光柵尺在高速加工中心的應(yīng)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(zhì)量和加工效率不斷提高的今天，準(zhǔn)確把握機(jī)床結(jié)構(gòu)、光柵尺動(dòng)態(tài)性能、維修成本這三項(xiàng)指標(biāo)的平衡，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)質(zhì)量和成本的雙贏，具有十分重要的意義。
【關(guān)鍵詞】: 加工中心、伺服軸、光柵尺、生產(chǎn)成本
1．引言
長期以來，光柵尺作為數(shù)控機(jī)床、加工中心位置環(huán)的反饋元件，對(duì)于提高機(jī)床控制精度、改善零件加工質(zhì)量等方面發(fā)揮著重要的作用。然而，隨著數(shù)控伺服軸結(jié)構(gòu)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(dǎo)致維修成本居高不下; 高速加工機(jī)床進(jìn)給速度和切削余量提高后機(jī)床振動(dòng)導(dǎo)致光柵尺報(bào)警頻繁; 數(shù)控系統(tǒng)的控制精度、加工中心伺服軸的固有結(jié)構(gòu)以及光柵尺的動(dòng)態(tài)性能三者之間無法完美匹配導(dǎo)致機(jī)床出現(xiàn)震蕩進(jìn)而產(chǎn)生報(bào)警，最后不得不切除光柵尺。凡此種種，不一而足。因此，對(duì)于光柵尺在全閉環(huán)數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用尤其是高速加工中心中的應(yīng)用問題，有
要進(jìn)行深入探討和再認(rèn)識(shí)，以便在零件加工質(zhì)量、設(shè)備故障率和維修成本之間找到平衡點(diǎn)。
2．加工中心伺服軸構(gòu)成方式及優(yōu)缺點(diǎn)
伺服軸的設(shè)計(jì)無疑是加工中心中加工精度、加工效率、設(shè)備能力保障的核心部分。伺服軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)、數(shù)控驅(qū)動(dòng)、位置檢測(cè)，直接決定了伺服軸的性能。從數(shù)控機(jī)床、加工中心的發(fā)展歷程來看，伺服軸的演變大致經(jīng)歷了如下三個(gè)階段。傳統(tǒng)三段式結(jié)構(gòu)，絲杠和電機(jī)軸一體化結(jié)構(gòu)，直線電機(jī)式結(jié)構(gòu)。
2.1傳統(tǒng)三段式結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)三段式結(jié)構(gòu)是早期數(shù)控機(jī)床伺服軸最基本的結(jié)構(gòu)方式。其構(gòu)成單元為伺服電機(jī)、絲杠螺母副、滑臺(tái)。伺服電機(jī)通過皮帶（或加速器）帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)機(jī)械滑臺(tái)移動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)中也可以省略皮帶或減速機(jī)構(gòu)采用聯(lián)軸節(jié)把伺服電機(jī)軸與絲杠直接連接起來。結(jié)構(gòu)圖如圖一所示。
這種結(jié)構(gòu)的突出特點(diǎn)是，機(jī)械傳動(dòng)及連接環(huán)節(jié)較多，機(jī)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(shí)機(jī)床控制精度會(huì)大大降低。一旦絲杠磨損或損壞，零件加工質(zhì)量就無法保證。當(dāng)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(jī)與絲杠螺母之間的所有傳動(dòng)誤差全部納入檢測(cè)范籌并進(jìn)行補(bǔ)償，包括皮帶傳動(dòng)間隙（或聯(lián)軸節(jié)間隙）、絲杠螺母間隙等，從而使機(jī)床控制精度大大提高，零加工質(zhì)量得到有效保證。因此，在此類伺服軸的結(jié)構(gòu)中，直線光柵尺的作用是非常顯著的，尤其對(duì)于使用一定年限的機(jī)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(jī)軸一體化結(jié)構(gòu)
這種伺服軸的結(jié)構(gòu)，是把伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子與絲杠本體連接成一體，采用無縫剛性連接，達(dá)到完全消除電機(jī)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(jié)構(gòu)的明顯優(yōu)勢(shì)就是電機(jī)與絲杠之間的機(jī)械傳動(dòng)誤差為零，整個(gè)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(jié)構(gòu)的機(jī)械間隙比傳統(tǒng)三段式結(jié)構(gòu)的間隙要小很多，正常情況下以絲杠的反向間隙存在，數(shù)控系統(tǒng)很容易補(bǔ)償。
此外，這種結(jié)構(gòu)伺服電機(jī)上的編碼器充當(dāng)了控制系統(tǒng)的速度環(huán)和第一位置環(huán)。為了高質(zhì)量的保證零件加工質(zhì)量和機(jī)床控制精度，機(jī)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(duì)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(guān)，一般是長期使用后呈緩慢變化趨勢(shì)，通過定期檢查或保養(yǎng)，完全可以達(dá)到受控狀態(tài)。因此，此種伺服軸的結(jié)構(gòu)，直線光柵尺僅僅發(fā)揮了“錦上添花” 的作用。
2.3直線電機(jī)式結(jié)構(gòu)
直線電機(jī)的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直接演變成直線運(yùn)動(dòng)。因此，這種伺服軸的結(jié)構(gòu)可以將直線電機(jī)的次級(jí)繞組（運(yùn)動(dòng)部件）直接與機(jī)床工作滑臺(tái)剛性連接起來，從而省略掉了機(jī)械傳動(dòng)中的所有間隙。
由于直線電機(jī)無法使用旋轉(zhuǎn)式編碼器，而直線光柵尺的安裝又非常方便，所以這種結(jié)構(gòu)的伺服軸大都采用了直線光柵尺。此時(shí)，光柵尺既充當(dāng)了伺服控制系統(tǒng)的速度環(huán)，也充當(dāng)了數(shù)控系統(tǒng)的位置環(huán)。因此，此處直線光柵尺在數(shù)控系統(tǒng)中發(fā)揮雙重作用，不可省略。
直線電機(jī)式伺服軸機(jī)械機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制精度高，維護(hù)方便，成為數(shù)控機(jī)床發(fā)展中的后起之秀，深得用戶青睞。
3．直線光柵尺的結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)性能分析
3.1光柵測(cè)量技術(shù)的發(fā)展概況
光柵技術(shù)的基礎(chǔ)是莫爾條紋（Moirefringes），1874 年由英國物理學(xué)家L.Rayleigh首先提出這種條紋的工程價(jià)值，直到20 世紀(jì)50年代人們才開始利用光柵的莫爾條紋進(jìn)行精密測(cè)量。1950 年德國Heidenhain 首創(chuàng)DIADUR 復(fù)制工藝，也就是在玻璃基板上蒸發(fā)鍍鉻的光刻復(fù)制工藝，這之后才開始制造高精度、價(jià)廉的光柵刻度尺，光柵計(jì)量儀器才為用戶所接受，從而進(jìn)入商品市場(chǎng)。1953 年英國Ferranti 公司提出了一個(gè)4 相信號(hào)系統(tǒng)，可以在一個(gè)莫爾條紋周期實(shí)現(xiàn)4 倍頻細(xì)分，并能鑒別移動(dòng)方向，這就是4 倍頻鑒相技術(shù)，成為光柵測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)，并一直應(yīng)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(zhuǎn)的圓光柵測(cè)量系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)1 微米和1 角秒的測(cè)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(gè)參考μm，經(jīng)光學(xué)二倍頻后得到的信號(hào)周期為4μm和2μm， 其分辨力為5nm 和50nm， 系統(tǒng)準(zhǔn)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(zhǔn)確度±1μm，速度為72m/min。其載體為溫度系數(shù)近于0 的玻璃陶瓷或溫度系數(shù)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(hào)周期為4μm，測(cè)量分辨率為0.1μm，系統(tǒng)準(zhǔn)確度±3μm 和±2μm，最大速度60m/min，測(cè)量長度達(dá)到3m，載體采用鋼尺和膨脹系數(shù)（10ppm/K）一樣的玻璃。可以用于測(cè)量長度長、精度不太高的場(chǎng)合。
3.2 直線光柵尺的結(jié)構(gòu)
直線光柵尺主要由光柵尺定尺、讀數(shù)頭及運(yùn)送部件、密封條組成。常用的光柵尺定尺一般由熱膨脹系數(shù)較小的條形玻璃構(gòu)成。讀數(shù)頭主要由光源和光電池構(gòu)成。整個(gè)光柵尺由密封條進(jìn)行密封，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況一般采用精過濾氣源對(duì)光柵尺腔體進(jìn)行吹氣，防止油污、水氣進(jìn)入。直線光柵尺的結(jié)構(gòu)如下圖五所示。
3.2直線光柵尺的動(dòng)態(tài)性能分析
從光柵尺的起源、發(fā)展與結(jié)構(gòu)改進(jìn)進(jìn)程來看，有幾個(gè)非常重要的指標(biāo)值得關(guān)注，光柵尺的柵距及熱作用、檢測(cè)系統(tǒng)的精度以及允許光柵尺動(dòng)尺運(yùn)動(dòng)的最大速度。這三個(gè)關(guān)鍵的指標(biāo)完全取決于光柵尺的構(gòu)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(shù)、微電子技術(shù)、以及數(shù)字通信技術(shù)的快速發(fā)展，光柵尺的系統(tǒng)檢測(cè)精度可以做到±0.5μm 和±1μm，運(yùn)動(dòng)速度可以做到72m/min，但其穩(wěn)定性深受光柵尺結(jié)構(gòu)、材料、熱平衡、以及安裝、現(xiàn)場(chǎng)工況、使用環(huán)境等多重因素的影響。而現(xiàn)場(chǎng)工況主要包括伺服軸的最大快移速度、機(jī)床加工過程中是否存在振動(dòng)等幾個(gè)因素。這一點(diǎn)往往容易被忽視。
4．直線光柵尺在加工中心應(yīng)用中出現(xiàn)的故障及解決措施
4.1 光柵尺硬件報(bào)警
當(dāng)光柵尺出現(xiàn)硬件損壞、反饋電纜線路接觸不良或斷開時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)將會(huì)直接出現(xiàn)光柵尺硬件報(bào)警。此時(shí)應(yīng)首先排除光柵尺線路是否存在問讀數(shù)頭運(yùn)送小車密封條讀數(shù)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(jié)構(gòu)，這時(shí)可以通過打表先確認(rèn)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(shí)可以先考慮臨時(shí)切除光柵尺，加強(qiáng)加工零件的抽檢，盡快購買備件。這種情況在雙位置環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床上是經(jīng)常使用的。要強(qiáng)調(diào)的是，上文描述的“傳統(tǒng)三段式結(jié)構(gòu)的伺服軸” 和“絲杠、伺服電機(jī)軸一體化結(jié)構(gòu)的伺服軸” 在使用光柵尺時(shí)，實(shí)際上就構(gòu)成了雙位置環(huán)的結(jié)構(gòu)，可以視機(jī)床狀態(tài)臨時(shí)切除光柵尺。尤其是后者，切除光柵尺的風(fēng)險(xiǎn)更小。同樣，對(duì)于直線電機(jī)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(jiǎn)單，此時(shí)光柵尺還充當(dāng)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(jié)構(gòu)，一個(gè)用作數(shù)控系統(tǒng)的速度環(huán)，一個(gè)用作位置環(huán)。當(dāng)然，在條件允許的情況下可以嘗試更換光柵尺讀數(shù)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(xiàn)飄移
零件加工尺寸出現(xiàn)飄移可能涉及到多方面原因，首先要根據(jù)故障所在伺服軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，逐步驗(yàn)證、理清是機(jī)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(xiàn)報(bào)警，又是雙位置環(huán)的結(jié)構(gòu)，可以嘗試先切除光柵尺進(jìn)行零件試切，如果加工零件出現(xiàn)好轉(zhuǎn)或正常，說明該故障不是機(jī)械方面的問題，而是光柵尺方面出現(xiàn)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(xiàn)象未變或出現(xiàn)化，基本上就可以排除光柵尺而鎖定是機(jī)械方面的問題了，可以由此展開進(jìn)一步的排查。比如，絲杠螺母磨損、絲杠軸承壞、絲杠背帽松動(dòng)、伺服電機(jī)聯(lián)軸節(jié)磨損等等。當(dāng)然也有極少數(shù)情況出現(xiàn)伺服驅(qū)動(dòng)、伺服電機(jī)或數(shù)控系統(tǒng)方面的問題，但這種情況出現(xiàn)的比例不足10%。
4.3 CNC系統(tǒng)出現(xiàn)光柵尺硬件連接報(bào)警
光柵尺硬件連接報(bào)警本身的含義是光柵信號(hào)在某一時(shí)刻未傳送到CNC 系統(tǒng)而被CNC 系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)。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(jī)床有時(shí)會(huì)出現(xiàn)光柵尺硬件連接報(bào)警。這時(shí)，就要對(duì)機(jī)床伺服軸的結(jié)構(gòu)、加工情況等方面進(jìn)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(xiàn)松動(dòng)，是否出現(xiàn)電纜斷線現(xiàn)象，第一時(shí)間進(jìn)行緊固或確認(rèn)。其次，要對(duì)機(jī)床加工工況進(jìn)行仔細(xì)分析、觀察，如機(jī)床是否出現(xiàn)振動(dòng)，加工是否出現(xiàn)異常噪聲等。必要時(shí)通過降低機(jī)床加工倍率、調(diào)整切削余量、更換刀具、檢查主軸拉到機(jī)構(gòu)、緊固機(jī)床地腳螺釘?shù)却胧┻M(jìn)行排查，鎖定故障源并予以解決。
另一方面，要結(jié)合光柵尺本身動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析。由前面分析可知，光柵尺讀數(shù)頭最大移動(dòng)速度是決定光柵尺動(dòng)態(tài)性能的重要指標(biāo)之一。在機(jī)床快速移動(dòng)時(shí)，光柵尺讀數(shù)頭可能會(huì)丟失掉定尺上的部分刻度信號(hào)，從而出現(xiàn)硬連接報(bào)警。此外，如果光柵尺安裝不好，讀數(shù)頭與密封條過度摩擦，也可能會(huì)導(dǎo)致讀數(shù)錯(cuò)誤或讀數(shù)頭損壞。此時(shí)也可以通過降低機(jī)床倍率進(jìn)行排查，確認(rèn)光柵尺是否損壞。這一點(diǎn)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(jié)構(gòu)和工作原理，使得光柵尺的使用壽命除了受自身結(jié)構(gòu)、材料、熱穩(wěn)定性等因素影響外，還嚴(yán)重受到外界環(huán)境、工況、安裝等因素的影響。從現(xiàn)場(chǎng)使用情況來看，進(jìn)給速度較低的數(shù)控機(jī)床平均壽命一般在2-3年，環(huán)境好的工位可以達(dá)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(yán)重。以神龍汽車公司缸蓋L7 線為例說明如下:X、Y、Z 坐標(biāo)軸均安裝了直線光柵尺，各軸的最大進(jìn)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(shè)備零件加工質(zhì)量非常穩(wěn)定，工藝節(jié)拍符合要求，但該工序四臺(tái)加工中心有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是加工中途光柵尺硬件連接報(bào)警故障率較高、光柵尺損壞較頻繁，嚴(yán)重時(shí)壽命只有1 個(gè)多月。而這些光柵尺的市場(chǎng)售價(jià)一般在1.5 萬元至2.5 萬元之間，這樣的話就會(huì)對(duì)生產(chǎn)成本造成極大的影響。無獨(dú)有偶，神龍汽車公司缸體L3線的高速加工中心中也出現(xiàn)同樣的問題，光柵尺頻繁損壞，維修成本居高不下，Heidenhain 術(shù)人員多次到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)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(gè)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(shí)更換的情況下，由于大家對(duì)各類加工中心伺服軸的結(jié)構(gòu)和控制原理缺乏深入的理論支撐和實(shí)踐數(shù)據(jù)的總結(jié)，在切除光柵尺后對(duì)零件加工質(zhì)量過度擔(dān)憂，甚至誠惶誠恐，造成了不必要的焦慮和管理資源的浪費(fèi)。因此，我們有必要對(duì)各類伺服軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入剖析并對(duì)癥下藥。針對(duì)不同類型的數(shù)控伺服軸的結(jié)構(gòu)，光柵尺的使用、選擇可歸納為表一:
“傳統(tǒng)三段式結(jié)構(gòu)” 的伺服軸，在早期數(shù)控機(jī)床中普遍使用。由于機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較多，累計(jì)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(jìn)行補(bǔ)償。這類機(jī)床一般在五年以內(nèi)機(jī)械傳動(dòng)和絲杠磨損較少，通過打表確認(rèn)機(jī)械間隙后是可以短時(shí)間切除光柵尺的。但對(duì)于工作10 年以上的機(jī)床，機(jī)械磨損較大，切除光柵尺后就會(huì)存在一定的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，必須加大零件監(jiān)控力度，比如提高抽檢頻次等。對(duì)于加工尺寸本身就不太穩(wěn)定的機(jī)床而言，光柵尺是嚴(yán)格禁止切除的。
“絲杠、伺服電機(jī)軸一體化結(jié)構(gòu)” 式的伺服軸，在伺服驅(qū)動(dòng)正常的情況下光柵尺的作用僅僅用于補(bǔ)償絲杠螺母間隙的波動(dòng)。對(duì)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(nèi)且非常穩(wěn)定。因此這一類的伺服軸經(jīng)過精度檢查后完全可以長時(shí)間切除光柵尺，改用“定期檢查、保養(yǎng)絲杠，適當(dāng)加強(qiáng)零件抽檢” 的措施。當(dāng)然，對(duì)于使用年限較長的絲杠，根據(jù)磨損情況可以針對(duì)性的準(zhǔn)備備件進(jìn)行更換。這樣就可以大大減少光柵尺的消耗從而降低生產(chǎn)成本。這一方案，在缸體L3 線和缸蓋2、L7 線部分設(shè)備上得到了驗(yàn)證。“直線電機(jī)式結(jié)構(gòu)” 的伺服軸，由于光柵尺既充當(dāng)了控制系統(tǒng)的速度環(huán)，也充當(dāng)了位置環(huán)，因此，這一類機(jī)床的光柵尺是不允許被切除的。當(dāng)然特殊的雙光柵尺伺服軸除外。
6．結(jié)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(duì)光柵尺的選擇和取舍進(jìn)行再認(rèn)識(shí)。不是越貴重的東西越適用，我們完全可以根據(jù)零件加工尺寸的精度要求和數(shù)控伺服軸的結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行靈活取舍，既要保證零件加工質(zhì)量，也不能盲目選擇而產(chǎn)生浪費(fèi)。質(zhì)量和成本的雙贏才是我們真正需要追求的價(jià)值。
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