光柵尺在高速加工中心的應用問題探析
2018-11-13 來源：神龍汽車有限公司 作者： 李道國
【摘要】: 在汽車制造行業(yè)零件加工質量和加工效率不斷提高的今天，準確把握機床結構、光柵尺動態(tài)性能、維修成本這三項指標的平衡，實現生產質量和成本的雙贏，具有十分重要的意義。
【關鍵詞】: 加工中心、伺服軸、光柵尺、生產成本
1．引言
長期以來，光柵尺作為數控機床、加工中心位置環(huán)的反饋元件，對于提高機床控制精度、改善零件加工質量等方面發(fā)揮著重要的作用。然而，隨著數控伺服軸結構的不斷優(yōu)化，切削速度的不斷提高，光柵尺的使用也相繼暴露出一些問題。比如，光柵尺的損壞過于頻繁，導致維修成本居高不下; 高速加工機床進給速度和切削余量提高后機床振動導致光柵尺報警頻繁; 數控系統(tǒng)的控制精度、加工中心伺服軸的固有結構以及光柵尺的動態(tài)性能三者之間無法完美匹配導致機床出現震蕩進而產生報警，最后不得不切除光柵尺。凡此種種，不一而足。因此，對于光柵尺在全閉環(huán)數控機床中的應用尤其是高速加工中心中的應用問題，有
要進行深入探討和再認識，以便在零件加工質量、設備故障率和維修成本之間找到平衡點。
2．加工中心伺服軸構成方式及優(yōu)缺點
伺服軸的設計無疑是加工中心中加工精度、加工效率、設備能力保障的核心部分。伺服軸的機械結構、數控驅動、位置檢測，直接決定了伺服軸的性能。從數控機床、加工中心的發(fā)展歷程來看，伺服軸的演變大致經歷了如下三個階段。傳統(tǒng)三段式結構，絲杠和電機軸一體化結構，直線電機式結構。
2.1傳統(tǒng)三段式結構
傳統(tǒng)三段式結構是早期數控機床伺服軸最基本的結構方式。其構成單元為伺服電機、絲杠螺母副、滑臺。伺服電機通過皮帶（或加速器）帶動絲杠旋轉，驅動機械滑臺移動。這種結構中也可以省略皮帶或減速機構采用聯軸節(jié)把伺服電機軸與絲杠直接連接起來。結構圖如圖一所示。
這種結構的突出特點是，機械傳動及連接環(huán)節(jié)較多，機械間隙難以避免。如果采用安裝在絲杠上的編碼器作位置反饋元件，那么絲杠與螺母之間的間隙將在系統(tǒng)監(jiān)控范圍之外，此時機床控制精度會大大降低。一旦絲杠磨損或損壞，零件加工質量就無法保證。當使用直線光柵尺作為全位置環(huán)參與控制后，系統(tǒng)把伺服電機與絲杠螺母之間的所有傳動誤差全部納入檢測范籌并進行補償，包括皮帶傳動間隙（或聯軸節(jié)間隙）、絲杠螺母間隙等，從而使機床控制精度大大提高，零加工質量得到有效保證。因此，在此類伺服軸的結構中，直線光柵尺的作用是非常顯著的，尤其對于使用一定年限的機床來說，不可缺少。這類伺服軸的電氣系統(tǒng)控制框圖如圖二所示。
2.2 絲杠、伺服電機軸一體化結構
這種伺服軸的結構，是把伺服電機的轉子與絲杠本體連接成一體，采用無縫剛性連接，達到完全消除電機軸與絲杠之間物理間隙的目的。如下圖三所示。
這種伺服軸結構的明顯優(yōu)勢就是電機與絲杠之間的機械傳動誤差為零，整個伺服軸的物理誤差僅存在于絲杠與螺母副之間。因此，這種伺服軸結構的機械間隙比傳統(tǒng)三段式結構的間隙要小很多，正常情況下以絲杠的反向間隙存在，數控系統(tǒng)很容易補償。
此外，這種結構伺服電機上的編碼器充當了控制系統(tǒng)的速度環(huán)和第一位置環(huán)。為了高質量的保證零件加工質量和機床控制精度，機床往往配備了直線光柵尺作為控制系統(tǒng)的第二位置環(huán)。顯然，此處光柵尺的主要作用對伺服軸來說僅僅用于監(jiān)控絲杠與螺母副之間的間隙變化。而絲杠與螺母副之間的間隙變化與絲杠使用年限及磨損程度有關，一般是長期使用后呈緩慢變化趨勢，通過定期檢查或保養(yǎng)，完全可以達到受控狀態(tài)。因此，此種伺服軸的結構，直線光柵尺僅僅發(fā)揮了“錦上添花” 的作用。
2.3直線電機式結構
直線電機的出現改變了傳統(tǒng)伺服電機的運動方式，將旋轉運動直接演變成直線運動。因此，這種伺服軸的結構可以將直線電機的次級繞組（運動部件）直接與機床工作滑臺剛性連接起來，從而省略掉了機械傳動中的所有間隙。
由于直線電機無法使用旋轉式編碼器，而直線光柵尺的安裝又非常方便，所以這種結構的伺服軸大都采用了直線光柵尺。此時，光柵尺既充當了伺服控制系統(tǒng)的速度環(huán)，也充當了數控系統(tǒng)的位置環(huán)。因此，此處直線光柵尺在數控系統(tǒng)中發(fā)揮雙重作用，不可省略。
直線電機式伺服軸機械機構簡單，控制精度高，維護方便，成為數控機床發(fā)展中的后起之秀，深得用戶青睞。
3．直線光柵尺的結構與動態(tài)性能分析
3.1光柵測量技術的發(fā)展概況
光柵技術的基礎是莫爾條紋（Moirefringes），1874 年由英國物理學家L.Rayleigh首先提出這種條紋的工程價值，直到20 世紀50年代人們才開始利用光柵的莫爾條紋進行精密測量。1950 年德國Heidenhain 首創(chuàng)DIADUR 復制工藝，也就是在玻璃基板上蒸發(fā)鍍鉻的光刻復制工藝，這之后才開始制造高精度、價廉的光柵刻度尺，光柵計量儀器才為用戶所接受，從而進入商品市場。1953 年英國Ferranti 公司提出了一個4 相信號系統(tǒng)，可以在一個莫爾條紋周期實現4 倍頻細分，并能鑒別移動方向，這就是4 倍頻鑒相技術，成為光柵測量系統(tǒng)的基礎，并一直應用至今。
1961 年， 德國Heidenhain 公司開始開發(fā)光柵尺和圓柵編碼器， 并制造出柵距為4μm（250 線/mm）的光柵尺和10000 線/ 轉的圓光柵測量系統(tǒng)，能實現1 微米和1 角秒的測量分辨力。1966 年制造出了柵距為20μm（50 線/mm）的封閉式直線光柵編碼器。在80 年代又推出AURODUR 工藝，是在鋼基材料上制作高反射率的金屬線紋反射光柵。并在光柵一個參考μm，經光學二倍頻后得到的信號周期為4μm和2μm， 其分辨力為5nm 和50nm， 系統(tǒng)準確度為±0.5μm 和±1μm， 速度為30m/min。LIF 系列柵距是8μm，分辨力0.1μm，準確度±1μm，速度為72m/min。其載體為溫度系數近于0 的玻璃陶瓷或溫度系數為8ppm/K 的玻璃。此外，衍射光柵LF 系列也是一種封閉式光柵尺，其柵距為8μm，信號周期為4μm，測量分辨率為0.1μm，系統(tǒng)準確度±3μm 和±2μm，最大速度60m/min，測量長度達到3m，載體采用鋼尺和膨脹系數（10ppm/K）一樣的玻璃。可以用于測量長度長、精度不太高的場合。
3.2 直線光柵尺的結構
直線光柵尺主要由光柵尺定尺、讀數頭及運送部件、密封條組成。常用的光柵尺定尺一般由熱膨脹系數較小的條形玻璃構成。讀數頭主要由光源和光電池構成。整個光柵尺由密封條進行密封，根據現場情況一般采用精過濾氣源對光柵尺腔體進行吹氣，防止油污、水氣進入。直線光柵尺的結構如下圖五所示。
3.2直線光柵尺的動態(tài)性能分析
從光柵尺的起源、發(fā)展與結構改進進程來看，有幾個非常重要的指標值得關注，光柵尺的柵距及熱作用、檢測系統(tǒng)的精度以及允許光柵尺動尺運動的最大速度。這三個關鍵的指標完全取決于光柵尺的構造，三者相互制約，最終決定了直線光柵尺的適用范圍。隨著光電技術、微電子技術、以及數字通信技術的快速發(fā)展，光柵尺的系統(tǒng)檢測精度可以做到±0.5μm 和±1μm，運動速度可以做到72m/min，但其穩(wěn)定性深受光柵尺結構、材料、熱平衡、以及安裝、現場工況、使用環(huán)境等多重因素的影響。而現場工況主要包括伺服軸的最大快移速度、機床加工過程中是否存在振動等幾個因素。這一點往往容易被忽視。
4．直線光柵尺在加工中心應用中出現的故障及解決措施
4.1 光柵尺硬件報警
當光柵尺出現硬件損壞、反饋電纜線路接觸不良或斷開時，數控系統(tǒng)將會直接出現光柵尺硬件報警。此時應首先排除光柵尺線路是否存在問讀數頭運送小車密封條讀數頭光電池 用于平衡熱膨脹光柵尺光源題，最快的辦法就是用一根好的反饋電纜替換。如果線路方面問題排除掉，就要考慮光柵尺是否損壞。如果光柵尺沒有備件，而系統(tǒng)又是雙位置環(huán)結構，這時可以通過打表先確認絲杠的反向間隙有多大，如果反向間隙較小不影響零件加工精度，這時可以先考慮臨時切除光柵尺，加強加工零件的抽檢，盡快購買備件。這種情況在雙位置環(huán)結構的數控機床上是經常使用的。要強調的是，上文描述的“傳統(tǒng)三段式結構的伺服軸” 和“絲杠、伺服電機軸一體化結構的伺服軸” 在使用光柵尺時，實際上就構成了雙位置環(huán)的結構，可以視機床狀態(tài)臨時切除光柵尺。尤其是后者，切除光柵尺的風險更小。同樣，對于直線電機式的伺服軸，在任何情況下是不能隨便切除光柵尺的。原因很簡單，此時光柵尺還充當了伺服系統(tǒng)的速度環(huán)，不可切除。除非該伺服軸采用了雙光柵尺的結構，一個用作數控系統(tǒng)的速度環(huán)，一個用作位置環(huán)。當然，在條件允許的情況下可以嘗試更換光柵尺讀數頭、清洗光柵尺定尺部分，或許能夠解決問題。
4.2 零件加工尺寸出現飄移
零件加工尺寸出現飄移可能涉及到多方面原因，首先要根據故障所在伺服軸的結構進行分析，逐步驗證、理清是機械方面出了問題還是電氣控制系統(tǒng)方面出了問題。由于系統(tǒng)沒有出現報警，又是雙位置環(huán)的結構，可以嘗試先切除光柵尺進行零件試切，如果加工零件出現好轉或正常，說明該故障不是機械方面的問題，而是光柵尺方面出現了問題，可考慮更換光柵尺或檢查光柵尺電纜。相反，如果零件加工尺寸現象未變或出現化，基本上就可以排除光柵尺而鎖定是機械方面的問題了，可以由此展開進一步的排查。比如，絲杠螺母磨損、絲杠軸承壞、絲杠背帽松動、伺服電機聯軸節(jié)磨損等等。當然也有極少數情況出現伺服驅動、伺服電機或數控系統(tǒng)方面的問題，但這種情況出現的比例不足10%。
4.3 CNC系統(tǒng)出現光柵尺硬件連接報警
光柵尺硬件連接報警本身的含義是光柵信號在某一時刻未傳送到CNC 系統(tǒng)而被CNC 系統(tǒng)發(fā)現。在很多高速加工中心中，比如牧野高速加工中心，由于切削速度高，余量大，機床有時會出現光柵尺硬件連接報警。這時，就要對機床伺服軸的結構、加工情況等方面進行綜合分析。首先考慮的是光柵尺反饋電纜及接口連接是否出現松動，是否出現電纜斷線現象，第一時間進行緊固或確認。其次，要對機床加工工況進行仔細分析、觀察，如機床是否出現振動，加工是否出現異常噪聲等。必要時通過降低機床加工倍率、調整切削余量、更換刀具、檢查主軸拉到機構、緊固機床地腳螺釘等措施進行排查，鎖定故障源并予以解決。
另一方面，要結合光柵尺本身動態(tài)性能進行分析。由前面分析可知，光柵尺讀數頭最大移動速度是決定光柵尺動態(tài)性能的重要指標之一。在機床快速移動時，光柵尺讀數頭可能會丟失掉定尺上的部分刻度信號，從而出現硬連接報警。此外，如果光柵尺安裝不好，讀數頭與密封條過度摩擦，也可能會導致讀數錯誤或讀數頭損壞。此時也可以通過降低機床倍率進行排查，確認光柵尺是否損壞。這一點不容忽視。
5．直線光柵尺的合理取舍
5.1直線光柵尺的使用壽命與成本
由于直線光柵尺特殊的結構和工作原理，使得光柵尺的使用壽命除了受自身結構、材料、熱穩(wěn)定性等因素影響外，還嚴重受到外界環(huán)境、工況、安裝等因素的影響。從現場使用情況來看，進給速度較低的數控機床平均壽命一般在2-3年，環(huán)境好的工位可以達到5 年以上，甚至更高，維修成本基本在可接受范圍。而高速加工中心的光柵尺使用壽命明顯降低，平均壽命大部分不足1 年，其中又以粗加工工序的加工中心最為嚴重。以神龍汽車公司缸蓋L7 線為例說明如下:X、Y、Z 坐標軸均安裝了直線光柵尺，各軸的最大進給速度為20000mm/min，最大快移速度為65000mm/min，幾乎挑戰(zhàn)到了光柵尺的速度極限。該設備零件加工質量非常穩(wěn)定，工藝節(jié)拍符合要求，但該工序四臺加工中心有一個共同的特點就是加工中途光柵尺硬件連接報警故障率較高、光柵尺損壞較頻繁，嚴重時壽命只有1 個多月。而這些光柵尺的市場售價一般在1.5 萬元至2.5 萬元之間，這樣的話就會對生產成本造成極大的影響。無獨有偶，神龍汽車公司缸體L3線的高速加工中心中也出現同樣的問題，光柵尺頻繁損壞，維修成本居高不下，Heidenhain 術人員多次到現場進行分析，提出增加氣源精過濾裝置，但最終問題并未徹底解決。
5.2直線光柵尺的合理取舍
光柵尺的使用涉及到兩個方面的問題，一是備件昂貴且采購周期較長; 二是光柵尺損壞后在沒有備件及時更換的情況下，由于大家對各類加工中心伺服軸的結構和控制原理缺乏深入的理論支撐和實踐數據的總結，在切除光柵尺后對零件加工質量過度擔憂，甚至誠惶誠恐，造成了不必要的焦慮和管理資源的浪費。因此，我們有必要對各類伺服軸的結構進行深入剖析并對癥下藥。針對不同類型的數控伺服軸的結構，光柵尺的使用、選擇可歸納為表一:
“傳統(tǒng)三段式結構” 的伺服軸，在早期數控機床中普遍使用。由于機械傳動機構較多，累計誤差較大，且不穩(wěn)定，一般采用了光柵尺作為第二位置環(huán)進行補償。這類機床一般在五年以內機械傳動和絲杠磨損較少，通過打表確認機械間隙后是可以短時間切除光柵尺的。但對于工作10 年以上的機床，機械磨損較大，切除光柵尺后就會存在一定的質量風險，必須加大零件監(jiān)控力度，比如提高抽檢頻次等。對于加工尺寸本身就不太穩(wěn)定的機床而言，光柵尺是嚴格禁止切除的。
“絲杠、伺服電機軸一體化結構” 式的伺服軸，在伺服驅動正常的情況下光柵尺的作用僅僅用于補償絲杠螺母間隙的波動。對于加工中心而言，絲杠螺母安裝精度較高，正常情況下絲杠反向間隙在0.01mm 以內且非常穩(wěn)定。因此這一類的伺服軸經過精度檢查后完全可以長時間切除光柵尺，改用“定期檢查、保養(yǎng)絲杠，適當加強零件抽檢” 的措施。當然，對于使用年限較長的絲杠，根據磨損情況可以針對性的準備備件進行更換。這樣就可以大大減少光柵尺的消耗從而降低生產成本。這一方案，在缸體L3 線和缸蓋2、L7 線部分設備上得到了驗證。“直線電機式結構” 的伺服軸，由于光柵尺既充當了控制系統(tǒng)的速度環(huán)，也充當了位置環(huán)，因此，這一類機床的光柵尺是不允許被切除的。當然特殊的雙光柵尺伺服軸除外。
6．結束語
由于光柵尺使用的高成本和特殊工況下的高損耗，使得我們有必要對光柵尺的選擇和取舍進行再認識。不是越貴重的東西越適用，我們完全可以根據零件加工尺寸的精度要求和數控伺服軸的結構類型進行靈活取舍，既要保證零件加工質量，也不能盲目選擇而產生浪費。質量和成本的雙贏才是我們真正需要追求的價值。
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