Aktuální vydání

celé číslo

01

2024

Automatizace skladování, logistiky a manipulace s materiálem

Programovatelné automaty, průmyslové počítače, jednotky I/O, bezpečnostní systémy

celé číslo

Odměřování lineární polohy u obráběcích strojů

Článek seznamuje s technikou pro lineární odměřování (měření polohy) používanou na obráběcích strojích. V úvodu definuje základní pojmy z oboru elektrických soustav obráběcích strojů a servomechanismů, seznamuje s jejich typy (rychlostní, polohový) a se způsoby řízení rychlosti a polohy. Jeho těžištěm je popis provedení a funkce lineárních přírůstkových (inkrementálních) snímačů polohy.

 

Elektromechanická posuvová soustava a regulace

V současné době se pro realizaci posuvu v obráběcích centrech využívá elektromechanická posuvová soustava s rotačním servomotorem nebo náhon lineárními servomotory. V případě elektromechanické posuvové soustavy je digitální (méně často analogový) elektrický rotační servomotor napojen na hřídel kuličkového šroubu. Elektrický servomechanismus (obr. 1) je regulační soustava tvořená elektromotorem, výkonovým polovodičovým měničem pro napájení a řízení motoru a regulátorem pro řízení polohy, resp. otáček. Součástí motoru obvykle bývají, podle principu užitého odměřování, snímače rychlosti, popř. polohy. Rychlostní (otáčkový) servomechanismus má pouze otáčkovou zpětnou vazbu. Zpětná vazba je určena pro sledování okamžité hodnoty veličiny (zde otáček) a umožňuje rychlé a přesné sledování zadané rychlosti. Přitom zadávaná rychlost může být výstupem nadřazeného regulátoru, kterým je regulátor polohy. Polohový servomechanismus je určen pro řízení polohy – buď úhlu natočení, nebo posuvu. Na posuvové soustavy jsou kladeny požadavky velké tuhosti, velkého regulačního rozsahu, přijatelné dynamiky a kinematiky a dále přesnosti signálů bez zkreslení, včetně kvalitní regulace. Elektromechanická posuvová soustava se skládá z části systému CNC pro řízení polohy, servomechanismu, mechanické části posuvu a zpětné vazby na stroji či servomotoru (snímače polohy). Pro splnění uvedených požadavků na posuvové soustavy jsou posuzovány zejména tyto parametry servopohonu [1]:
  • propustné pásmo rychlostní smyčky bez polohové vazby a bez zátěže (nejvyšší frekvence vstupního signálu, kterou dokáže pohon ještě sledovat) má být f ≥ 70 Hz,
  • nerovnoměrnost hodnost malých rychlostí (poměr kolísání okamžité rychlosti ke střední rychlosti pohonu) má být v přijatelných mezích,
  • dosažitelné zesílení polohové smyčky (hodnota Kv) má být co největší,
  • dynamická tuhost, která určuje chování pohonu při působení vnějších sil, proměnných v čase – je definována jako rázová (odezva na skokovou změnu zatížení) nebo jako frekvenční (odezva na harmonicky proměnnou zatěžující sílu) – má být co největší.
  •  

Při regulování polohy obráběcích strojů se systémem CNC je používána vlečná (sledovací) regulace, kdy regulovaná veličina sleduje časový průběh zadávané řídicí veličiny (s časovým zpožděním). Je řešena jako kaskádová regulace, v níž je polohová smyčka nadřazena rychlostní smyčce. Požadovanou polohu Xpoz vypočítává řídicí systém CNC. Snímač polohy udává skutečnou polohu stolu obráběcího stroje Xsk. Regulátor polohy potom průběžně vypočítává regulační odchylku polohy ΔX, která je dána rozdílem požadované a skutečné polohy, a předává pohonu signál o požadované rychlosti vpoz. Požadovaná rychlost vpoz je dána součinem rychlostního zesílení Kv a regulační odchylky:

 
vpoz = Kv ΔX = Kv (XpozXsk)
 
Rychlostní zesílení Kv charakterizuje zpětnovazební přenos nebo, jinak řečeno, strmost charakteristiky zesilovače signálu snímače polohy. Čím je nastavená hodnota zesílení Kv větší, tím pohon reaguje rychleji. Nastavení zesílení je ale nutné konfrontovat s mechanickými vlastnostmi pohybového mechanismu, zejména s momentem setrvačnosti redukovaným na hřídel motoru a s vlastní mechanickou frekvencí.
 
Rotační servopohon může být ke kuličkovému šroubu připojen přímo pomocí spojky, prostřednictvím vloženého převodu (řemenu, ozubeného kola), vloženou převodovkou (P) či kombinací uvedených (obr. 2). Vhodný způsob napojení závisí na kinematických, dynamických nebo statických poměrech, které je nutné posuzovat případ od případu.
 

Odměřování délkové polohy

Pro odměřování polohy1) jsou používány snímače polohy. Významně se podílejí na výsledné kvalitě a přesnosti polohování celého stroje. Charakteristickým parametrem snímačů délkové (lineární) polohy je jejich základní inkrement. Inkrement charakterizuje rozlišení snímače polohy – je to nejmenší délkový úsek, který je snímač schopen rozlišit. Role snímače polohy v celém servomechanismu je patrná z předešlého výkladu. Na obr. 3 je uveden základní způsob připojení odměřovacích zařízení použitých při lineárním odměřování v obráběcích strojích se systémy CNC.
 
Při přímém odměřování2) jsou v současné době využívány lineární snímače, které snímají skutečnou polohu pohybující se části stroje, např. stolu nebo suportu obráběcího stroje (schéma vpravo nahoře na obr. 3). Pravítko je spojeno s pohybující se částí pohybové osy a poloha je vyhodnocována jako relativní pohyb vzhledem ke snímací hlavě (jezdci snímače), uchycené na pevnou část stroje. U nepřímého odměřování jsou využívány rotační snímače polohy. Snímač potom může být připojen přímo na konci kuličkového šroubu (schéma vlevo nahoře na obr. 3) nebo je vestavěn do servomotoru (schéma na obr. 3 vlevo dole).
 
Často je používáno přírůstkové (inkrementální) odměřování polohy. Signály ze snímačů mají charakter impulzů, které nesou informaci o změně polohy (inkrementu). Jejich sumací (přičítáním nebo odčítáním) je vytvářen výsledný údaj o poloze. Při výpadku napájení se však tento údaj ztratí. I kdyby byl polohový údaj zachován záložním napájením, nelze registrovat změny polohy, které nastaly během výpadku napájení (např. odtlačením, uvolněním, ruční manipulací). Proto je nutné po opětovném zapnutí nejprve aktualizovat hodnotu údaje o poloze – najet do tzv. referenčního bodu se známou polohou, jejíž údaj se nastaví do paměti odměřování. Po zapnutí stroje je nezbytné najet na referenční bod ve všech souřadnicích s přírůstkovým odměřováním – dříve to vyžadovalo ruční zásah a bývala to poměrně zdlouhavá operace, obzvláště u rozlehlých strojů3).
 
Inkrementální snímače polohy generují dvojici výstupních signálů fázově posunutých o 90°. Tyto signály mají obdélníkový nebo sinusový průběh4). Uvedené výstupy se staly standardem i pro snímače polohy, které pracují na jiném principu. Výhodou sinusových průběhů je možnost zvolit přídavné zjemnění rozlišovací schopnosti interpolátorem; ve snímačích s obdélníkovými výstupy je interpolátor vestavěn, nebo jej vůbec nemají.
 
Absolutní snímač polohy v sobě trvale uchovává úplnou informaci o aktuální poloze a není nutné využívat referenční polohu – okamžitě po obnovení napájení zná odměřovací systém svou aktuální polohu a může být ihned použit.
 

Příklady lineárního snímače polohy

Lineární snímače polohy často pracují na principu fotoelektrického snímání jemných rastrů. Lineární odměřování může pracovat se skleněným měřítkem (obr. 4) opatřeným rastrem vyrobeným odleptáním napařené neprůhledné vrstvy s fotocitlivým lakem. Perioda dělení mřížky je 10 nebo 20 μm. Mřížka (rastr) se skládá z rysek, které nepropouštějí světlo, a mezer, které světlo propouštějí – oba prvky by měly mít stejnou šířku (je to, kromě ostrosti hran, významný ukazatel kvality měřítka) a jsou umístěny na jedné stopě. Na souběžné stopě se nacházejí referenční značky. Snímací hlava obsahuje zdroj světla s kondenzorem. Světlo dále prochází snímací maskou, která je rovněž vybavena rastrem, a dopadá na senzory světla – fotodiody, fototranzistory nebo prvky CCD. Při pohybu snímací hlavy vzhledem k měřítku se střídavě překrývají mezery a rysky mřížky měřítka a snímací masky a procházející světelný tok, který dopadá na fotosenzory, se mění – okénka masky se střídavě „zatemňují“ a „rozsvěcují“. Periodické změny osvětlení jsou registrovány fotosenzory a převáděny na odpovídající průběh elektrických signálů. Perioda signálu odpovídá periodě dělení mřížky měřítka vydělené stupněm interpolace (bez interpolátoru je perioda signálu rovna periodě mřížky na pravítku). Současně senzory poskytují referenční signál.
 
Popsaný princip snímání je označován jako transparentní. U lineárních systémů odměřování může být nosičem mřížky také ocelový pásek. Mřížka se skládá z rysek, které světelné záření odrážejí, a z mezer, které záření pohlcují. Jinak je princip podobný: při vzájemném pohybu ocelového měřítka a snímací hlavy se mění osvětlení senzorů světla a tyto změny jsou převáděny na výstupní signál snímače. Tento princip je označován jako reflexní.
 
Inkrementální snímače polohy mají kromě periodického rastru obvykle ještě referenční značky, potřebné pro určení absolutní vztažné polohy vzhledem k počátku měřítka. Referenční značky jsou vytvořeny nepravidelným dělením. Dělení referenčního bodu připomíná čárový kód, ale jeho účelem není identifikace, ale to, aby při přejetí odpovídající snímací mřížky přes referenční značku byl generován signál s co nejostřejší špičkou, která udává polohu referenčního bodu. Mnohé firmy dnes vyrábějí skleněná měřítka (a obdobně i snímače úhlového natočení) s referenčními značkami v kódovaných roztečích, kde je rozteč mezi jednotlivými referenčními značkami rozdílná. Při přejetí dvou sousedních referenčních značek tak snímač získá informaci o absolutní poloze.
 
Je-li rozteč rysek lineárního snímače polohy (obr. 5) příliš malá, začne se výrazně projevovat ohyb světla na mřížce. Dříve byl tento jev považován za rušivý, ovšem dnes je u snímačů s velmi jemným rozlišením naopak využíván. Rozteč stupňů nasvětlovací schodovité fázové mřížky je asi 0,2 μm a snímací maska je opatřena odpovídající prosvětlovanou mřížkou. Relativním pohybem měřítka vzhledem ke snímací masce na senzorech světla opět vznikají pilové signály, které jsou odpovídajícím způsobem upraveny na dva pravoúhlé signály navzájem posunuté o 90° elektrických. Lineární snímače polohy s interferencí světelného toku umožňují dosáhnout velké přesnosti a velmi jemného kroku měření.
 

Zásady umístění snímače polohy

Pro umístění snímače polohy (pro jeho tvar se mu často říká odměřovací pravítko) vzhledem k pohonnému prvku (kuličkový šroub nebo motor s pastorkem a ozubený hřeben) platí tato pravidla:
  • vzdálenost mezi pohonným prvkem a snímačem by měla být co možná nejmenší, tím vzniká odolnost proti kmitům vlivem křížení [1],
  • snímač na obráběcím stroji by měl být umístěn co nejblíže k nástroji,
  • je třeba dodržovat Abbého princip: osa snímače má být pokračováním měřené osy.
 

Závěrečná poznámka

Poznamenejme na závěr, že v současné době sice lze dělat téměř technické zázraky, např. instalací snímačů polohy zpřesnit i nepříliš kvalitně mechanicky provedený stroj. To však není příliš dobrá cesta k trvalému úspěchu, protože dříve či později dojde vlivem provozu k rozladění takové „mechatronické soustavy“. Výrobci strojů musí umět nalézt kompromis mezi cenou, mechanickým provedením stroje, způsobem a druhem odměřování a elektronickými kompenzacemi nejistot a vůlí tak, aby u svých zákazníků neztratili dobrou pověst.
 
Literatura:
[1] SKALLA, J.: Návrh a dimenzování polohových servomechanismů obráběcích strojů. Habilitační práce, Technická univerzita Liberec, Fakulta strojní, 1995.
 
prof. Dr. Ing. Jiří Marek,
TOSHULIN, a. s.
 
Obr. 1. Blokové schéma rychlostně-polohového servomechanismu
Obr. 2. Způsoby napojení servopohonu na kuličkový šroub (P – převodovka)
Obr. 3. Přímé a nepřímé odměřování polohy (AC – servomotor, OZ – snímač polohy)
Obr. 4. Fotoelektrický princip měření se skleněným měřítkem (se souhlasem firmy Heidenhain): M – skleněné měřítko s rastrem, C – perioda rastru, A – deska snímací hlavy, L – polovodičový zdroj světla, K – kondenzor, P – fotodiody, R – referenční značka
Obr. 5. Interferenční princip měření s fázovou mřížkou měřítka – schematické znázornění (se souhlasem firmy Heidenhain)
 
1) Pozn. autora: V oboru obráběcích strojů je zaveden termín „odměřování“ ve významu „měření polohy“.
2) Pozn. autora: U starších strojů byl k přímému odměřování použit rotační snímač, který byl s pohyblivou částí stroje spojen bezvůlovým ozubeným převodem (hřebínek – dělený pastorek).
3) Pozn. red.: Moderní lineární inkrementální snímače polohy proto mívají referenčních bodů několik; někdy musí obsluha vyhodnotit, zda stroj dojel na referenční bod vlevo, vpravo, nebo ve středu osy, někdy dokáže řídicí systém sám rozlišit, ve kterém referenčním bodě se nachází.
4) Pozn. red.: Ve skutečnosti nejde o sinusový průběh, ale o pilový průběh se zaoblenými „špičkami“, který velmi připomíná sinusový průběh.