【海德漢】旋轉軸定位精度五軸加工的關鍵（上）
2020-12-3 來源：-- 作者：-
接下來這兩期，小編為大家準備了純干貨：旋轉軸定位精度在五軸加工中的關鍵，主要從以下兩點進行討論：
1、討論機床回轉工作臺旋轉軸的全閉環和半閉環控制模式；
2、討論5軸加工涉及兩個高精度定位的旋轉軸在機床加工中的作用；
全球化的興起和市場的國際化使客戶的需求愈加多元化。在終端市場，用戶更加期待豐富和個性化的產品。在制造業，這些變化早已不是秘密。要與遍布全球的供應商競爭，必須提供創新的產品、卓越的品質和強勁的功能。還需要滿足單品小批量、嚴格幾何公差的要求和可視面和功能面需要達到更高表面質量。同時，生產商必須適應更短上市時間和更短產品生命周期的形勢要求。
在生產中，要提高品種規格的靈活性，需要使用5軸加工技術。用通用性的工裝夾具系統可進行多面和完整加工并提高自動化程度、靈活性和機床利用率。由于5軸技術允許大量使用標準刀具，允許在銑削路徑上改變刀具方向，以加工復雜的幾何形狀。
5軸加工
在5軸加工中，五個機床軸全部彼此相對運動并同步進行插補（三個直線軸和兩個旋轉軸）。
3+2加工
如果旋轉軸在加工前移到固定位置并在加工整個過程中保持在該位置不動，這是3+2軸式加工。
即使環境條件和加工條件發生變化，機床也需要保持加工件達到高精度的要求。因此，必須在位置信息處理中滿足測量精度和長期一致性的要求。特別是在5軸加工中，旋轉軸定位誤差顯著影響加工精度，因此直接影響工件精度。
圖1：5軸加工典型工件
根據成本構成、客戶要求、機床的加工情況，特定旋轉軸可由力矩電機驅動或由伺服電機與機械傳動系統驅動。對于采用機械傳動的旋轉軸，編碼器的選型尤為關鍵，本文主要聚焦于該主題。對于由伺服電機和齒輪傳動系組成的旋轉軸，要測量其位置，最簡單的方法是用電機編碼器和傳動比。這就是半閉環控制的位置反饋控制方式。
半閉環控制
在半閉環控制中，不考慮機械傳動部件的誤差。反饋控制環中不含這些誤差。半閉環控制中的周期性負載導致傳動部件發熱，這是定位誤差較大的重要原因。
全閉環控制
如果將角度編碼器直接安裝在回轉工作臺的轉動軸上進行位置反饋，這是全閉環控制。在全閉環控制中，幾乎全部機械傳動誤差都在位置控制環中。
在下面討論中，我們將看到測量鏈中齒輪系統對旋轉軸定位的顯著影響以及該方法與在旋轉軸上直接使用角度編碼器的效果比較。
首先讓我們來了解一下被測機床的的配置：
以下測量結果來自高端5軸立式加工中心， 該機的配置為：工件使用一個直線軸和兩個旋轉軸，刀具使用兩個直線軸（該機結構類似于圖2）。該機的行程范圍大約為600 mm x 600 mm x 500 mm。測試的主要內容是工作臺的“C”軸旋轉軸，該軸由伺服電機和蝸輪驅動。
圖2：5軸加工機床的結構示意圖
基準編碼器的設計和制造都用于確定回轉工作臺的定位精度。圖3是其結構式設計的示意圖。基準編碼器有一個光學掃描的柵鼓[1]和四個非接觸式讀數頭[2]。掃描柵鼓位于回轉工作臺的中心并用適配器[3]安裝固定，測量時回轉工作臺帶動其旋轉。讀數頭分布在安裝座[4]中并用夾刀系統[5]固定在機床主軸上。
圖3：基準編碼器的示意圖
圖4為基準編碼器安裝在機床內的情況。在測量時，找正以下部件的旋轉軸：回轉工作臺、基準編碼器的柵鼓和主軸。基準編碼器的精度由已校準的測量機鑒定，確保其系統精度達到±0.5"。如果在較大的安裝公差范圍內和徑向±1.0 mm及軸向跳動0.4 mm的工作公差范圍內，可達到以上精度要求。在機床上進行多次測量驗證基準編碼器的重復精度和質量。
圖4： 基準編碼器位于機床回轉工作臺上
該基準編碼器的優點是其允許的安裝公差較大（特別是允許±0.2 mm的偏心量），因此能大大簡化安裝和便于實際使用。該編碼器的標稱系統精度是指整套基準編碼器的精度且不受外部環境因素的影響。旋轉軸在任何位置處都能進行測量，也能使用極小的角度步距。不指定固定不變的測量位置數或測量位置間的等間距。無需將基準編碼器與機床關聯。
雖然力矩電機的直驅系統已得到廣泛應用，但相當大比例的機床旋轉軸仍然采用伺服電機與機械傳動相結合的結構。其主要原因包括加工中的復雜性和機床的成本構成。對于伺服電機，確定旋轉軸的角度位置有兩個方法。兩種位置反饋模式，即全閉環（CL）和半閉環（SCL），分別見圖5和圖6。
與全閉環控制不同，半閉環控制的誤差源不止一個，這是因為在編碼器的位置測量點與相應回轉工作臺之間有許多部件。特別是幾何誤差、機械傳動部件的彈性誤差和溫度影響及磨損問題。加工力和振動的動態作用也影響位置測量。然而，在全閉環控制中，定位精度基本不受以上介紹的主要誤差源的影響，原因是角度編碼器在原點位置測量這些誤差，并在位置控制環中考慮這些誤差。
那么我們得到了哪些結論呢？請期待下期講解！
未完待續！
（來源：海德漢）
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