全閉環(huán)位置測(cè)量為小批量加工提供高精度

海德漢供稿

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全閉環(huán)位置測(cè)量為小批量加工提供高精度

海德漢供稿

小批量生產(chǎn)中，由于加工任務(wù)和加工步驟經(jīng)常變化，常常造成精度不足。主要是因?yàn)闄C(jī)床和驅(qū)動(dòng)的溫度持續(xù)變化和無(wú)法預(yù)測(cè)，溫度變化導(dǎo)致滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)熱膨脹。海德漢直線光柵尺組成的全閉環(huán)位置測(cè)量系統(tǒng)能避免傳動(dòng)鏈的這些變化。它隨時(shí)可準(zhǔn)確確定機(jī)床工作臺(tái)位置，因此，能持續(xù)保持工件的高精度并完全滿足公差要求。

即使最現(xiàn)代化的企業(yè)，如果需要經(jīng)濟(jì)且高精度地加工，也需要靈活的小批量生產(chǎn)能力。尤其是生產(chǎn)組織和物流需要大量的時(shí)間和人力資源。畢竟生產(chǎn)準(zhǔn)備、生產(chǎn)以及更多的加工步驟都必須確保最高精度。如果實(shí)際加工速度大大快于機(jī)床和設(shè)備的準(zhǔn)備速度，那么延遲將導(dǎo)致嚴(yán)重后果。計(jì)算變得沒有意義，因?yàn)闀r(shí)間消耗大以及安排后續(xù)機(jī)床計(jì)劃非常復(fù)雜。

所有這些問題毫無(wú)疑問地告訴我們，對(duì)于生產(chǎn)組織和周密計(jì)劃來說，精度是靈活的小批量生產(chǎn)最重要的因素。事實(shí)上，現(xiàn)代化機(jī)床本身的精度通常都不低。然而，最重要的通常是細(xì)節(jié)，對(duì)于精度而言，重要的是機(jī)床發(fā)熱也即加工本身導(dǎo)致的熱膨脹。

熱膨脹影響巨大

我們都知道材料受熱時(shí)將膨脹。對(duì)于直線軸，主要是滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的影響。由于預(yù)緊及滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)與螺母間的摩擦，加工時(shí)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致工作臺(tái)溫度升高。滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的固定軸承和可動(dòng)軸承允許滾珠絲杠進(jìn)行相應(yīng)膨脹，以免損壞軸承。

鋼滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的熱膨脹值很容易計(jì)算，鋼材的熱膨脹系數(shù)為每度每米10μm。如果滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)度為1m，溫度升高1℃，將膨脹10μm。對(duì)于滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)，45℃的溫度十分常見，這就是說比理想溫度20℃高25℃，不難想象實(shí)際偏差將有多大。

溫度過高造成廢品

周一早晨的機(jī)床溫度是最理想的20℃，這是因?yàn)橹苣┎还ぷ鳌，F(xiàn)在開始為40件的小批量生產(chǎn)進(jìn)行裝夾和準(zhǔn)備。該件的加工難度一般，機(jī)床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度不高，最大進(jìn)給速率為3.5m/min。對(duì)兩個(gè)相距350mm的孔進(jìn)行鉆孔加工和輪廓銑削，加工用時(shí)5分30秒，兩孔間距的公差為±0.02 mm。

加工后進(jìn)行質(zhì)量檢查發(fā)現(xiàn)，40件工件中只有前25件符合公差要求。大約40%的加工件報(bào)廢，—這是災(zāi)難性的結(jié)果，為什么？

在加工中，滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的溫度不斷升高。第25件后，發(fā)熱造成滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的熱膨脹達(dá)到臨界點(diǎn)，誤差超出公差±0.02 mm。最后一件的偏差甚至達(dá)70 μm。

可以很容易地顯現(xiàn)這個(gè)偏差：加工第40件后，將首件安裝回機(jī)床，Z軸方向進(jìn)給減小一半。這樣精加工的第2孔我們可在現(xiàn)有孔中清晰看到一條邊界線，第2次銑削加工也有同樣情況。這是滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)熱膨脹70μm的誤差所造成的結(jié)果。

頻繁換件造成熱膨脹無(wú)法預(yù)測(cè)

然而，小批量生產(chǎn)不是線性膨脹的問題，因?yàn)榫€性膨脹容易計(jì)算。問題在于需要不斷換件和加工條件不斷改變，因此無(wú)法預(yù)測(cè)溫度變化。例如，周一早晨第一批小批量生產(chǎn)后，下午的加工馬上換為不同的設(shè)置。那么，現(xiàn)在的機(jī)床溫度怎么樣呢？換設(shè)置時(shí)是否完全冷卻到20℃，還是滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)仍有余溫呢？

無(wú)人知曉，以后每次的小批量生產(chǎn)條件越來越難以預(yù)測(cè)。無(wú)法為未來批次的加工確定參數(shù)值。下次加工時(shí)，同樣的加工操作的廢品可能多也可能少，這取決于加工開始時(shí)的滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)初始溫度以及溫度的變化情況。

高精度位置測(cè)量的全面控制

另一方面，直線光柵尺的位置測(cè)量不受滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)熱膨脹的影響—而且也不受其他因素影響，被稱為全閉環(huán)控制。這種方式始終能高精度地確定機(jī)床工作臺(tái)位置，結(jié)果是穩(wěn)定的生產(chǎn)條件，持續(xù)保持工件的高質(zhì)量。

比較加工方式以說明以上加工舉例。全閉環(huán)控制的加工沒有廢品，所有工件全部符合公差要求。加工第40件后，第二次加工首件，Z軸方向進(jìn)給減小一半，無(wú)可見邊界線。

特別是對(duì)于小批量生產(chǎn)的企業(yè)，用直線光柵尺的全閉環(huán)位置測(cè)量系統(tǒng)的機(jī)床值得投資?！?/p>

第二次加工后清晰可見，全閉環(huán)控制無(wú)可見的第二次鉆孔：由于滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的熱膨脹造成70 μm偏差兩次加工的工件無(wú)圓角也無(wú)邊界線