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使生產(chǎn)效率和加工精度提升面臨挑戰(zhàn)。在零件加工過程中，必須高經(jīng)濟(jì)效益和高精度地實(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)大的材料切除能力，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)，如果要求在一定的加工時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)加工路徑間距最小，需要機(jī)床有足夠大的加工進(jìn)給率。
圖1 10m/min進(jìn)給速度多次往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)滾珠絲杠發(fā)熱情況，25℃（紫色）~40℃（黃色）
機(jī)床的熱穩(wěn)定性在其加工條件的快速變化中占有越來越重要的地位。特別是小批量生產(chǎn)必須面對(duì)不斷變化的加工任務(wù)和無法達(dá)到的熱穩(wěn)定條件挑戰(zhàn)。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。粗加工時(shí)，切削率增加到80 %以上，而精加工時(shí)低于10 %。切削速度和進(jìn)給率的不斷提高造成直線驅(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)定性起非常關(guān)鍵的作用。
避免工件尺寸因機(jī)床發(fā)熱而產(chǎn)生偏差是機(jī)床行業(yè)面對(duì)的課題。主動(dòng)冷卻、對(duì)稱的機(jī)床結(jié)構(gòu)和溫度測(cè)量技術(shù)已獲廣泛應(yīng)用。
機(jī)床溫度變化主要是由進(jìn)給軸滾珠絲杠造成的。沿滾珠絲杠的溫度分布與進(jìn)給率、驅(qū)動(dòng)力緊密相關(guān)。在沒有采用直線光柵尺的機(jī)床上，因溫度導(dǎo)致絲杠長(zhǎng)度的變化會(huì)使工件產(chǎn)生嚴(yán)重缺陷。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)，也可以用直線光柵尺檢測(cè)。
如果滑架位置采用絲杠螺距和旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(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)被稱為半閉環(huán)控制。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在無法避免的定位誤差，并嚴(yán)重影響工件質(zhì)量。
圖2 半閉環(huán)控位置反饋控制
圖3 全閉環(huán)控位置反饋控制
如果用直線光柵尺檢測(cè)滑架位置，位置控制環(huán)包括全部進(jìn)給機(jī)構(gòu)，因此這也被稱為全閉環(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光柵尺精度和安裝位置。直線軸和旋轉(zhuǎn)軸基本情況一樣，通過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實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè)。如果用角度編碼器，可實(shí)現(xiàn)更高的精度和可重復(fù)性。
在航天工業(yè)領(lǐng)域，整體構(gòu)件具有保證最小重量下的最佳材料利用率的優(yōu)點(diǎn)。整體構(gòu)件的材料切除率大約為95%或者更高，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程中也不相同，例如粗加工和精加工情況下的進(jìn)給率。如果進(jìn)給驅(qū)動(dòng)采用半閉環(huán)控制模式(不用直線光柵尺 )，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，可能無法滿足公差要求。若使用直線光柵尺，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。
圖4 驅(qū)動(dòng)精度對(duì)小批量零件加工的影響
為實(shí)現(xiàn)工件的高表面光潔度，有時(shí)還要加工非常細(xì)致的結(jié)構(gòu)，吹鑄或壓鑄模具的加工非常消耗時(shí)間?，F(xiàn)在許多模具都直接采用銑削加工，不再使用耗時(shí)的電火花成型加工工藝，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，還要求大進(jìn)給，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取５谝坏逗妥詈笠坏兜穆窂奖仨毻耆嗤?，以確保不浪費(fèi)提高進(jìn)給率節(jié)省的時(shí)間，避免修復(fù)加工。進(jìn)給軸驅(qū)動(dòng)的滾珠絲杠發(fā)熱取決于NC程序控制各軸的進(jìn)給率，滾珠絲杠的長(zhǎng)度變化可能達(dá)到150 μm/m，這些條件使半閉環(huán)控制模式無法保證尺寸精度。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)20 μm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大而無法修復(fù)。
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，20min的定位誤差可達(dá)100 μm。由于該方法在控制環(huán)內(nèi)無法補(bǔ)償這些基本驅(qū)動(dòng)誤差，因此稱它為半閉環(huán)控制系統(tǒng)。采用直線光柵尺的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)工作模式為全閉環(huán)控制系統(tǒng)，測(cè)量滾珠絲杠的誤差并在全閉環(huán)控制中補(bǔ)償。用角度編碼器取代旋轉(zhuǎn)編碼器也有類似的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)闄C(jī)械傳動(dòng)部件也有熱膨脹。直線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)苛情況。
提供位置反饋信號(hào)的直線光柵尺是機(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。機(jī)械連接部件對(duì)位置測(cè)量結(jié)果沒有影響，運(yùn)動(dòng)誤差、熱變形誤差以及位置誤差都能被直線光柵尺檢測(cè)到，并包含在控制環(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。
