高精度光柵尺在高速三維接觸深度鉆銑機(jī)中的應(yīng)用

PCB 印刷電路板日趨微型化和復(fù)雜化，這就需要電子器件的定位能達(dá)到極高精度。為使定位達(dá)到高精度，各類加工機(jī)廣泛采用直線電機(jī)技術(shù)。ERNST LENZ Maschinenbau 是一家開創(chuàng)性的公司，他們提供印刷電路板鉆銑機(jī)。位于德國黑森中部辛恩的這家制造企業(yè)是首家在PCB 鉆孔機(jī)上成功應(yīng)用直線電機(jī)技術(shù)的企業(yè)之一。直線電機(jī)技術(shù)還首次應(yīng)用在DRB 610 1+1 PCB 鉆銑機(jī)上，該機(jī)在Productronica 2013 展會上展現(xiàn)了其雙主軸的極高動態(tài)定位精度（見圖1）。該機(jī)器制造商還選用海德漢LIC 4100 絕對式敞開直線光柵尺保證高精度的位置測量及運(yùn)動速度控制（見圖2）。

圖1 全新DRB 610 1+1 PCB 鉆銑機(jī)

技術(shù)先驅(qū)

圖2 LC 4100 絕對式直線光柵尺

LENZ 擁有超過40年生產(chǎn)這類系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，是歐洲首批專業(yè)開發(fā)生產(chǎn)PCB 鉆孔機(jī)的公司之一。該公司持續(xù)的高質(zhì)量、極高的客戶導(dǎo)向，特別是創(chuàng)新和開創(chuàng)性的機(jī)床結(jié)構(gòu)在市場上獲得了廣泛認(rèn)可。LENZ 是第一家發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)較新的直接驅(qū)動技術(shù)在PCB 鉆孔機(jī)上應(yīng)用潛力的企業(yè)，自1994年以來，該公司開發(fā)生產(chǎn)了直線電機(jī)驅(qū)動的PCB鉆孔機(jī)，自1998年起，該公司生產(chǎn)的所有機(jī)器全部采用該技術(shù)。而且，從1996年開始，該公司從采用海德漢公司的封閉式直線光柵尺改為采用敞開式直線光柵尺。“更換的原因，”LENZ 公司總經(jīng)理Uwe Lenz（見圖3）說“是工作噪音低。我們配滾珠絲杠的傳統(tǒng)驅(qū)動仍采用封閉式直線光柵尺，但升級到速度更快和更低噪音的直線電機(jī)時(shí)，我們需要一種新的系統(tǒng)，我們很快發(fā)現(xiàn)海德漢提供適合該應(yīng)用的敞開式直線光柵尺。由于我們對海德漢的產(chǎn)品和服務(wù)非常滿意，現(xiàn)在全新DRB 610 1+1 PCB 鉆銑機(jī)同樣采用海德漢LIC 4100 絕對式敞開直線光柵尺?！?/p>

敞開式直線光柵尺提升機(jī)器的動態(tài)性能。

LENZ 又一次開創(chuàng)市場先河，率先開發(fā)出市場所需的DRB（鉆孔、切割，運(yùn)送）610 1+1 系統(tǒng)，并于2013年11月面世。該機(jī)的突出特點(diǎn)是擁有沿全部三個軸的接觸深度鉆孔與接觸深度銑削（也即Z 軸控制的深度鉆孔/ 銑削）能力，速度快，精度高。

最新開發(fā)的DRB 610 1+1 結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積僅1 410 mm ×1 620 mm，而加工區(qū)達(dá)610 mm ×650 mm。該機(jī)的另一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)是擁有2 400刀位的大型橫向刀帶。刀具的換刀操作采用獨(dú)立刀帶驅(qū)動，因此X 軸不需要定位大量刀具，顯著減輕了該軸的工作負(fù)荷。因此可用更小規(guī)格的驅(qū)動，使該機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊?！傲硪豁?xiàng)優(yōu)點(diǎn)是操作人員可在機(jī)器加工的同時(shí)換刀，”Uwe Lenz 說?，F(xiàn)在，配雙主軸的全自動鉆銑機(jī)能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)深度鉆孔和銑削（電路板自動裝入和運(yùn)出）。

PCB 電路板上的孔徑越來越小，經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行大批量生產(chǎn)需要高精度、高性能并且過程安全。為達(dá)到最高鉆孔生產(chǎn)力，氣浮軸承的主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)300 000 r/min，鉆孔深度達(dá)50 μm，定位精度達(dá)到±3 μm。滾柱軸承主軸適用于1.5 mm 至6.35 mm較大孔的鉆孔與銑削，而銑削深度精度高達(dá)±10 μm。Uwe Lenz 補(bǔ)充說，“主軸不是獨(dú)自工作，而是順序工作，這是1+1 后綴型號命名的原因?！?/p>

不僅主軸轉(zhuǎn)速極高-X、Y 和Z 軸加速度也非常大?！懊糠昼娨M(jìn)行1 000 次鉆孔，X 軸和Y 軸的加速度幾乎達(dá)到2 g 和Z 軸達(dá)到3 g 以上，”Uwe Lenz 解釋說。Sieb & Meyer 公司的CNC 84.00 數(shù)控系統(tǒng)需要在極短的時(shí)間內(nèi)得到直線電機(jī)的位置信息，只有這樣才能在如此高的加速度條件下進(jìn)行高精度運(yùn)動，為此，選用海德漢公司的LIC 4100 進(jìn)行X 軸、Y 軸和Z 軸的高精度定位。CNC 84.00 是為PCB 行業(yè)的鉆孔機(jī)專門開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)。高性能的軟件與硬件使該鉆孔機(jī)在生產(chǎn)中具有最高精度、最高生產(chǎn)力和最高可靠性。

高質(zhì)量掃描提供了功能安全性

位置測量應(yīng)用的直線光柵尺是機(jī)床達(dá)到高精度定位不可或缺的手段。直線光柵尺直接且立即測量進(jìn)給軸的實(shí)際位置。除絕對式位置測量外，LIC 4100 敞開式直線光柵尺還具有1 nm 的高分辨率及高速純串行EnDat 2.2 接口。絕對式直線光柵尺在開機(jī)時(shí)就能立即提供當(dāng)時(shí)的位置值，它不需要執(zhí)行參考點(diǎn)回零操作，因此技術(shù)可靠性高和安全性強(qiáng)。絕對式直線光柵尺特別適應(yīng)于直接驅(qū)動應(yīng)用。一旦開機(jī)啟動，上層電子系統(tǒng)立即能檢測到實(shí)際位置和換向偏移量，并立即為電機(jī)供電并使電機(jī)在閉環(huán)中。關(guān)鍵工作狀態(tài)都能安全地控制，例如開啟直接驅(qū)動的垂直軸或急停后的退刀。在高動態(tài)應(yīng)用中，極高的測量信號質(zhì)量能改善速度控制和定位性能。

“由于它采用獨(dú)特的掃描技術(shù)，這些光柵尺對污染不敏感，因此可以確保設(shè)備的高可靠性和高速度，同時(shí)能達(dá)到1 nm 的高分辨率，”海德漢公司（西部地區(qū)）銷售經(jīng)理Markus Hanelt 說。為達(dá)到極小測量步距要求，增量刻軌的測量信號用大倍頻細(xì)分并與絕對刻軌一起提供絕對位置信息。由于它的分辨率高，因此伺服放大器的控制環(huán)增益大，即使運(yùn)動速度很低也能達(dá)到極高控制和定位精度。“LIC 4100 的另一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)是它允許的溫度范圍寬，達(dá)到-10～+70 °C，”Markus Hanelt 補(bǔ)充說。該系列光柵尺有多個版本：溫度穩(wěn)定性最高的Zerodur 玻璃陶瓷光柵尺，從玻璃光柵尺到長度達(dá)28 440 mm 的鋼帶光柵尺。

最新掃描方法還提供極高的功能安全性。海德漢公司Metallur 工藝的準(zhǔn)平面結(jié)構(gòu)光柵具有超強(qiáng)抗污染能力，因此能顯著提升光柵尺可靠性。光柵刻線邊緣清晰度高且一致性好，細(xì)分誤差極小，能達(dá)到納米級，因此它能滿足直線驅(qū)動系統(tǒng)工作平穩(wěn)要求及控制環(huán)高增益要求。在開發(fā)該光柵尺中還考慮到升級的兼容性?！癓IC 4100 安裝尺寸與市場上暢銷的海德漢LIDA 400 增量式直線光柵尺一致，”海德漢公司高級產(chǎn)品經(jīng)理Reinhard Kuhn 說。“因此可以很容易地替換現(xiàn)在用在加工機(jī)中的光柵尺，將其換為絕 對式測量技術(shù)。只需相應(yīng)調(diào)整后續(xù)電子電路?！?/p>

圖4 DRB 610 1+1 的加工區(qū)：右側(cè)為雙主軸配置，中左位置是直線電機(jī)的定子以及相應(yīng)的X 軸的LIC 4100 鋼帶光柵尺

數(shù)字接口還有更多功能優(yōu)點(diǎn)。通過該接口傳輸?shù)慕^對刻軌信號、增量刻軌信號和位置值計(jì)算的評估數(shù)字實(shí)時(shí)報(bào)告光柵尺狀態(tài)?！霸u估數(shù)字讓我們能非常方便地確定光柵尺與運(yùn)動方向的對正情況，”Reinhard Kuhn 說。還能報(bào)告信號質(zhì)量情況，提供工作冗余信息，因此還便于定義保養(yǎng)間隔時(shí)間。這是光柵尺高可靠性的基本前提條件。

結(jié)論

為了在一年內(nèi)快速完成從初步設(shè)計(jì)到最終產(chǎn)品定型，必須考慮許多因素。首先，必須建立一支富有創(chuàng)造性的團(tuán)隊(duì)，如LENZ；其次，選用創(chuàng)新產(chǎn)品，例如Sieb & Meyer 公司的CNC 84.00 數(shù)控系統(tǒng)和海德漢公司的LIC 4100 敞開式直線光柵尺；第三，最大限度消除各方之間障礙，快速解決任何問題。Uwe Lenz 認(rèn)為快速開發(fā)特別成功的一項(xiàng)因素是“我們與海德漢公司間的愉快合作，海德漢為我們提供的測量技術(shù)是我們超過25年來所生產(chǎn)機(jī)器的關(guān)鍵?！?/p>

圖5 氣浮軸承的主軸，橫向安裝的Z 軸的LIC 4100 光柵尺