Kalibracja enkodera: o czym warto pamiętać

Wytwarzanie bardzo małych elementów, jak na przykład układów scalonych, w przypadku których krytycznymi odległościami są dziesiąte części nanometra, wymaga bardzo precyzyjnych elementów wykonawczych. Stworzenie bardzo dokładnego liniowego enkodera wymaga z kolei bardzo dużej, pikometrowej dokładności kontroli pozycji silników. Jeden z największych problemów stanowią wówczas zmiany temperatury.

Z drugiej strony, w przypadku robotów wykorzystywanych w procesach obróbczych w obrabiarkach CNC, najbardziej wymagające elementy będą najczęściej miały tolerancje pięć, sześć razy rzędów niższą niż te wymagane przy tworzeniu wysokiej precyzji enkoderów. Kalibracja temperaturowa jest tu znacznie mniej istotna.
Wnioski, jakie można wyciągnąć z powyższych przykładów, są takie, że na pytania dotyczące kalibracji zawsze odpowiadamy w kontekście konkretnej aplikacji. Przy poziomach precyzji wymaganych w obrabiarkach CNC zazwyczaj stosuje się perfekcyjnie stabilne enkodery absolutne wykonane z zeroduru, czyli szkła z „zerowym współczynnikiem temperaturowym” (ang. zero-temperature-coeficient). Stosowane są również enkodery obrotowe, które są dużo bardziej odporne na zmiany temperatury niż enkodery liniowe. Tradycyjna kalibracja, która eliminuje zmiany pojawiające się wraz ze starzeniem się urządzeń, jest dla tych zastosowań zbyteczna.
Niebezpieczne punkty enkoderów
Generalnie kalibracja jako taka nie odnosi się jedynie do powolnych zmian związanych ze starzeniem się urządzeń. W obrębie zainteresowań działu kalibracji znajduje się wszystko, co może wpłynąć na dokładność finalnego położenia narzędzia. Dlatego też tak ważne jest spojrzenie na strukturę typowego robota i wyszukanie wszystkich słabych punktów, w których mogą powstawać błędy pomiarowe.
Optyczne enkodery obrotowe składają się z dysku z naniesionymi punktami podziałki, którego obrót w pobliżu czujnika odczytu wytwarza sygnał wyjściowy. Dyski enkoderów często montowane są do obudowy silnika napędzającego oś, zaś sensory na zewnętrznym wałku. Pominąwszy bezpośrednie uszkodzenie dysku lub zniszczenie czujnika, istnieją jeszcze trzy miejsca, w których może stać się coś, co obniży dokładność pomiaru.
Redundatny sygnał enkoderowy: dobry sposób na poślizg
Pierwszym z niebezpiecznych punktów jest miejsce przymocowania enkodera do obudowy silnika. Każde przesunięcie, poślizg dysku enkodera w stosunku do obudowy silnika spowoduje zakłócenie i w konsekwencji przekłamania pomiarów. Podobnie, każde przesunięcie (poślizg) pomiędzy ramieniem, na którym zamocowany jest czujnik a (nazwijmy to sobie jak chcemy) dźwignią czy ramieniem, na której zamocowane jest narzędzie, spowoduje błąd pomiaru. I w końcu, jeśli samo ramię odkształca się, gnie czy z jakiegokolwiek powodu zmienia wymiary, to narzędzie obrabiarki CNC nie będzie znajdowało się tam, gdzie sterownik będzie „myślał”, że jest.
Jednym ze sposobów przeciwdziałania tym problemom jest wprowadzenie redundantnego sygnału enkoderowego. Sterownik robota śledzący tor ruchu narzędzia, oprócz standardowego sygnału z enkodera absolutnego, może wykorzystywać również pomiar redundantny. Każde zdarzenie (np. kolizja z podnośnikiem widłowym) na tyle poważne, że powodujące przesunięcie enkodera lub nawet deformację ramienia obrabiarki, spowoduje utratę pewnej liczby impulsów w sygnale redundantnym. Stały monitoring pozycji wskazywanej przez redundantne kanały pozwoli kontrolerowi na zauważenie poślizgów enkodera i wywołanie alarmu.
„Naprawa” enkoderów nie jest konieczna. Powrót do stanu sprzed poślizgu, straty impulsów i – co za tym idzie – zaistnienia błędu pozycji, wymagałby jedynie znalezienia nowej wartości offsetu (kompensacji) dla enkodera absolutnego i wyzerowania rejestru pozycji enkodera inkrementalnego.
C.G. Masi