機(jī)床加工精度

生產(chǎn)效率和加工精度是機(jī)床行業(yè)的重要競(jìng)爭(zhēng)因素。但機(jī)床加工條件的快速變化加大了進(jìn)一步提升生產(chǎn)效率和加工精度的難度。在零件加工過(guò)程中，必須經(jīng)濟(jì)和高精度地實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)。在航空航天領(lǐng)域，粗加工時(shí)需要強(qiáng)大材料切除能力，而精加工時(shí)必須達(dá)到高精度。在高質(zhì)量模具加工過(guò)程中，粗加工時(shí)需要切除大量材料，精加工時(shí)需要高的表面質(zhì)量。同時(shí)，如果要求一定的加工時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)加工路徑間距最小，機(jī)床需要足夠大的輪廓加工進(jìn)給速率。

機(jī)床的熱穩(wěn)定性對(duì)其加工條件的快速變化占有越來(lái)越重要的地位。特別是小批量生產(chǎn)必須面對(duì)不斷變化的加工任務(wù)，無(wú)法達(dá)到熱穩(wěn)定條件。同時(shí)，首件工件的精度正成為生產(chǎn)訂單創(chuàng)利能力的關(guān)鍵。鉆孔、粗加工和精加工操作的不斷變換也使機(jī)床溫度條件不斷發(fā)生變化。粗加時(shí)，鐵削率增加到80 %以上，而精加時(shí)低于10 %。加速度和進(jìn)給速率的不斷提高造成直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)的滾珠絲杠發(fā)熱。因此，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的位置檢測(cè)技術(shù)對(duì)機(jī)床熱穩(wěn)定性具有非常關(guān)鍵的作用。

編輯搜圖

圖1;

10 m/min進(jìn)給速度，多次往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的滾珠絲杠發(fā)熱情況。溫度分布圖的溫度顯

示為25C至40C

進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的位置檢測(cè)原則上可以用滾珠絲杠和安裝在絲杠上的旋轉(zhuǎn)編碼器作NC進(jìn)給軸位置檢測(cè)，也可以用直線(xiàn)光柵尺檢測(cè)。

如果滑架位置用絲杠螺距和旋轉(zhuǎn)編碼器(圖2，上圖)檢測(cè)，滾珠絲杠必須承擔(dān)兩項(xiàng)任務(wù):作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它必須傳遞大驅(qū)動(dòng)力，但作為測(cè)量設(shè)備，希望它能提供高精度位置值和可重復(fù)性的螺距值。但是，位置控制環(huán)上只有旋轉(zhuǎn)編碼器。

因?yàn)轵?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的磨損或溫度變化不能被補(bǔ)償，所以這種結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為半閉環(huán)控制。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在無(wú)法避免的定位誤差，并嚴(yán)重影響工件質(zhì)量。

編輯搜圖

半閉環(huán)檢測(cè)只靠編碼器做反饋

如果用直線(xiàn)光柵尺檢測(cè)滑架位置(圖2，下圖)，位置控制環(huán)包括全部進(jìn)給機(jī)構(gòu)。因此，也被稱(chēng)為全閉環(huán)控制。.那么，機(jī)床驅(qū)動(dòng)部件的間隙和傳遞誤差就不再影響位置檢測(cè)精度。其精度幾乎只取決于直線(xiàn)光柵尺精度和安裝位置。

直線(xiàn)軸和旋轉(zhuǎn)軸基本情況一樣，位置檢測(cè)通過(guò)安裝在減速箱上的電機(jī)旋轉(zhuǎn)編碼器或直聯(lián)在旋轉(zhuǎn)軸上的更高精度的角度編碼器。如果用角度編碼器，可實(shí)現(xiàn)更高的精度和重復(fù)性。

編輯搜圖

安裝海德漢光柵尺做全閉環(huán)反饋

其它半閉環(huán)控制技術(shù)為避免滾珠絲杠和機(jī)床周?chē)慵l(fā)熱，有些滾珠絲杠采用空心結(jié)構(gòu)，用循環(huán)冷卻液冷卻。半閉環(huán)控制模式的定位精度取決于滾珠絲杠的熱膨脹，因此也取決于冷卻液溫度。僅僅1K的溫度變化就可導(dǎo)致1m行程上10um的定位誤差。但是常見(jiàn)的冷卻系統(tǒng)基本無(wú)法保證溫度變化不超過(guò)1 K。

有些半閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)滾珠絲杠的熱膨脹通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)的模型進(jìn)行近似計(jì)算。但由于

加工期間的溫度特性難以測(cè)量，而且受多種因素影響，例如滾珠絲杠螺母磨損、進(jìn)給速率、切削力、移動(dòng)范圍等，即使使用這樣的模型也經(jīng)常導(dǎo)致50 um/m的可觀誤差。

有的滾珠絲杠兩端采用固定軸承，以提高驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)剛性。但剛性極高的軸承也不能避免局部發(fā)熱的熱膨脹。而且會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。即使剛性很強(qiáng)的軸承結(jié)構(gòu)也會(huì)變形，甚至導(dǎo)致機(jī)床幾何形狀變化。這些應(yīng)力也會(huì)影

響驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的摩擦特性，因此影響機(jī)床的輪廓加工精度。

由于這些限制，上述這些改進(jìn)措施能實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)精度無(wú)法與采用直線(xiàn)光柵尺的全閉環(huán)控制系統(tǒng)相提并論。此外，半閉環(huán)控制系統(tǒng)采用這些改進(jìn)措施后也無(wú)法補(bǔ)償磨損、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的彈性變形、軸承預(yù)應(yīng)力變化的影響。

驅(qū)動(dòng)精度對(duì)零件加工的影響

機(jī)器制造業(yè)小批量生產(chǎn)對(duì)小批量零件加工的需求不斷提高。因此，首件零件的加工精度對(duì)制造業(yè)公司的創(chuàng)利能力具有重大影響小批量零件生產(chǎn)的高精度機(jī)床面對(duì)重大挑戰(zhàn)。不斷改變工件裝卡、鉆孔、粗加工和精加工操作使機(jī)床溫度條件不斷變化。

粗加工件時(shí)的典型進(jìn)給速率為3m/min至4m/min，精加工件進(jìn)給速率為0.5 m/min至1m/min。換刀的快移運(yùn)動(dòng)使平均速度明顯提高。中速進(jìn)給速率的鉆孔和較孔對(duì)滾珠絲杠的發(fā)熱影響不大。由于進(jìn)給速率變化大各加工步驟使得沿滾珠絲杠的溫度分布很不相同。在半閉環(huán)控制模式下，滾珠絲杠承受的變化載荷作用力不利于工件加工精度包括一次裝卡完成零件加工的情況。因此全閉環(huán)控制系統(tǒng)的直線(xiàn)光柵尺是實(shí)現(xiàn)高精度小批量零件加工的重要因素。

編輯搜圖

圖3:驅(qū)動(dòng)精度對(duì)小批量零件加工的影響

用同一毛坯加工多個(gè)零件舉例在機(jī)床上，對(duì)一個(gè)500 mm長(zhǎng)鋁坯進(jìn)行鉆孔，再較孔。兩加工工序間的中速進(jìn)給速率較低，因此這部分滾珠絲杠的發(fā)熱量可以忽略不計(jì)。接下來(lái)，銑削輪廓，中速進(jìn)給速率大幅提高，滾珠絲杠發(fā)熱量明顯增加(圖3)

如果銑床為半閉環(huán)控制模式，滾珠絲杠熱膨脹會(huì)導(dǎo)致鉆孔和銑削加工誤差。滾珠絲杠自由端軸承最大偏差可達(dá)135 m。對(duì)全閉環(huán)控制模式，可完全避免這些誤差(圖4)。

編輯搜圖

圖4:驅(qū)動(dòng)精度對(duì)小批量零件加工的影響

圖示工件，孔位置和各工件平分線(xiàn)間的定義半閉環(huán)模式下的偏差為135 um。因此，工件只能滿(mǎn)足IT13公差等級(jí)要求，不能滿(mǎn)足IT8尺寸為12 mm，加工公差等級(jí)要求IT8。也就是允許+13um的偏差。全閉環(huán)控制模式下要求。加工的零件全部在要求的公差內(nèi)。

航空航天工業(yè)大切削量的整體構(gòu)件在航天工業(yè)，整體構(gòu)件具有最小重量下的最佳材料利用率優(yōu)點(diǎn)。整體整體構(gòu)件的材料切除率大約為95%或者更高。當(dāng)今高速切削(HSC)機(jī)床要求高速進(jìn)給和高速切削。整體構(gòu)件的大材料切除率具有突出的經(jīng)濟(jì)優(yōu)點(diǎn)。但這樣的進(jìn)給速率和切削力也使?jié)L珠絲杠產(chǎn)生大量摩擦熱。滾珠絲杠的摩損和熱膨脹在加工過(guò)程中也不相同，例如粗加工和精加工情況下得進(jìn)給速率。如果進(jìn)給驅(qū)動(dòng)采用半閉環(huán)控制模式(不用直線(xiàn)光柵尺 )，小批量和短交貨期生產(chǎn)時(shí)，加工零件的尺寸就會(huì)不同。由于熱膨脹原因，可能無(wú)法滿(mǎn)足公差要求。如果使用直線(xiàn)光柵尺，就可以避免這些誤差，滾珠絲杠的熱膨脹在全閉環(huán)內(nèi)可以完全被補(bǔ)償

編輯搜圖

圖5:聯(lián)桿加工 滾珠絲杠的固定軸承

加工機(jī)翼聯(lián)桿舉例圖5為聯(lián)桿加工，在聯(lián)桿上相距350mm處加工兩個(gè)孔，公差等級(jí)為IT7。用同一個(gè)毛壞形狀對(duì)該整體構(gòu)件進(jìn)行兩次加工，檢查半閉環(huán)控制模式的加工精度。第二件在第一件下方10mm處開(kāi)始加工。兩次加工之間，在毛壞上方執(zhí)行20次空刀加工循環(huán)。

半閉環(huán)控制模式，第二工件輪廓與第一輪廓工件不吻合(圖6)。加工中距離滾珠絲杠固定軸承越遠(yuǎn)，滾珠絲杠熱膨脹影響越明顯

編輯搜圖

編輯搜圖

圖6:聯(lián)桿，一個(gè)毛坯加工兩次

350mm和公差等級(jí)為IT7的功能尺寸相當(dāng)于士28um的允許偏差。半閉環(huán)控制模式的第二件無(wú)法滿(mǎn)足這項(xiàng)要求。偏差達(dá)44 umo采用了直線(xiàn)光柵尺全閉環(huán)控制模式的機(jī)床上加工的零件沒(méi)有這個(gè)棱邊。

全閉環(huán)控制模式下10um偏差是由于機(jī)床幾何形狀的熱變形和結(jié)構(gòu)變形造成的。甚至，兩孔尺寸要求公差還提高到IT5。因此從最開(kāi)始就能保證高的加工精度。

對(duì)工模具制造的影響

吹鑄或壓鑄模具的加工非常消耗時(shí)間，因?yàn)槠湫枰獦O高的表面光潔度，有時(shí)還要加工非常細(xì)致的結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在許多模具都直接采用銑削加工，不再使用耗時(shí)的電火花成形加工工藝。使用的銑刀直徑甚至只有0.12 mm。模具的銑削加工不僅要求高精度的形狀。還要求進(jìn)給速率大以縮短加工時(shí)間，包括高硬度材料。典型模具加工時(shí)間從10分鐘到數(shù)天不等。但是不允許因?yàn)榧庸に俣瓤於鵂奚叽缇?。第一刀和最后一刀的路徑必須完全相同以確保不浪費(fèi)提高進(jìn)給速率節(jié)省的時(shí)間，避免修復(fù)加工

編輯搜圖

編輯搜圖

圖7:自由形狀表面的瓦茲曼山峰

進(jìn)給軸驅(qū)動(dòng)的滾珠絲杠發(fā)熱直接取決于NC程序控制的各軸進(jìn)給速率，滾珠絲杠的長(zhǎng)度變化可能達(dá)到150um/m。這些條件使半閉環(huán)控制模式無(wú)法保證尺寸精度。滾珠絲杠的典型發(fā)熱量可使模具的150 mm長(zhǎng)度范圍出現(xiàn)20um的棱邊。滾珠絲杠熱膨脹導(dǎo)致的誤差可造成大約一半模具的缺陷過(guò)大而無(wú)法修復(fù)。

3-D銑削自由形狀表面舉例下例為加工德國(guó)阿爾卑斯山一瓦茲曼山峰形狀的模具。500mm長(zhǎng)工件通過(guò)多道切削加工，在X軸方向進(jìn)行順銑和逆銑，銑刀為12mm球頭銑刀，最大進(jìn)給速率為4.5m/min。Z軸和Y軸方向一次進(jìn)給0.2 mm，大約60分鐘完成加工。半閉環(huán)控制模式，用4.5mm/min的高速進(jìn)給速率和穩(wěn)定的加速度和減速度使?jié)L珠絲杠發(fā)熱,熱變形造成130 um偏差。

由于這種模具形狀的直線(xiàn)偏差不易被察覺(jué)

因此特意從工件中間開(kāi)始加工。開(kāi)始和最后一道路徑相鄰，可見(jiàn)的棱邊線(xiàn)清楚地反映了溫度變化影響。工件距離固定軸承位置越遠(yuǎn)，熱漂移影響越大。

為滿(mǎn)足模具制造的嚴(yán)格要求，必須用高精度直線(xiàn)光柵尺補(bǔ)償滾珠絲杠的熱膨脹。圖7為全閉環(huán)控制模式高精度和高表面質(zhì)量與半閉環(huán)控制模式件加工情況的比較。

總結(jié)

要成功完成加工訂單，必須要求機(jī)床具有高的熱穩(wěn)定性。即使負(fù)載不同，也必須保證加工精度。這樣才能在整個(gè)行程上保證要求的公差等級(jí)，包括速度和切削力大幅變化時(shí)。

直線(xiàn)進(jìn)給軸驅(qū)動(dòng)的滾珠絲杠熱膨脹嚴(yán)重影響精度且受速度和載荷大小變化的影響。如果滑架位置僅用絲杠螺距和旋轉(zhuǎn)編碼器反饋，20分鐘的定位誤差可達(dá)100 m。由于該方法在控制環(huán)內(nèi)無(wú)法補(bǔ)償這些基本驅(qū)動(dòng)誤差，因此稱(chēng)它為半閉環(huán)控制系統(tǒng)。但是直線(xiàn)光柵尺可以完全補(bǔ)償這些誤差。采用直線(xiàn)光柵尺的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)工作模式為全閉環(huán)控制系統(tǒng)，滾珠絲杠的誤差在被測(cè)量并在全閉環(huán)控制中被補(bǔ)償。用角度編碼器取代旋轉(zhuǎn)編碼器也有類(lèi)似的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)闄C(jī)械傳動(dòng)部件也有熱膨脹。直線(xiàn)光柵尺和角度編碼器是確保加工工件精度的基礎(chǔ)，包括機(jī)床工作條件不斷變化的嚴(yán)酷情況。

機(jī)床用直線(xiàn)光柵尺

提供位置反饋信號(hào)的直線(xiàn)光柵尺是機(jī)床高定位精度不可或缺的條件。它直接采集進(jìn)給軸實(shí)際位置信息。因此，機(jī)械連接部件對(duì)位置測(cè)量結(jié)果沒(méi)有影響一運(yùn)動(dòng)誤差和熱變形誤差以及其他作用力影響的位置誤差都被直線(xiàn)光柵尺檢測(cè)到，并且包含在控制環(huán)之內(nèi)。因此，它能消除以下潛在誤差源:

滾珠絲杠熱性能導(dǎo)致的定位誤差

反向誤差

機(jī)械作用力導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)變形造成的誤差

滾珠絲杠螺距誤差導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)誤差

因此，直線(xiàn)光柵尺已成為定位精度和高速加工不可或缺的必備條件。

海德漢公司用于數(shù)控機(jī)床的直線(xiàn)光柵尺幾乎可以適用于任何場(chǎng)合。它是所有采用閉環(huán)控制機(jī)器和設(shè)備上進(jìn)給軸的最佳選擇，例如銑床、加工中心、螳床、車(chē)床和磨床。

直線(xiàn)光柵尺動(dòng)態(tài)性能好，運(yùn)動(dòng)速度可靠性高，沿測(cè)量方向的運(yùn)動(dòng)加速度大，這些特性使它不僅能滿(mǎn)足常規(guī)軸動(dòng)態(tài)性能要求，也能滿(mǎn)足直接驅(qū)動(dòng)設(shè)備的高動(dòng)態(tài)性能要求。

編輯搜圖

常用海德漢光柵尺型號(hào)

編輯搜圖

編輯搜圖

新機(jī)床選型加裝海德漢光柵尺有什么不懂的地方可以私信我，廣州希洛登自動(dòng)控制技術(shù)有限公司 馬悅銘