|
隨著數(shù)控技術(shù)在機(jī)床制造領(lǐng)域的普及，現(xiàn)代機(jī)床在加工速度，加工精度和可靠性方面都有了巨大的進(jìn)步。作為數(shù)控機(jī)床核心技術(shù)之一的光柵測量技術(shù)對(duì)保障現(xiàn)代機(jī)床的各項(xiàng)性能指標(biāo)起著決定性的作用。清楚了解現(xiàn)代光柵測量技術(shù)的發(fā)展趨勢，正確選擇適合自身需求的光柵測量系統(tǒng)對(duì)機(jī)床設(shè)計(jì)師和機(jī)床用戶有著重要的意義。
全閉環(huán)控制逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)
由精密絲杠和編碼器構(gòu)成的半閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)于機(jī)床熱變形導(dǎo)致的加工誤差無法進(jìn)行補(bǔ)償。在過去的十余年中，采用數(shù)學(xué)建模預(yù)測變形或通過實(shí)時(shí)測量溫度變化來計(jì)算變形等嘗試在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)性上都未能取得令人滿意的結(jié)果。
采用全閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)的機(jī)床，機(jī)床傳動(dòng)部件的熱變形處于位置控制環(huán)之內(nèi)，誤差自動(dòng)得到補(bǔ)償。與半閉環(huán)系統(tǒng)不同，全閉環(huán)系統(tǒng)的補(bǔ)償效果幾乎不隨機(jī)床工況，磨損狀況及加工程序的不同而發(fā)生變化，機(jī)床可以長期保持初始加工精度。這對(duì)于機(jī)床生產(chǎn)廠家和用戶來說，都意味著巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
絕對(duì)式光柵正成為趨勢
所謂絕對(duì)式光柵是相對(duì)于增量式光柵而言的，增量式光柵通過對(duì)光柵探頭掃描過的柵線進(jìn)行計(jì)數(shù)來獲得相對(duì)運(yùn)動(dòng)的距離數(shù)據(jù)。為了獲得絕對(duì)位置，增量式光柵在開機(jī)后須執(zhí)行過參考點(diǎn)動(dòng)作。
圖1 增量式光柵在過參考點(diǎn)之前無法提供絕對(duì)位置信息
絕對(duì)式光柵以不同寬度，不同間距的柵線將絕對(duì)位置數(shù)據(jù)以編碼形式直接制作到光柵上，光柵開機(jī)后立刻可以提供絕對(duì)位置信息，無需執(zhí)行過參考點(diǎn)動(dòng)作。
通常絕對(duì)式光柵在絕對(duì)軌之外還同時(shí)配備有增量軌，用以進(jìn)一步提高光柵的精度與分辨率。
圖2 絕對(duì)式光柵開機(jī)后可立刻提供絕對(duì)位置信息
近幾年以來，尤其是在工業(yè)水平較高的國家，絕對(duì)式光柵因其不可取代的種種優(yōu)點(diǎn)，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
優(yōu)點(diǎn)一：縮減機(jī)床非生產(chǎn)時(shí)間
機(jī)床在使用過程中，經(jīng)常會(huì)因故障或其他原因而被迫關(guān)機(jī)重新啟動(dòng)。
對(duì)于僅裝備了增量式光柵的機(jī)床，開機(jī)后必須對(duì)每一軸執(zhí)行過參考點(diǎn)動(dòng)作。與正常開機(jī)后執(zhí)行過參考點(diǎn)動(dòng)作所不同的是，機(jī)床的刀具此時(shí)通常還處于加工位置，與工件有直接接觸，有時(shí)甚至還處于工件的內(nèi)部（如鉆孔，攻螺紋等），為了安全地進(jìn)行過參考點(diǎn)動(dòng)作，必須首先手動(dòng)將刀具移出加工位置。這對(duì)于刀具的指向有可能還與X，Y，Z軸成一定角度的多軸機(jī)床來說尤其困難，往往要耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力。
圖3 刀具指向與X, Y, Z軸不平行時(shí)，增加了（故障后）手動(dòng)移出刀具的難度。
對(duì)由多臺(tái)加工設(shè)備構(gòu)成的自動(dòng)生產(chǎn)線，在其中一臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障須從新啟動(dòng)時(shí)，可能不得不對(duì)生產(chǎn)線內(nèi)所有設(shè)備進(jìn)行過參考點(diǎn)動(dòng)作，如對(duì)象上殘留有未加工完的工件還要進(jìn)行特殊的操作處理。
配備了絕對(duì)式光柵的機(jī)床或生產(chǎn)線在重新開機(jī)后立刻重新獲得各軸絕對(duì)位置以及刀具的空間指向，因此可以立刻從中斷處開始繼續(xù)原來的加工程序，大大提高了機(jī)床的有效加工時(shí)間。
優(yōu)點(diǎn)二：提高機(jī)床可靠性
機(jī)床的可靠性直接決定零件生產(chǎn)的效率和經(jīng)濟(jì)性。機(jī)床每分鐘的故障時(shí)間對(duì)用戶而言都意味著成本的增加。因此，機(jī)床設(shè)計(jì)的一個(gè)趨勢是對(duì)重要部件的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
海德漢的絕對(duì)式光柵通過其雙向通信 EnDat 數(shù)據(jù)接口支持此類實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。EnDat 數(shù)據(jù)接口除了絕對(duì)位置值外，還向數(shù)控系統(tǒng)傳輸光柵的工作狀況，例如：
• 讀數(shù)頭光源調(diào)節(jié)余量是否接近極限
• 讀數(shù)頭最大允許移動(dòng)速度是否超標(biāo)
• 工作溫度是否超出允許范圍
EnDat在上述情況出現(xiàn)時(shí)，可向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信號(hào)。此時(shí)，光柵仍可正常工作，但用戶可依據(jù)該預(yù)警信號(hào)提前實(shí)施相應(yīng)對(duì)策，防止造成更大損失。
光柵出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，EnDat 還會(huì)向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)信號(hào)。數(shù)控系統(tǒng)可依據(jù)該信號(hào)決定是否中止加工以保護(hù)機(jī)床和工件。在排除故障時(shí)，維修人員可以按照EnDat提供的信息在最短時(shí)間內(nèi)查找到故障的根源，如：
• 光柵電源過低；
• 讀數(shù)頭工作不正常；
• 輸出信號(hào)幅值過低等。
通過發(fā)送預(yù)警和警報(bào)兩個(gè)等級(jí)的故障信號(hào)，海德漢絕對(duì)式光柵可以極大地提高用戶維護(hù)工作的效率，減少光柵故障造成停機(jī)的幾率。 機(jī)床的可靠性也由此得到提高。
優(yōu)點(diǎn)三：提高機(jī)床安全性
為了對(duì)機(jī)床的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分進(jìn)行保護(hù), 通常采用行程開關(guān)來確保機(jī)床各部件的運(yùn)動(dòng)不超出允許范圍。行程開關(guān)長期處在惡劣環(huán)境之中（冷卻液，金屬屑等），極易損壞。加上機(jī)床正常運(yùn)行時(shí)較少使用到行程開關(guān)，所以無法隨時(shí)確定其功能是否仍然正常。為了保證工作安全，用戶將不得不定期檢查行程開關(guān)的狀態(tài)。
采用絕對(duì)式光柵的機(jī)床可以在任何時(shí)間確定機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件所處位置，通過在數(shù)控系統(tǒng)中作相應(yīng)設(shè)置可以省去行程開關(guān)。這樣節(jié)省了機(jī)床用戶的設(shè)備維護(hù)時(shí)間，同時(shí)也避免了行程開關(guān)損壞可能帶來的安全問題，提高了機(jī)床使用時(shí)的安全性。
單場掃描提高編碼器的抗干擾性
作為精密的光學(xué)測量元件，光柵對(duì)工作環(huán)境的要求很高。海德漢封閉式光柵采用優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和高質(zhì)量的材料來保證光柵的密閉性以抵抗外來污染物進(jìn)入光柵內(nèi)部。
盡管如此，外來污染物還是在某些特定情況下可能進(jìn)入到光柵內(nèi)部并附著到光柵線載體和讀數(shù)頭光學(xué)部分上。由此導(dǎo)致的光柵故障在所有故障中占有較大的份額。
采用傳統(tǒng)四場掃描工作原理的讀數(shù)頭，通過空間上相互獨(dú)立的四個(gè)簡單感光元件來探測經(jīng)過光柵的光線。各感光元件所測電流通過加減運(yùn)算綜合為最終輸出信號(hào)。 當(dāng)個(gè)別感光元件受到污染或出現(xiàn)故障時(shí)，光柵的最終輸出信號(hào)會(huì)出現(xiàn)很大的誤差。
海德漢單場掃描讀數(shù)頭采用柵狀光電池探測光線，探測面積大為增加。原來由單一感光元件產(chǎn)生的電流信號(hào)現(xiàn)在通過若干個(gè)感光條共同產(chǎn)生。
圖4 單場掃描光柵
光柵或掃描頭的局部污染雖然依然影響部分單個(gè)感光條，但通過其他感光條的平均作用，光柵最終輸出信號(hào)所受影響極為有限。
圖5 單場掃描光柵與四場掃描光柵抗污染干擾性能對(duì)比
優(yōu)良的抗污染干擾性能使得海德漢單場掃描光柵特別適合工作環(huán)境惡劣的場合使用，如加工中心。（加工中心因?yàn)槎嘤腥忾]外殼，加工時(shí)所產(chǎn)生的各類污染物高度集中，所以工況極為惡劣。）
光柵的細(xì)分誤差成為其應(yīng)用的重要指標(biāo)
隨著對(duì)機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制品質(zhì)要求的不斷提高，光柵測量系統(tǒng)的細(xì)分誤差正成為除測量精度，測量步距（分辨率）外一項(xiàng)重要的性能考核指標(biāo)。
光柵的細(xì)分誤差指的是測量系統(tǒng)在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)（如 20微米內(nèi)）的誤差。與此相對(duì)應(yīng)，測量系統(tǒng)在其全部量程中的誤差被定義為測量精度。細(xì)分誤差通常是周期性誤差，而測量精度一般為非周期性誤差。
機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)從光柵獲取位置值時(shí)，光柵讀數(shù)頭可能處于一個(gè)信號(hào)周期的任意位置，控制系統(tǒng)獲取位置值的細(xì)分誤差因此是隨機(jī)的。對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)而言，細(xì)分誤差被認(rèn)為是機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)誤差，所以運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)也隨機(jī)性地向進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)力部件（電機(jī)）發(fā)送運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)。進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)力部件因此長時(shí)間執(zhí)行高頻小行程的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。此類運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件，如軸承，絲杠，導(dǎo)軌等，危害較大。進(jìn)給系統(tǒng)電器部分，如變頻器和電機(jī)因不斷執(zhí)行加、減速動(dòng)作，工作電流大，產(chǎn)熱和噪音都明顯增加，進(jìn)而影響加工質(zhì)量和工件精度。
圖6 配備了低細(xì)分誤差（左圖）及高細(xì)分誤差圓光柵的轉(zhuǎn)臺(tái)的熱成像照片。溫差可達(dá)20%
同時(shí)，尤其對(duì)配備了直線電機(jī)或扭矩馬達(dá)的機(jī)床，細(xì)分誤差還直接影響機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)速度控制的品質(zhì)，細(xì)分誤差較大的測量系統(tǒng)將直接導(dǎo)致進(jìn)給系統(tǒng)速度恒定性的不足，進(jìn)而影響所加工工件的表面質(zhì)量。
可定義的熱變化性能
光柵的生產(chǎn)和測試過程多在恒溫環(huán)境下進(jìn)行，溫度變化的影響被控制在可以忽略的范圍之內(nèi)。在實(shí)際使用中，除了少數(shù)實(shí)驗(yàn)室可以保證恒溫環(huán)境外，大多數(shù)應(yīng)用場合的溫度都會(huì)有波動(dòng)。
導(dǎo)致溫度波動(dòng)的熱源多種多樣，外部環(huán)境（陽光，供熱制冷系統(tǒng)，其他設(shè)備等）和內(nèi)部熱源（電器部件，摩擦，切削產(chǎn)熱等）是其中主要部分。采用全閉環(huán)的機(jī)床可以有效補(bǔ)償機(jī)件熱膨脹（收縮）所導(dǎo)致的誤差。
但是，除了機(jī)床部件外，光柵本身也會(huì)有熱變形。而且光柵的熱變形處于全閉環(huán)之外，直接影響加工精度并難于補(bǔ)償。通過特殊的設(shè)計(jì)和加工工藝，海德漢光柵擁有可定義的熱變化性能，確定的熱力學(xué)零點(diǎn)（零變形點(diǎn)），某些型號(hào)光柵的熱膨脹系數(shù)還與機(jī)床床身材料相同，有效減少了機(jī)床這部分的誤差。
高可靠性
再先進(jìn)的機(jī)床，沒有高可靠性就無法為用戶創(chuàng)造效益，不會(huì)被市場接受。與機(jī)床用戶被迫停工可能造成的巨大損失相比，為提高機(jī)床重要功能部件可靠性的投資是微小的。
基于這種認(rèn)識(shí)，海德漢在研發(fā)，生產(chǎn)和測試等各個(gè)環(huán)節(jié)都不余遺力地為提高產(chǎn)品的高可靠性而努力。
產(chǎn)品的設(shè)計(jì)得益于公司數(shù)十年光柵開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，尤其是與廣大光柵用戶的常年密切合作使得海德漢產(chǎn)品的設(shè)計(jì)不斷得到優(yōu)化，更加貼合用戶需要。
在全部生產(chǎn)過程中，海德漢一如既往嚴(yán)格執(zhí)行全面質(zhì)量管理，產(chǎn)品質(zhì)量有口皆碑。尤其值得一提的是，為了真正達(dá)到控制產(chǎn)品質(zhì)量的目的，海德漢光柵產(chǎn)品絕大部分零件都在自有的金屬加工，電子和光柵刻線部門生產(chǎn)，避免了外包加工所帶來的質(zhì)量問題。
圖7 光柵質(zhì)量檢驗(yàn)
為了最終確保產(chǎn)品的高可靠性，海德漢對(duì)每一件產(chǎn)品都進(jìn)行嚴(yán)格的測試。測試科目涉及動(dòng)/靜態(tài)精度，沖擊和振動(dòng)，疲勞，冷/熱/濕環(huán)境測試，細(xì)分誤差，起動(dòng)性能，防護(hù)等級(jí)，電磁兼容等等數(shù)十項(xiàng)內(nèi)容。對(duì)于其中大多數(shù)測量科目，海德漢內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)都高于通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。
|
您的當(dāng)前位置: 首頁 > 鍛壓文獻(xiàn)庫 > 鍛造生產(chǎn)安環(huán) > 正文