Imagine desbloquear a precisão das máquinas-ferramentas com uma simples superfície de vidro. As escalas de grelha linear fazem exatamente isso, transformando linhas finas em medições altamente precisas. Este artigo explora o funcionamento destas escalas, desde a sua estrutura até às suas aplicações práticas. Irá descobrir como amplificam a deslocação e melhoram a precisão em várias tarefas de maquinação. No final, compreenderá porque é que estas ferramentas são essenciais para o fabrico moderno e como podem melhorar a precisão e a eficiência dos seus projectos.
No mundo da engenharia de precisão, alcançar o mais alto nível de exatidão é fundamental. As escalas de grelha, muitas vezes referidas como os heróis anónimos da medição, desempenham um papel crucial nesta busca pela perfeição. Estes dispositivos sofisticados, incluindo réguas de grelha e escalas lineares, são indispensáveis em várias aplicações, desde maquinação CNC a operações de fresagem, retificação e torno. Mas o que é que faz exatamente com que as réguas graduadas sejam tão vitais, e como podem ser mantidas adequadamente para garantir que cumprem a precisão que prometem?
Este artigo mergulha no fascinante domínio das balanças de grelha, desvendando as suas complexidades técnicas e explorando as suas diversas aplicações. Descobrirá como diferentes materiais, como o aço, o vidro e a cerâmica, contribuem para a funcionalidade destas balanças e compreenderá as nuances dos graus de precisão que definem o seu desempenho. Além disso, forneceremos dicas práticas sobre como manter e cuidar das suas balanças de grelha para as manter em condições óptimas, garantindo que continuam a fornecer medições precisas.
Quer seja um engenheiro que procura melhorar a precisão da sua máquina CNC ou um técnico à procura de conselhos de manutenção, este guia abrangente irá equipá-lo com os conhecimentos de que necessita. Junte-se a nós enquanto exploramos os aspectos essenciais das balanças de grelha, esclarecendo como estas melhoram a precisão em várias indústrias e ajudando-o a tomar decisões informadas para as suas necessidades específicas.
As escalas de grelha funcionam com base nos princípios de interferência ótica e difração. São constituídas por linhas finamente espaçadas, ou grelhas, que interagem com a luz para criar padrões mensuráveis. Estes padrões são analisados para determinar posições exactas.
Quando a luz passa através ou se reflecte na grelha, é difractada em vários feixes, cujos ângulos e intensidades dependem do espaçamento entre linhas da grelha e do comprimento de onda da luz. Ao medir a mudança de fase ou o padrão de interferência destes feixes, a posição da escala pode ser determinada com exatidão.
Os componentes principais incluem a régua de grelha com linhas finamente espaçadas, um sensor de cabeça de leitura que se move ao longo da régua, uma fonte de luz como LEDs ou lasers para iluminação e uma unidade de processamento de sinal que converte os sinais da cabeça de leitura em dados posicionais.
As balanças de grelha existem em vários tipos, incluindo as balanças de grelha ótica, de vidro e de aço, cada uma concebida para aplicações específicas.
As balanças ópticas utilizam a luz para ler o padrão da grelha. São conhecidas pela sua elevada precisão e são normalmente utilizadas em aplicações que requerem uma precisão de medição fina, como a maquinagem CNC e os instrumentos de laboratório.
As escalas de grelha de vidro incorporam grelhas gravadas ou depositadas num substrato de vidro. Estas são altamente estáveis e proporcionam uma excelente exatidão, tornando-as adequadas para aplicações de alta precisão.
As balanças de grelha de aço apresentam grelhas gravadas num substrato de aço. São robustas e adequadas para ambientes industriais agressivos.
As escalas de grelha são classificadas por graus de exatidão, que indicam a sua precisão e resolução.
Grelha - Muitas pequenas riscas (linhas gravadas) de igual distância e alternância de brilho e escuridão são uniformemente gravadas numa superfície de vidro revestido.
a - é a largura das linhas da grelha (não transparente)
b - é a largura do espaço entre as linhas da grelha (transparente)
a+b=W passo da grelha (também conhecido como constante da grelha)
Normalmente, a=b=W/2, mas também pode ser gravado como a:b=1,1:0,9.
As grelhas habitualmente utilizadas são gravadas com 10, 25, 50, 100 ou 250 linhas por milímetro.
Franjas de moiré - Quando duas grelhas de passo igual (Grelha 1 e Grelha 2) são sobrepostas face a face, deixando um pequeno espaço no meio, e o pequeno ângulo de grelha θ é formado entre as duas linhas de grelha, aparecem riscas claras e escuras alternadas na direção próxima da linha de grelha vertical.
Na linha d-d, as duas linhas da grelha sobrepõem-se e a área transparente é a maior, formando a banda brilhante da risca - constituída por uma série de padrões de losangos.
Na linha f-f, as duas linhas da grelha estão deslocadas, formando a banda escura da faixa - constituída por alguns padrões de linhas cruzadas pretas.
A medição do deslocamento da franja de Moire tem as três características seguintes:
(1) Efeito de amplificação da deslocação
Largura da banda BH - quando a grelha se move para a frente ou para trás num passo da grelha, as franjas de Moire movem-se para a frente ou para trás numa largura de banda.
A relação entre BH e θ:
À medida que θ diminui, BH aumenta. Por conseguinte, W é amplificado por 1/θ. Por exemplo, quando θ=0,1°, 1/θ=573, o que significa que BH é 573 vezes o passo da grelha W. Isto significa que a grelha tem um efeito de amplificação do deslocamento, aumentando assim a sensibilidade da medição.
(2) Direção do movimento da franja de moiré
Quando a Grelha 1 se desloca para a direita ao longo da linha de corte na direção vertical, as franjas de Moiré deslocam-se para cima ao longo das linhas de grelha da Grelha 2. Por outro lado, quando a grelha 1 se desloca para a esquerda, as franjas de Moiré deslocam-se para baixo ao longo das linhas da grelha da grelha 2. Assim, a direção do movimento da Grelha 1 pode ser identificada como a direção do movimento das franjas de Moiré →.
(3) O efeito médio do erro
As franjas de Moiré são formadas pelo grande número de linhas gravadas numa grelha e têm um efeito contra-ativo sobre o erro de gravação das linhas. Este efeito pode reduzir significativamente a influência de erros de curto período.
Cabeça de leitura de grelha: Utiliza o princípio das grelhas para converter a quantidade de entrada (deslocamento) num sinal elétrico correspondente.
Componentes: Grelha de régua, grelha indicadora, sistema de percurso ótico, elementos fotoeléctricos, etc.
Ecrã digital de grelha: Para discernir a direção do deslocamento, aumentar a precisão da medição e permitir a visualização digital, o sinal de saída da cabeça de leitura da grelha deve ser convertido num sinal digital.
Componentes: Circuito de amplificação da forma, circuito de subdivisão, circuito de discriminação direcional e circuito de visualização digital, etc.
A régua de grelha é constituída por um corpo de escala fixo e uma cabeça de leitura móvel.
O corpo da balança fixa é um invólucro de alumínio concebido para proteger a régua, a unidade de leitura e as calhas de guia no interior contra danos causados por lascas, pó ou salpicos de água.
A cabeça de leitura móvel é constituída por uma unidade de leitura, um conetor de precisão e um bloco de instalação. O conetor de precisão liga a unidade de leitura ao bloco de instalação, que compensa pequenos erros mecânicos nas calhas de guia.
A régua de grelha linear é utilizada para medir a posição do movimento do eixo linear. Como mede diretamente a posição mecânica, pode refletir com precisão a posição real da máquina-ferramenta.
Ao utilizar a régua de grelha linear para medir a posição da corrediça, o circuito de controlo da posição inclui todos os mecanismos de alimentação. Este é o modo de controlo em circuito fechado. O erro de movimento mecânico é detectado pela régua de grelha linear na placa deslizante e corrigido pelo circuito do sistema de controlo.
Por conseguinte, pode eliminar potenciais erros de várias fontes:
Equipamento de processamento: tornos, fresadoras, mandriladoras e rectificadoras, perfuração máquinas, máquinas EDM, corte por fio, centros de maquinagem, etc.
Instrumentos de medição: projectores, instrumentos de medição de imagem, microscópios de ferramentas, etc.
Também pode compensar erros de movimento da ferramenta em Máquina CNC ferramentas
Equipado com PLC para medição de deslocamentos em diversos mecanismos automatizados.
O princípio de medição da régua de grelha incremental consiste em modular a luz através de duas grelhas que se movem mutuamente em franjas de Moiré. Através da contagem e da subdivisão das franjas de Moiré, obtém-se a alteração do deslocamento. A posição absoluta é determinada pela fixação de um ou mais pontos de referência na grelha graduada.
Características:
A régua de grelha tem vantagens como uma estrutura simples, longa vida útil mecânica, alta fiabilidade, forte capacidade anti-interferência, longa distância de transmissão, alta precisão e baixo custo.
No entanto, os sensores de grelha incremental também apresentam deficiências. As réguas de grelha incrementais só podem emitir a posição relativa da rotação do eixo.
O ponto de referência deve ser definido sempre que a alimentação é desligada ou reiniciada, e existe algum erro de subdivisão no método de processamento do sinal.
O princípio de medição da régua de grelha absoluta consiste em codificar diretamente os dados da posição absoluta sob a forma de códigos na grelha, fazendo cintilar as linhas da grelha com diferentes larguras e espaçamentos na régua de grelha.
O equipamento eletrónico subsequente pode obter informações sobre a posição enquanto a régua de grelha estiver ligada.
Vantagens:
A informação sobre a posição atual pode ser obtida diretamente após a ligação, sem necessidade de uma operação de "colocação em zero", simplificando a conceção do sistema de controlo. O cálculo da posição absoluta é efectuado na cabeça de leitura sem necessidade de circuitos de subdivisão subsequentes. A utilização da tecnologia de comunicação em série bidirecional assegura uma comunicação fiável.
A posição absoluta da régua de grelha é determinada por meio de marcadores de referência (posições zero).
Para encurtar a distância de regresso à posição zero, a Heidenhain concebeu marcadores de referência com código de distância dentro do comprimento de medição.
A posição absoluta da régua de grelha pode ser determinada de cada vez que dois marcadores de referência (com uma distância determinada por algoritmos matemáticos) são passados.
Os codificadores com pontos de referência codificados por distância têm a letra "C" após o número do modelo (por exemplo, LS 487C).
Ponto de referência único
Pontos de referência equidistantes.
Ponto de referência codificado em termos de distância/tipo C.
| Ciclo de sinais | número do incremento nominal | distância máxima de deslocação | |
| LF | 4μm | 5000 | 20 mm |
| LS | 20μm | 1000 | 20 mm |
| LB | 40μm | 2000 | 80 mm |
Escala linear absoluta não referenciada
Sinal absoluto: Endat, Fanuc serial, Siemens, Mitsubishi, Panasonic, etc.
Sinal incremental: Sinal de onda sinusoidal (sinal de 1 Vpp), sinal de onda quadrada (sinal TTL).
1. Passo da grelha:
A escala linear emite sinais eléctricos e o passo da grelha refere-se às linhas físicas da grelha na escala linear. Sempre que a escala linear se move uma distância igual ao passo da grelha, o sinal elétrico de saída muda um ciclo.
Exemplo: Quando o passo da grelha é de 20um, se a escala linear se deslocar uma distância de 20um, a escala linear produzirá uma onda sinusoidal com um desvio de fase de 360° e uma diferença de duas fases de 90°.
2. Ciclo de sinais:
Com o desenvolvimento da tecnologia de medição, é agora possível utilizar circuitos de multiplicação de frequências na cabeça de leitura da escala linear para multiplicar a onda sinusoidal gerada por cada sinal de linha de grelha.
Por conseguinte, o ciclo de saída do sinal da escala linear pode ser refinado. O sinal após ser multiplicado pela cabeça de leitura é muito mais denso do que o sinal original da linha de grelha, e o comprimento do sinal densificado é chamado de ciclo de sinal.
Se a cabeça de leitura não tiver capacidade de multiplicação de frequências, então o passo da grelha é igual ao ciclo do sinal.
3. Multiplicação de frequências:
A multiplicação de frequências pode ser entendida como a densificação do sinal original. A multiplicação de frequências pode encurtar o período de uma onda sinusoidal, encurtar a distância medida correspondente a cada período e melhorar a precisão da medição.
Os métodos comuns de multiplicação da frequência incluem: multiplicação da frequência da cabeça de leitura, instrumentos de pós-multiplicação (fornecidos pelos fabricantes de balanças lineares, semelhantes a pré-amplificadores, utilizados para amplificação do sinal e multiplicação da frequência), multiplicação da frequência de Sistemas CNC, etc.
4. Etapa de medição:
Os sinais de onda sinusoidal que passaram pela multiplicação de frequência são utilizados para medir a posição. Devido a limitações no processo de fabrico, no nível de erro e na capacidade de processamento do circuito de registo de posição da escala linear, é impossível multiplicar infinitamente o sinal original de inclinação da grelha.
Por isso, os fabricantes de balanças lineares têm um passo de medição recomendado para cada tipo de balança linear. Este valor refere-se à distância mínima de medição que a balança linear pode tolerar. Dentro deste intervalo de passos de medição, a precisão nominal de medição da balança linear pode ser alcançada.
Em comparação com os sistemas CNC, este passo de medição é normalmente a unidade de instrução mínima do sistema. Da mesma forma, esta especificação técnica também especifica a exatidão de medição (resolução) da escala linear.
5. Resolução:
A precisão da medição refere-se à alteração mínima do comprimento que a escala linear pode ler e produzir, como 5um, 1um, 0,5um, 0,1um.
6. Precisão da medição:
A precisão da medição refere-se à precisão dos dados do sinal emitido pela escala linear para o comprimento real que está a ser medido.
Erro de posição em toda a gama de medição: Se o valor máximo do erro de posição estabelecido com base no valor médio dentro de qualquer intervalo de medição de 1 m de comprimento se situar dentro de ±a, então ±a um é o nível de exatidão.
Nas escalas lineares fechadas, estes dados reflectem a precisão da escala linear, incluindo a cabeça de leitura, ou seja, a precisão do sistema. (Heidenhain: ±0,1, ±0,2, ±0,5, ±1, ±2, ±3, ±5, ±10, ±15um)
Erro de posição num único ciclo de sinal:
O desvio de posição num único ciclo de sinal é determinado pela qualidade da grelha, pela qualidade do varrimento e pelo ciclo de sinal da escala linear. O erro de posição num único ciclo de sinal situa-se geralmente entre ±2% e ±0,5% do ciclo de sinal.
Quanto mais pequeno for o ciclo do sinal, menor será o erro num único ciclo de sinal. Isto é muito importante para a precisão do posicionamento durante o movimento lento e o movimento do eixo e para o controlo da velocidade durante o movimento do eixo, o que determina a qualidade da superfície e a qualidade das peças processadas.
| O ciclo de sinal do sinal de varrimento | O erro máximo de interpolação num ciclo de sinal único | |
| F L | 4μm | 0,08 μm |
| LC181 | 16μm | 0,3μm |
| LC481 | 20 μm | 0,4μm |
| LS | 20 μm | 04 μm |
| LB | 40 μm | 0,8μm |
Ao selecionar uma balança linear para aplicações de medição de precisão, vários factores críticos devem ser cuidadosamente avaliados para garantir um desempenho ótimo e a compatibilidade com os seus requisitos específicos:
Comprimento de medição: Determinar a gama de medição necessária, tendo em conta tanto a distância máxima de deslocação como quaisquer potenciais necessidades de expansão futura.
Interface de sinal: Escolha entre várias opções de saída, incluindo:
Passo da grelha: Selecionar o período da grelha adequado com base na resolução e precisão necessárias. Os passos mais pequenos oferecem geralmente uma maior precisão, mas podem ter limitações na medição do comprimento.
Velocidade de medição: Considere a velocidade máxima de deslocação da sua aplicação para garantir que a balança consegue seguir com precisão as alterações de posição à velocidade necessária.
Nível de exatidão e resolução: Determine o nível de precisão necessário para a sua aplicação, considerando tanto a exatidão inerente à balança como as suas capacidades de resolução.
Espaço para a posição de instalação: Avaliar o espaço de montagem disponível e as condições ambientais para selecionar uma balança com dimensões e índices de proteção adequados.
Método de estabelecimento de pontos de referência: Escolha entre escalas incrementais com marcas de referência ou escalas absolutas, dependendo dos seus requisitos de localização e referência.
Além disso, considere factores como a resistência ambiental (temperatura, vibração, contaminação), a interface com o seu sistema de controlo e a fiabilidade a longo prazo ao fazer a sua seleção final.
Seguem-se as respostas a algumas perguntas frequentes:
Uma grelha de medição é um instrumento de medição de precisão utilizado para determinar a posição ou a distância com grande exatidão. Funciona com base no princípio da difração ou na deteção de transições periódicas. Nas balanças de grelha ótica, uma fonte de luz projecta-se sobre uma grelha - uma estrutura periódica de linhas ou ranhuras - criando um padrão de áreas claras e escuras. À medida que a balança se move, os sensores detectam estas transições e convertem-nas em sinais electrónicos, que são depois contados para determinar a posição exacta relativamente a um ponto de referência. Este método permite medições altamente precisas e repetíveis, essenciais em aplicações como maquinagem CNC, fresagem, retificação e operações de torno.
As escalas de grelha melhoram a precisão na maquinagem CNC através de vários mecanismos chave. Fornecem medições de alta resolução, frequentemente ao nível de microns ou submicrons, permitindo a deteção precisa de pequenas alterações de deslocamento na ferramenta ou na peça de trabalho. Esta alta resolução garante que a maquinação cumpre requisitos de precisão rigorosos. Além disso, as escalas de grelha oferecem monitorização e feedback em tempo real do estado de deslocamento ou movimento, permitindo que o sistema CNC detecte e corrija prontamente quaisquer desvios. Este feedback em tempo real forma um sistema de controlo em circuito fechado com o controlador CNC, comparando continuamente os dados da posição real com os valores definidos e efectuando os ajustes necessários para manter a precisão. As tecnologias ópticas avançadas utilizadas nas balanças de grelha modernas aumentam a força do sinal e a resistência às interferências, assegurando um funcionamento fiável mesmo em ambientes adversos. O design robusto destas balanças, incluindo caraterísticas como rolamentos de alta qualidade e resistência IP54 à água e ao pó, contribui ainda mais para a sua durabilidade e fiabilidade, reduzindo os custos de manutenção e o tempo de inatividade. No geral, estas capacidades melhoram coletivamente a precisão e a eficiência das operações de maquinação CNC.
Os graus de precisão comuns das escalas de grelha incluem 5 mícrones, 3 mícrones e 2 mícrones. O grau de precisão de 5 mícrones é frequentemente preferido em centros de maquinagem CNC devido ao seu equilíbrio entre precisão e custo. Estas balanças são essenciais para medições de alta precisão em várias aplicações, como maquinaria CNC, sistemas de automação e metrologia. A resolução das escalas de grelha pode variar, com resoluções comuns incluindo 10 μm, 5 μm, 1 μm e 0,5 μm, tornando-as adequadas para uma vasta gama de tarefas de precisão.
As balanças de grelha são normalmente utilizadas numa variedade de medições precisas e aplicações industriais devido à sua elevada precisão e fiabilidade. As principais áreas onde as balanças de grelha são normalmente utilizadas incluem maquinaria e automação CNC, onde fornecem dados de posição precisos para um movimento exato e consistente dos componentes da máquina. São também utilizadas em metrologia para medições de alta precisão, calibrando e verificando a precisão de outros instrumentos de medição. Na medição industrial, as escalas de grelha são cruciais para medições lineares e angulares em ambientes de fabrico, controlo de qualidade e investigação. Além disso, são essenciais na engenharia de precisão para obter um posicionamento e movimento precisos na produção de peças de precisão, robótica e outras tecnologias de fabrico avançadas.
Para manter e limpar uma balança de grelha, siga estas diretrizes para garantir a precisão e a longevidade:
Ao aderir a estas práticas de manutenção e limpeza, pode garantir que as suas balanças de grelha permanecem precisas e funcionais durante longos períodos.
As diferenças entre os vários tipos de escalas de grelha - aço, vidro e ótica - residem principalmente nos seus materiais, aplicações, requisitos de precisão e necessidades de manutenção.
As grelhas de aço são normalmente utilizadas em ambientes industriais para tarefas como pavimentos, degraus de escadas e drenos. São conhecidas pela sua durabilidade e capacidade de suporte de carga. As grelhas de aço requerem uma manutenção relativamente baixa, mas devem ser periodicamente limpas e inspeccionadas quanto à sua integridade estrutural.
As escalas de grelha de vidro, frequentemente utilizadas em ferramentas de medição de precisão, proporcionam uma elevada exatidão e estabilidade. São menos susceptíveis à expansão térmica do que as balanças de metal, o que as torna adequadas para ambientes onde as mudanças de temperatura podem afetar as medições. A manutenção envolve uma limpeza cuidadosa para evitar riscos e outros danos.
As escalas de grelha ótica, utilizadas em aplicações como a espetroscopia e a tecnologia laser, são cruciais para a análise espetral de alta resolução. Estas escalas podem ser reflectoras ou transmissivas e requerem um fabrico extremamente preciso para manter as suas propriedades ópticas. São sensíveis a factores ambientais, como a temperatura e a humidade, e necessitam de um manuseamento e armazenamento cuidadosos para evitar danos.
Em resumo, as balanças de grelha em aço são robustas e utilizadas em aplicações industriais, as balanças de grelha em vidro oferecem uma elevada estabilidade e precisão para ferramentas de medição e as balanças de grelha ótica oferecem uma precisão excecional para aplicações ópticas, mas exigem uma manutenção meticulosa.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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