全闭环位置测量为小批量加工提供高精度

海德汉供稿



全闭环位置测量为小批量加工提供高精度

海德汉供稿

小批量生产中，由于加工任务和加工步骤经常变化，常常造成精度不足。主要是因为机床和驱动的温度持续变化和无法预测，温度变化导致滚珠丝杠驱动热膨胀。海德汉直线光栅尺组成的全闭环位置测量系统能避免传动链的这些变化。它随时可准确确定机床工作台位置，因此，能持续保持工件的高精度并完全满足公差要求。

即使最现代化的企业，如果需要经济且高精度地加工，也需要灵活的小批量生产能力。尤其是生产组织和物流需要大量的时间和人力资源。毕竟生产准备、生产以及更多的加工步骤都必须确保最高精度。如果实际加工速度大大快于机床和设备的准备速度，那么延迟将导致严重后果。计算变得没有意义，因为时间消耗大以及安排后续机床计划非常复杂。

所有这些问题毫无疑问地告诉我们，对于生产组织和周密计划来说，精度是灵活的小批量生产最重要的因素。事实上，现代化机床本身的精度通常都不低。然而，最重要的通常是细节，对于精度而言，重要的是机床发热也即加工本身导致的热膨胀。

热膨胀影响巨大

我们都知道材料受热时将膨胀。对于直线轴，主要是滚珠丝杠驱动的影响。由于预紧及滚珠丝杠驱动与螺母间的摩擦，加工时工作台的运动导致工作台温度升高。滚珠丝杠驱动的固定轴承和可动轴承允许滚珠丝杠进行相应膨胀，以免损坏轴承。

钢滚珠丝杠驱动的热膨胀值很容易计算，钢材的热膨胀系数为每度每米10μm。如果滚珠丝杠驱动长度为1m，温度升高1℃，将膨胀10μm。对于滚珠丝杠驱动，45℃的温度十分常见，这就是说比理想温度20℃高25℃，不难想象实际偏差将有多大。

温度过高造成废品

周一早晨的机床温度是最理想的20℃，这是因为周末不工作。现在开始为40件的小批量生产进行装夹和准备。该件的加工难度一般，机床工作台运动速度不高，最大进给速率为3.5m/min。对两个相距350mm的孔进行钻孔加工和轮廓铣削，加工用时5分30秒，两孔间距的公差为±0.02 mm。

加工后进行质量检查发现，40件工件中只有前25件符合公差要求。大约40%的加工件报废，—这是灾难性的结果，为什么？

在加工中，滚珠丝杠驱动的温度不断升高。第25件后，发热造成滚珠丝杠驱动的热膨胀达到临界点，误差超出公差±0.02 mm。最后一件的偏差甚至达70 μm。

可以很容易地显现这个偏差：加工第40件后，将首件安装回机床，Z轴方向进给减小一半。这样精加工的第2孔我们可在现有孔中清晰看到一条边界线，第2次铣削加工也有同样情况。这是滚珠丝杠驱动热膨胀70μm的误差所造成的结果。

频繁换件造成热膨胀无法预测

然而，小批量生产不是线性膨胀的问题，因为线性膨胀容易计算。问题在于需要不断换件和加工条件不断改变，因此无法预测温度变化。例如，周一早晨第一批小批量生产后，下午的加工马上换为不同的设置。那么，现在的机床温度怎么样呢？换设置时是否完全冷却到20℃，还是滚珠丝杠驱动仍有余温呢？

无人知晓，以后每次的小批量生产条件越来越难以预测。无法为未来批次的加工确定参数值。下次加工时，同样的加工操作的废品可能多也可能少，这取决于加工开始时的滚珠丝杠驱动初始温度以及温度的变化情况。

高精度位置测量的全面控制

另一方面，直线光栅尺的位置测量不受滚珠丝杠驱动热膨胀的影响—而且也不受其他因素影响，被称为全闭环控制。这种方式始终能高精度地确定机床工作台位置，结果是稳定的生产条件，持续保持工件的高质量。

比较加工方式以说明以上加工举例。全闭环控制的加工没有废品，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轴方向进给减小一半，无可见边界线。

特别是对于小批量生产的企业，用直线光栅尺的全闭环位置测量系统的机床值得投资。□

第二次加工后清晰可见，全闭环控制无可见的第二次钻孔：由于滚珠丝杠驱动的热膨胀造成70 µm偏差两次加工的工件无圆角也无边界线