Imagine desbloquear a precisão das máquinas-ferramentas com uma simples superfície de vidro. As balanças de grade linear fazem exatamente isso, transformando linhas finas em medições altamente precisas. Este artigo explora o funcionamento dessas balanças, desde sua estrutura até suas aplicações práticas. Você descobrirá como elas amplificam o deslocamento e melhoram a precisão em várias tarefas de usinagem. Ao final, você entenderá por que essas ferramentas são essenciais para a fabricação moderna e como elas podem aumentar a precisão e a eficiência de seus projetos.
No mundo da engenharia de precisão, alcançar o mais alto nível de precisão é fundamental. As escalas de graduação, muitas vezes chamadas de heróis desconhecidos da medição, desempenham um papel crucial nessa busca pela perfeição. Esses dispositivos sofisticados, incluindo réguas de graduação e escalas lineares, são indispensáveis em várias aplicações, desde a usinagem CNC até operações de fresagem, retificação e torno. Mas o que exatamente torna as escalas de graduação tão vitais e como elas podem ser mantidas adequadamente para garantir a precisão que prometem?
Este artigo se aprofunda no fascinante reino das balanças de grade, desvendando suas complexidades técnicas e explorando suas diversas aplicações. Você descobrirá como diferentes materiais, como aço, vidro e cerâmica, contribuem para a funcionalidade dessas balanças e entenderá as nuances dos graus de precisão que definem seu desempenho. Além disso, forneceremos dicas práticas sobre como manter e cuidar de suas balanças de grade para mantê-las em condições ideais, garantindo que continuem a fornecer medições precisas.
Seja você um engenheiro que busca aumentar a precisão da sua máquina CNC ou um técnico que procura conselhos sobre manutenção, este guia abrangente o equipará com o conhecimento necessário. Junte-se a nós enquanto exploramos os aspectos essenciais das balanças de grade, esclarecendo como elas aumentam a precisão em vários setores e ajudando-o a tomar decisões informadas para suas necessidades específicas.
As balanças de grade funcionam com base nos princípios de interferência óptica e difração. Elas consistem em linhas finamente espaçadas, ou grades, que interagem com a luz para criar padrões mensuráveis. Esses padrões são analisados para determinar posições precisas.
Quando a luz passa pela grade ou é refletida por ela, é difratada em vários feixes, cujos ângulos e intensidades dependem do espaçamento entre as linhas da grade e do comprimento de onda da luz. Ao medir a mudança de fase ou o padrão de interferência desses feixes, a posição da escala pode ser determinada com precisão.
Os principais componentes incluem a régua de grade 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 sinais que converte os sinais da cabeça de leitura em dados posicionais.
As balanças de grade existem em vários tipos, incluindo balanças de grade óptica, de vidro e de aço, cada uma projetada para aplicações específicas.
As balanças ópticas usam a luz para ler o padrão da grade. Elas são conhecidas por sua alta precisão e são comumente usadas em aplicações que exigem precisão de medição fina, como usinagem CNC e instrumentos de laboratório.
As balanças de grade de vidro incorporam grades gravadas ou depositadas em um substrato de vidro. Elas são altamente estáveis e oferecem excelente precisão, o que as torna adequadas para aplicações de alta precisão.
As balanças de grade de aço apresentam grades gravadas em um substrato de aço. Elas são robustas e adequadas para ambientes industriais adversos.
As escalas de grade são categorizadas por graus de precisão, que indicam sua precisão e resolução.
Grade - Muitas pequenas listras (linhas gravadas) de igual distância e alternância de brilho e escuridão são uniformemente gravadas em uma superfície de vidro revestido.
a - é a largura das linhas da grade (não transparente)
b - é a largura do espaço entre as linhas da grade (transparente)
a+b=Passo da grade W (também conhecido como constante da grade)
Normalmente, a=b=W/2, mas também pode ser gravado como a:b=1,1:0,9.
As grades comumente usadas são gravadas com 10, 25, 50, 100 ou 250 linhas por milímetro.
Franjas de moiré - Quando duas grades de passo igual (Grade 1 e Grade 2) são sobrepostas face a face, deixando um pequeno espaço no meio, e o pequeno ângulo de grade θ é formado entre as duas linhas de grade, aparecem listras claras e escuras alternadas na direção próxima à linha de grade vertical.
Na linha d-d, as duas linhas de grade se sobrepõem, e a área transparente é a maior, formando a faixa brilhante da listra, que consiste em uma série de padrões de losangos.
Na linha f-f, as duas linhas da grade são deslocadas, formando a faixa escura da listra, que consiste em alguns padrões de linhas cruzadas pretas.
A medição do deslocamento da franja de moiré tem as três características a seguir:
(1) Efeito de amplificação do deslocamento
Largura da faixa BH - quando a grade se move para frente ou para trás em um passo da grade, as franjas de Moire se movem para frente ou para trás em uma largura de faixa.
A relação entre BH e θ:
À medida que θ diminui, BH aumenta. Portanto, 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 grade W. Isso significa que a grade tem um efeito de amplificação do deslocamento, aumentando assim a sensibilidade da medição.
(2) Direção do movimento da franja de moiré
Quando a Grade 1 se move para a direita ao longo da linha de corte em uma direção vertical, as franjas de Moiré se movem para cima ao longo das linhas de grade da Grade 2. Por outro lado, quando a Grade 1 se move para a esquerda, as franjas de Moiré se movem para baixo ao longo das linhas de grade da Grade 2. Portanto, a direção do movimento da Grade 1 pode ser identificada como a direção do movimento da franja de Moiré →.
(3) O efeito médio do erro
As franjas de moiré são formadas por um grande número de linhas gravadas em uma grade e têm um efeito contra-atacante no erro de gravação das linhas. Esse efeito pode reduzir significativamente a influência de erros de período curto.
Cabeçote de leitura de grade: Utiliza o princípio das grades para converter a quantidade de entrada (deslocamento) em um sinal elétrico correspondente.
Componentes: Grade de régua, grade indicadora, sistema de caminho óptico, elementos fotoelétricos, etc.
Tela digital de grade: Para discernir a direção do deslocamento, aumentar a precisão da medição e permitir a exibição digital, o sinal de saída do cabeçote de leitura da grade deve ser convertido em um sinal digital.
Componentes: Circuito de amplificação de modelagem, circuito de subdivisão, circuito de discriminação direcional e circuito de exibição digital, etc.
A régua de grade consiste em um corpo de escala fixo e um cabeçote de leitura móvel.
O corpo da balança fixa é um invólucro de alumínio projetado para proteger a régua, a unidade de escaneamento e os trilhos de guia internos contra danos causados por lascas, poeira ou respingos de água.
O cabeçote de leitura móvel consiste em uma unidade de leitura, um conector de precisão e um bloco de instalação. O conector de precisão conecta a unidade de leitura ao bloco de instalação, que compensa pequenos erros mecânicos nos trilhos de guia.
A régua de grade linear é usada para medir a posição do movimento do eixo linear. Como mede diretamente a posição mecânica, ela pode refletir com precisão a posição real da máquina-ferramenta.
Ao usar a régua de grade linear para medir a posição da corrediça, o loop de controle de posição inclui todos os mecanismos de alimentação. Esse é o modo de controle de loop fechado. O erro de movimento mecânico é detectado pela régua de grade linear na placa deslizante e corrigido pelo circuito do sistema de controle.
Portanto, ele pode eliminar possíveis erros de várias fontes:
Equipamento de processamento: tornos, fresadoras, mandrilhadoras e retificadoras, perfuração máquinas, máquinas EDM, corte a fio, centros de usinagem, etc.
Instrumentos de medição: projetores, instrumentos de medição de imagem, microscópios de ferramentas, etc.
Ele também pode compensar erros no movimento da ferramenta em Máquina CNC ferramentas
Equipado com PLC para medição de deslocamento em vários mecanismos automatizados.
O princípio de medição da régua de grade incremental é modular a luz através de duas grades que se movem mutuamente em franjas de Moiré. Ao contar e subdividir as franjas de Moiré, obtém-se a alteração de deslocamento. A posição absoluta é determinada pela definição de um ou mais pontos de referência na grade da escala.
Características:
A régua de grade tem vantagens como uma estrutura simples, longa vida útil mecânica, alta confiabilidade, forte capacidade anti-interferência, longa distância de transmissão, alta precisão e baixo custo.
Entretanto, os sensores de grade incremental também apresentam deficiências. As réguas de grade incremental só podem emitir a posição relativa da rotação do eixo.
O ponto de referência deve ser definido toda vez que a energia é desligada ou reiniciada, e há algum erro de subdivisão no método de processamento de sinal.
O princípio de medição da régua de grade absoluta é codificar diretamente os dados da posição absoluta na forma de códigos na grade, cintilando as linhas da grade em diferentes larguras e espaçamentos na régua de grade.
O equipamento eletrônico subsequente pode obter informações de posição enquanto a régua de grade estiver ligada.
Vantagens:
As informações sobre a posição atual podem ser obtidas diretamente após a ligação, sem a necessidade de uma operação de "zeragem", simplificando o projeto do sistema de controle. O cálculo da posição absoluta é concluído no cabeçote de leitura sem a necessidade de circuitos de subdivisão subsequentes. O uso da tecnologia de comunicação serial bidirecional garante uma comunicação confiável.
A posição absoluta da régua de grade é determinada usando marcadores de referência (posições zero).
Para encurtar a distância para retornar à posição zero, a Heidenhain projetou marcadores de referência com código de distância dentro do comprimento de medição.
A posição absoluta da régua de grade pode ser determinada 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 por distância/tipo C.
| Ciclo de sinal | número de incremento nominal | distância máxima de deslocamento | |
| 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 senoidal (sinal de 1 Vpp), sinal de onda quadrada (sinal TTL).
1. Passo da grade:
A escala linear emite sinais elétricos e o passo da grade refere-se às linhas físicas da grade na escala linear. Toda vez que a escala linear se move uma distância igual ao passo da grade, o sinal elétrico de saída muda um ciclo.
Exemplo: Quando o passo da grade for de 20um, se a escala linear se mover a uma distância de 20um, a escala linear emitirá uma onda senoidal com deslocamento de fase de 360° e diferença de duas fases de 90°.
2. Ciclo de sinal:
Com o desenvolvimento da tecnologia de medição, agora é possível usar circuitos de multiplicação de frequência no cabeçote de leitura de escala linear para multiplicar a onda senoidal gerada por cada sinal de linha de grade.
Portanto, o ciclo de saída do sinal da escala linear pode ser refinado. O sinal após ser multiplicado pelo cabeçote de leitura é muito mais denso do que o sinal original da linha de grade, e o comprimento do sinal densificado é chamado de ciclo de sinal.
Se o cabeçote de leitura não tiver capacidade de multiplicação de frequência, o passo da grade será igual ao ciclo do sinal.
3. Multiplicação de frequência:
A multiplicação de frequência pode ser entendida como a densificação do sinal original. A multiplicação de frequência pode encurtar o período de uma onda senoidal, encurtar a distância medida correspondente a cada período e melhorar a precisão da medição.
Os métodos comuns de multiplicação de frequência incluem: multiplicação de frequência do cabeçote de leitura, instrumentos de pós-multiplicação (fornecidos por fabricantes de balanças lineares, semelhantes a pré-amplificadores, usados para amplificação de sinal e multiplicação de frequência), multiplicação de frequência de Sistemas CNCetc.
4. Etapa de medição:
Os sinais de onda senoidal que passaram pela multiplicação de frequência são usados para medir a posição. Devido às limitações do processo de fabricação, do nível de erro e da capacidade de processamento do circuito de registro de posição da balança linear, é impossível multiplicar infinitamente o sinal de inclinação da grade original.
Portanto, os fabricantes de balanças lineares têm uma etapa de medição recomendada para cada tipo de balança linear. Esse valor refere-se à distância mínima medida que a balança linear pode tolerar. Dentro dessa faixa de passo de medição, a precisão nominal de medição da balança linear pode ser alcançada.
Em comparação com os sistemas CNC, essa etapa de medição geralmente é a unidade de instrução mínima do sistema. Da mesma forma, essa especificação técnica também especifica a precisão da 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 de sinal emitidos pela escala linear para o comprimento real que está sendo medido.
Erro de posição em toda a faixa de medição: Se o valor máximo do erro de posição estabelecido com base no valor médio dentro de qualquer faixa de medição de 1 m de comprimento estiver dentro de ±a, então ±a um é o nível de precisão.
Em escalas lineares fechadas, esses dados refletem a precisão da escala linear, incluindo o cabeçote de leitura, ou seja, a precisão do sistema. (Heidenhain: ±0,1, ±0,2, ±0,5, ±1, ±2, ±3, ±5, ±10, ±15um)
Erro de posição em um único ciclo de sinal:
O desvio de posição em um único ciclo de sinal é determinado pela qualidade da grade, pela qualidade da varredura e pelo ciclo de sinal da escala linear. O erro de posição em um único ciclo de sinal geralmente está dentro do intervalo de ±2% a ±0,5% do ciclo de sinal.
Quanto menor for o ciclo do sinal, menor será o erro em um único ciclo de sinal. Isso é muito importante para a precisão do posicionamento durante o movimento lento e o movimento do eixo e o controle de 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 varredura | O erro máximo de interpolação em um único ciclo de sinal | |
| 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 fatores críticos devem ser cuidadosamente avaliados para garantir o desempenho ideal e a compatibilidade com seus requisitos específicos:
Comprimento de medição: Determine a faixa de medição necessária, considerando tanto a distância máxima de deslocamento quanto as possíveis necessidades de expansão futura.
Interface de sinal: Escolha entre várias opções de saída, incluindo:
Passo da grade: Selecione o período de grade apropriado com base na resolução e na precisão necessárias. Os passos menores geralmente oferecem maior precisão, mas podem ter limitações na medição do comprimento.
Velocidade de medição: Considere a velocidade máxima de deslocamento de sua aplicação para garantir que a balança possa rastrear com precisão as mudanças de posição na velocidade necessária.
Nível de precisão e resolução: Determine o nível de precisão necessário para sua aplicação, considerando tanto a precisão inerente da balança quanto seus recursos de resolução.
Espaço para a posição de instalação: Avalie o espaço de montagem disponível e as condições ambientais para selecionar uma balança com dimensões e índices de proteção adequados.
Método para estabelecer pontos de referência: Escolha entre escalas incrementais com marcas de referência ou escalas absolutas, dependendo de seus requisitos de localização e referência.
Além disso, considere fatores como resistência ambiental (temperatura, vibração, contaminação), interface com o sistema de controle e confiabilidade de longo prazo ao fazer sua seleção final.
Veja abaixo as respostas para algumas perguntas frequentes:
Uma escala de grade é uma ferramenta de medição de precisão usada para determinar a posição ou a distância com alta precisão. Ela opera com base no princípio da difração ou na detecção de transições periódicas. Nas balanças de grade óptica, uma fonte de luz se projeta em uma grade - 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 essas transições e as convertem em sinais eletrônicos, que são contados para determinar a posição exata em relação a um ponto de referência. Esse método permite medições altamente precisas e repetíveis, essenciais em aplicações como usinagem CNC, fresagem, retificação e operações de torno.
As balanças de grade melhoram a precisão na usinagem CNC por meio de vários mecanismos importantes. Elas fornecem medições de alta resolução, geralmente em nível de mícron ou submícron, permitindo a detecção precisa de pequenas alterações de deslocamento na ferramenta ou na peça de trabalho. Essa alta resolução garante que a usinagem atenda aos rigorosos requisitos de precisão. Além disso, as balanças de grade oferecem monitoramento e feedback em tempo real do estado de deslocamento ou movimento, permitindo que o sistema CNC detecte e corrija prontamente quaisquer desvios. Esse feedback em tempo real forma um sistema de controle de malha fechada com o controlador CNC, comparando continuamente os dados reais de posição com os valores definidos e fazendo os ajustes necessários para manter a precisão. As tecnologias ópticas avançadas usadas nas balanças de grade modernas aumentam a força do sinal e a resistência à interferência, garantindo uma operação confiável mesmo em ambientes adversos. O design robusto dessas balanças, incluindo recursos como rolamentos de alta qualidade e resistência IP54 à água e à poeira, contribui ainda mais para sua durabilidade e confiabilidade, reduzindo os custos de manutenção e o tempo de inatividade. De modo geral, esses recursos melhoram coletivamente a precisão e a eficiência das operações de usinagem CNC.
Os graus de precisão comuns das escalas de grade incluem 5 mícrons, 3 mícrons e 2 mícrons. O grau de precisão de 5 mícrons é geralmente preferido em centros de usinagem CNC devido ao seu equilíbrio entre precisão e custo. Essas balanças são essenciais para medições de alta precisão em várias aplicações, como máquinas CNC, sistemas de automação e metrologia. A resolução das balanças de grade pode variar, com resoluções comuns que incluem 10 μm, 5 μm, 1 μm e 0,5 μm, o que as torna adequadas para uma ampla gama de tarefas de precisão.
As balanças de grade são normalmente usadas em uma variedade de medições precisas e aplicações industriais devido à sua alta precisão e confiabilidade. As principais áreas em que as balanças de grade são comumente empregadas incluem maquinário CNC e automação, onde fornecem dados precisos de posição para o movimento exato e consistente dos componentes da máquina. Elas também são usadas em metrologia para medições de alta precisão, calibrando e verificando a precisão de outros instrumentos de medição. Na medição industrial, as balanças de grade são cruciais para medições lineares e angulares em ambientes de fabricação, controle de qualidade e pesquisa. Além disso, elas são essenciais na engenharia de precisão para obter posicionamento e movimento precisos na produção de peças de precisão, robótica e outras tecnologias avançadas de fabricação.
Para manter e limpar uma balança de grelha, siga estas diretrizes para garantir a precisão e a longevidade:
Ao aderir a essas práticas de manutenção e limpeza, você pode garantir que suas balanças de grade permaneçam precisas e funcionais por longos períodos.
As diferenças entre os vários tipos de balanças de grade - de aço, de vidro e ópticas - residem principalmente em seus materiais, aplicações, requisitos de precisão e necessidades de manutenção.
As balanças de grade de aço são normalmente usadas em ambientes industriais para tarefas como pisos, degraus de escadas e drenos. Elas são conhecidas por sua durabilidade e capacidade de suportar cargas. As grades de aço exigem manutenção relativamente baixa, mas devem ser limpas e inspecionadas periodicamente quanto à integridade estrutural.
As balanças de grade de vidro, frequentemente usadas em ferramentas de medição de precisão, oferecem alta precisão e estabilidade. Elas são menos suscetíveis à expansão térmica em comparação com 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 arranhões e outros danos.
As escalas de grade óptica, usadas em aplicações como espectroscopia e tecnologia a laser, são cruciais para a análise espectral de alta resolução. Essas escalas podem ser reflexivas ou transmissivas e exigem uma fabricação extremamente precisa para manter suas propriedades ópticas. Elas são sensíveis a fatores ambientais, como temperatura e umidade, e precisam de manuseio e armazenamento cuidadosos para evitar danos.
Em resumo, as balanças de grade de aço são robustas e usadas em aplicações industriais, as balanças de grade de vidro oferecem alta estabilidade e precisão para ferramentas de medição e as balanças de grade óptica oferecem precisão excepcional para aplicações ópticas, mas exigem manutenção meticulosa.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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