral együtt lehet kapni. Jellemzően nagyon kevés szerszámgép gyártó végzi saját maga az előtoló motorok tervezését és gyártását. Ezek az egységek ugyan úgy kereskedelmi forgalomban kapható gépelemek, mint a revolverfejek vagy a tokmányok.

Forgó jeladó, hajtómotorral egybeépítve

Forgó jeladó, hajtómotorral egybeépítve

A hajtó motor (szervo motor) egy tengelykapcsolón (kuplungon) keresztül kapcsolódik a gyolósorsó-anya hajtáshoz, mely a forgó mozgást alakítja át haladó mozgássá. Lényegében egy áttétel. Így a forgó jeladón keresztül az orsó fordulatát mérjük, majd az áttétel ismeretében visszaszámolható az elmozdulás. Vegyük a következő példát: egy mozgó asztalos CNC megmunkáló központ esetén X-tengely mentén történik az előtolás. A technológiai paramétereknek köszönhetően a forgácsolásból származó erők X irányban is hatnak. Ekkor csak a golyósorsó-anya páros, és az orsót támasztó csapágyak veszik fel a terhelést. Ilyenkor szinte teljesen mindegy, milyen a gép vezetékezése. Értelemszerűen a vezeték nem vehet fel terhelést az elmozdulás irányában, mert akkor nem tudna mozogni.

Személyes tapasztalatom szerint egy 1000 mm-es CNC megmunkáló központnál is a legnagyobb orsóméret 40 mm. Ha nagyobb az orsó nagyobb is lenne, abban az esetben is az orsót támasztó csapágyak és azok házai jelentősen deformálódnának. Így az elmozdulás irányában történő deformáció nem számítható vissza a forgó jeladó segítségével.

Üvegmérőlécek felszerelve a gépváz szerkezeti egységeire

Üvegmérőlécek felszerelve a gépváz szerkezeti egységeire

Mérőlécek esetén az érzékelő-léc párost a relatív álló és mozgó szerkezeti egységre erősítik fel. Például, az előző esetben egy mozgó asztalos gép esetén a mérőléc az asztalra, illetve az Y- irányban haladó mozgó egységre kerül felhelyezésre. Így, ami deformáció befolyásolja az elmozdulás mérését, az a szerkezeti egységek deformációja pusztán. Nézzük meg egy mozgóasztalos gépet, vagy egy egyszerűbb két tengelyes CNC esztergát a burkolata mögött! Mi tűnik merevebbnek? A golyósorsó vagy a rá épített öntvény szerkezet/öntöttvas asztal?

Hajtó motor, mérőléc alkotta szervo kapcsolat

Hajtó motor, mérőléc alkotta szervo kapcsolat

A legfontosabb különbség a forgó jeladó és a haladó mozgást érzékelő mérőlécek között, hogy a mérőléc – ebből a szempontból – független a hajtásrendszertől. Míg az orsó deformációját nem tudja a mérőrendszer kompenzálni, addig a mérőlécek közvetlenül a szerkezeti egység elmozdulását mérik.

A váz és a szerkezeti és hajtás egységek deformációja mellett másik említésre méltó hatás a kopás. A golyósorsók használat közben folyamatosan kopnak, így hosszútávon kotyogás alakulhat ki, melyet tovább erősít a feszített golyósorsók és golyósanyák oldása (természetesen minden mozgó alkatrész kopik, és nincs az az előfeszítés, ami örökké tartana). Ez a hatás a mérési irány vonalába esik.

Külön kapható forgó jeladó, melyet az orsó végére lehet illeszteni

Külön kapható forgó jeladó, melyet az orsó végére lehet illeszteni

A mai vezérlők többsége képes a kotyogás és a kopás kompenzálására, de itt szembeötlik egy üzemviteli tényező is. Gyakran nem kerül kihasználásra a gépek teljes mozgástartománya. Például – a korábbi példát felhasználva – egy 1000 mm-es “X” mozgástartományú gép széria gyártás esetén általában legfeljebb 400-500 mm-t mozog. Természetesen, szerszámváltás esetén- ahol a szerszámtár nem a főorsóházra, hanem a gépvázra van erősítve- ez nem teljesen igaz, de szerszámváltás esetén ritka a gépváz terhelése. Így az orsó egy adott szakaszon kopik csak vissza, illetve nem egy diszkrét tartományon, hanem az orsó mentén a kopás folyamatosan változik. Így elég nehézkes a haladó mozgás kompenzálása. Mérőlécek esetén ezek a hatások nem jelentenek akkora problémát, hiszen a mérőlécek gyakorlatilag függetlenek a hajtásrendszertől.

Apró megjegyzés

Előtoló szervo motor, a forgó jeladója leszerelve

Előtoló szervo motor, a forgó jeladója leszerelve

A szervo motorra illesztett forgó jeladó nem teljes egészében az orsó forgását méri, hanem a motor hajtótengelyének forgását. Az orsó és a motor hajtótengelye között van egy tengelykapcsoló. A leggyakrabban alkalmazott tengelykapcsoló a műanyag betétes tengelykapcsoló, melynek van valamely szög deformációja is, bármilyen minőségű anyagból gyártották.

Ritkán, de előfordul, hogy a forgó jeladót nem a motorra illesztik fel, hanem az orsó másik végére, így a tengelykapcsoló szög deformációja kiküszöbölhető.

Azért alkalmazzák ritkán, mert így bonyolultabb lesz a mozgó egység kialakítása, több elektromos rendszert kell kiépíteni, de mégsem tudunk olyan nagymértékű beállási pontosság javulást elérni. A mai szerszámgépgyártás a kompakt, szervo motorral egybeépített forgó jeladó irányba mozdult el, nem véletlenül.

Kialakításuk

A forgó jeladókat lehet egyedülálló egységként beépíteni, és lehet a hajtó motorokkal együtt. A forgó jeladók egyik nagy kritériuma nem csak az osztások finomsága, sokkal inkább a merőtárcsa központos illesztése a mérendő tengelyhez (motor tengelye). Hasonló az illesztés fontossága mérőléc esetén, szöghiba esetén az léc osztástávolsága nem esik egybe az elmozdulással, így a jelek közötti távolságok változnak, bár nem jelentősen kis szöghiba esetén.

Mérőléc szétszerelt olvasó feje

Mérőléc szétszerelt olvasó feje

Üveg mérőléceket általában két csavarral erősítik fel az adott szerkezeti egységre, míg a jeladó/olvasó egységet egy másik vázelemre. így tudjuk a két szerkezeti elem közötti relatív elmozdulást mérni. A mérőlécek anyag leggyakrabban üveg a kiváló alaktartóssága miatt. A servo motorokba épített forgó jeladók anyaga is gyakran üveg, ritkábban krómozott fém.

Általában az üveg mérőléces gépek szervo motor forgó jeladóját is „fent hagyják”, mintegy ellenőrző jeladóként. Gyakran okozhat üzemelési problémát a két jeladó elhangolódása, bár ezzel komolyabb problémák is megelőzhetővé válnak.

Mérőléc felszerelése

Mérőléc felszerelése

Az előtoló motorok mellet szükséges a főorsó motorok pozíció visszacsatolása is. A merevszárú menetmegmunkálás alapja, hogy a főorsó motor és az előtoló motor(ok) képesek szinkron-pozíció vezérelt mozgásra. Megmunkáló központoknál általában áramvektoros szabályozással képesek elektromosan kezelni a főorsó pozícióját a szükséges pontossággal, de előfordul forgó jeladóval kiépített főorsó is. CNC eszterga központoknál, melyek képesek C-tengelyes pozícionálásra egy fogas szíjon keresztül kivezetik a főorsó tengelyéből a forgó encodert. Számít a szíj nyúlása? Nem, mert a forgó jeladó tehetetlenségi nyomatéka szinte elhanyagolható, így a szíj nyúlása is minimális.

Összefoglalás

Szétbontott forgó jeladó

Szétbontott forgó jeladó

Mint láthattuk, milyen nagy fontossággal bír a konstrukciós kialakítás, még a mai fejlett elektronika világában is. Az üveg mérőlécekkel felszerelt gépek valóban képesek lehetnek jobb beállási és ismétlési pontosságra, mint a forgó jeladóval felszerelt gépek. De mindig szükség van ilyen pontosságra? Ne feledjük, a pontosabb gép, drágább gép is.

Nem feltétlenül szükséges minden alkatrészt 0,001 mm-es tűrésekkel legyártani. A legtöbb hazánkban üzemelő CNC gép forgó jeladós visszacsatolással működik. Mérőléces kialakítást ott szoktak alkalmazni ahol a megmunkálás pontosságának ismétlése feltétlenül szükséges, szűk mérettartományokon belül. Ez főleg szikraforgácsoló gépeknél, szerszámgyártásnál alkalmazott CNC gépeknél jelentős.

Szerző:Juhász Miklós

Forrás:
http://www.directindustry.com/prod/rational-precision-instrument-co-ltd/product-53927-484201.html
http://www.zsinstruments.com/scales.aspx
https://bernardandcompany.wordpress.com/2009/12/23/new-high-performance-compact-servo-motors-for-demanding-motion-control/
http://www.cnczone.com/forums/uncategorised-metalworking-machines/24817-glass-scales-encoders.html
http://www.heidenhain.com/en_US/products-and-applications/linear-encoders/
http://www.heidenhain.com/en_US/products-and-applications/rotary-encoders/
http://w3.siemens.com/mcms/mc-solutions/en/motors/motion-control-motors/simotics-s-servomotors/simotics-s-1fk7/pages/simotics-s-1fk7.aspx
http://www.orientalmotor.com/technology/articles/servo-motor-glossary.html