肉眼可见表面缺陷的原因细分误差和其影响明显的表面缺陷人眼对结构性的变化非常敏感, 即使工件表面极小的缺陷也能被发现例如, 对于像素高达 500 万的显示器, 一个像素的缺陷就能被立即察觉人眼对周期性表面的缺陷更为敏感特别是在模具制造中, 周期性的表面缺陷让人不愉快, 而且需要代价昂贵的修复加

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粗尹
5 years ago
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技术信息直线轴伺服电机的旋转编码器 : 对铣削工件表面质量的影响机床行业的许多领域, 特别是模具制造业, 对工件公差的要求极为严格, 而且不允许表面缺陷要在最短时间内满足这些要求相当困难在模具制造中, 粗加工需要切除大量材料, 精加工时需要达到极高的表面质量 ( 图 1) 只有达到很高的铣削表面质量才能避免后续成本, 例如手工打磨除机床的机械系统

1 技术信息直线轴伺服电机的旋转编码器 : 对铣削工件表面质量的影响机床行业的许多领域, 特别是模具制造业, 对工件公差的要求极为严格, 而且不允许表面缺陷要在最短时间内满足这些要求相当困难在模具制造中, 粗加工需要切除大量材料, 精加工时需要达到极高的表面质量 ( 图 1) 只有达到很高的铣削表面质量才能避免后续成本, 例如手工打磨除机床的机械系统使用的数控系统和刀具外, 进给轴的测量技术对高附加值的铣削效果具有重大影响特别是工件上周期性的 0.5 mm 至 5 mm 波长的表面缺陷可被肉眼识别, 令人十分不快在模具制造中尤其如此其原因之一是进给轴编码器的细分误差除高端直线光栅尺外, 直线进给轴采用极小细分误差的旋转编码器是工件获得高表面质量的关键 2015 年 12 月图 1: 正在铣削加工中的模具工件

2 肉眼可见表面缺陷的原因细分误差和其影响明显的表面缺陷人眼对结构性的变化非常敏感, 即使工件表面极小的缺陷也能被发现例如, 对于像素高达 500 万的显示器, 一个像素的缺陷就能被立即察觉人眼对周期性表面的缺陷更为敏感特别是在模具制造中, 周期性的表面缺陷让人不愉快, 而且需要代价昂贵的修复加工工件表面的可见缺陷有不同的表现形式, 可能是暗影也可能是波纹导致的原因也有多种, 例如 : 影响加工过程的机床振动 ( 参见 [1]) 进给轴所用编码器的细分误差 ( 参见 [2]) 信号偏差导致的细分误差当今机床常用的进给轴编码器主要有两种确定进给轴位置值的方式 : 绝对式, 开机后就能确定进给轴位置, 精度一般, 增量式, 提供两路正弦信号 (A 和 B), 90 相位差要获得所需的分辨率, 需要对周期性的模拟信号 A 和 B 进行进一步的细分只要两路正弦输出信号理想, 电气相位角准确相差 90, 就不存在细分误差否则就将产生该误差, 这种误差在每一个扫描信号周期 ( 即信号周期 ) 中都重复出现因此, 被称为细分误差 ( 图 2) 细分误差的大小受许多因素的影响, 例如 : 信号周期大小, 光栅和栅距定义的一致性, 扫描掩膜质量, 传感器特性, 及模拟信号后续处理的稳定性和动态性能细分误差的影响模具制造的几何形状日趋复杂, 工件加工难度越来越高用 5 轴加工时, 所有进给轴共同运动的情况非常普遍如果用多个 NC 轴插补加工倾斜面或曲面, 细分误差将直接反映在工件上用小角度加工倾斜面时, 这个影响尤其明显一个编码器的细分误差 ( 例如 Z 轴 ) 在投影到倾斜工件表面后变得十分明显 ( 图 3) 由于倾斜, 沿刀具路径信号周期将放大 n 倍进给轴沿 Z 轴运动正好一个信号周期时,X 轴运动 n 个或更多个信号周期倾斜工件表面上的波形波长对应于 Z 轴编码器的 n 个信号周期人眼可以很容易发现 0.5 mm 至 5 mm 的波长细分精度位置误差细分误差信号周期 360 电子角信号电平位置图 2: 单信号周期内位置误差 ( 细分误差 ) 2

3 理想路径铣削路径 Z nom + Z act 位置控制单元 + 速度控制单元 d dt φ act λ = n SP SP = 信号周期 A = 幅值 n = 1/ 倾斜度 = b/h λ = 波长 A h b 图 3: 倾斜工件上细分误差的示意图图 4: 进给轴示意图进给轴的位置和速度测量图 4 显示采用伺服电机伺服控制的进给轴滚珠丝杠主轴坐标轴结构和进给轴的测量方式用直线光栅尺测量主轴坐标轴位置, 并将实际位置的测量值反馈给该轴的位置控制环用作第二测量值的旋转编码器位于进给轴的伺服电机上, 它测量电机轴转角旋转编码器的信号用于确定实际速度文献 [2] 给出的加工测试结果显示直线光栅尺 ±200 nm 的细分误差将使工件的表面缺陷明显可见而海德汉 LC 100 直线光栅尺的细分误差明显小于 ±100 nm, 完全没有可见的表面波纹下面测试中所用机床的所有直线轴都采用海德汉 LC 483 型直线光栅尺其细分误差也都明显小于 ±100 nm, 都没有可见的表面波纹这个原理是以下有关旋转编码器细分误差对铣削工件表面影响的观察和说明的基础旋转编码器的细分误差相当于单信号周期内的短行程角度误差要使工件几何和表面质量达到要求的高精度, 通常需要几何精度较高的机床对于高机械刚性和无反向间隙的进给轴, 滚珠丝杠将旋转编码器的细分误差转换成直线误差这就是说一定的旋转编码器细分误差和在下面指定的其它条件下, 将造成工件表面缺陷读数头在带有周期性误差的光栅上运动, 运动速度的提高导致误差频率的提高因此, 细分误差频率取决于进给速率由于位置控制环和速度控制环的截止频率 ( 带宽 ) 不同, 在不同进给速率下, 刀具中心点在不同的旋转位置时, 编码器的细分误差变得明显可见低进给速率 ( 低细分误差频率 ) 时, 旋转编码器的细分误差被位置控制单元修正如果旋转编码器的细分误差频率超过位置控制环的截止频率 ( 较高进给速率 ), 则无法对其进行调整那么, 刀具中心点处细分误差的出现频率就将增加 3

影响细分误差的因素进给速率和位置控制单元及速度控制单元的带宽图 5: 用 KGM 181 二维编码器的测量测试系统二维编码器的测试系统为了区分加工工艺的影响与刀具中心点运动的影响, 用海德汉二维编码器 KGM 181 在加工前确定轮廓偏差二维编码器可以非接触地确定刀具中心点与机床工作台在两个运动进给轴平面内的轮廓偏差图 5 为测试系统用高端模具机床进行该测试测量面由机床的 X 轴和

4 影响细分误差的因素进给速率和位置控制单元及速度控制单元的带宽图 5: 用 KGM 181 二维编码器的测量测试系统二维编码器的测试系统为了区分加工工艺的影响与刀具中心点运动的影响, 用海德汉二维编码器 KGM 181 在加工前确定轮廓偏差二维编码器可以非接触地确定刀具中心点与机床工作台在两个运动进给轴平面内的轮廓偏差图 5 为测试系统用高端模具机床进行该测试测量面由机床的 X 轴和 Z 轴组成 Z 轴伺服电机直接连接滚珠丝杠, 因此传动链中只有滚珠丝杠, 没有其它传动件滚珠丝杠的螺距为 P = 20 mm 需观察的机床轴为 Z 轴为进行测试, 伺服电机使用了不同的旋转编码器我们用两个安装方式兼容的高端旋转编码器, 其圆光栅码盘都为 2048 线旋转编码器 1 的细分误差比旋转编码器 2 大 3 倍如前面的介绍, 旋转编码器的细分误差通过滚珠丝杠转换成直线误差直线运动的信号周期通过滚珠丝杠的螺距与编码器的线数计算确定 : SP RElin = P = 20 mm 9.8 µm ( 公式 1) LC 2048 对于被加工件, 二维编码器测量的行程路径为 b = 60 mm 和 h = 0.4 mm 这些参数用第 3 页计算波长的公式计算, 假定 SPRElin 和人眼对周期性形状误差的灵敏度 λ = 0.5 mm 至 5 mm 因此, 严重的细分误差,9.8 µm 的信号周期导致轮廓偏差 λ 1.5 mm 测量结果确认相关性图 6 显示旋转编码器 1 和两种不同轮廓速度条件下的测量结果低速 (500 mm/min) 主要用小直径刀具加工钢件 ( 例如 Ø 6 mm), 高速 4000 mm/min 主要加工铝件运动误差图显示,4000 mm/min 进给速率时,Z 轴方向出现波形轮廓偏差放大该图后, 可见大约 1.5 mm 的波长这相当于基于 Z 轴伺服电机旋转编码器的细分误差所得的波长 4

5 图 6: 细分误差高 3 倍的旋转编码器 1 的测量结果 Z 轴误差,[µm] mm/min 4000 mm/min mm X [mm] 图 7: 旋转编码器 2 的测量结果 Z 轴误差,[µm] mm/min 4000 mm/min X [mm] 如前面的说明, 细分误差频率取决于进给速率无论旋转编码器的细分误差表现为刀具中心点的轮廓偏差还是其调整都取决于位置和速度控制单元的带宽公式 2(Z 轴速度的计算 ) 和公式 3 用于确定旋转编码器信号的细分误差和返回 Z 轴速度控制环的频率 : v z = ¹ v ¹ [ mm ] 1+ ( 60 2 ) min 2 2 B = ( b h )2 0.4 = 26.7 mm ( 公式 2) min 对于该倾斜面和 4000 mm/min 的进给速率, 旋转编码器信号的细分误差频率大约为 45 Hz 旋转编码器信号的反馈和差异 ( 第 3 页图 4) 不影响编码器细分误差的频率, 因此同样存在于实际速度信号中带宽大于 80 Hz 的速度控制单元随旋转编码器细分误差进行振荡 Z 轴结构的进给运动的振动频率对应于细分误差的频率就该例而言,45 Hz 的旋转编码器细分误差频率超过位置控制环的截止频率 (f l_pc < 40 Hz) 如果现在细分误差的量值足够大, 刀具中心点将相应地可见轮廓偏差 ( 参见旋转编码器 1 的测量结果 ) 图 7 为旋转编码器 2 的测量结果, 它安装在 Z 轴伺服电机中, 其它条件完全相同由于旋转编码器 2 的细分误差小 3 倍, 低进给速率和高进给速率时, 都不存在可见的波纹现在,Z 轴伺服电机旋转编码器的细分误差极小, 刀具中心点与机床工作台间不存在可检测到的周期性轮廓偏差下面的铣削工件显示, 该结论同样适用于刀具与工件之间的相对运动, 即被加工表面 v f SP = z = SP RElin 26.7 mm/min 9.8 µm 45 Hz ( 公式 3) 5

降低细分误差避免轮廓偏差旋转编码器决定表面质量工件加工为显示细分误差对加工表面质量的影响, 加工工件上指定的倾斜面 b = 60 mm 和 h = 0.4 mm, 加工中使用旋转编码器 1 或旋转编码器 2 该工件在 Y 轴方向进行多道向下的铣削加工以形成倾斜面 Y 轴方向的行距和每次的精加工余量为 0.

6 降低细分误差避免轮廓偏差旋转编码器决定表面质量工件加工为显示细分误差对加工表面质量的影响, 加工工件上指定的倾斜面 b = 60 mm 和 h = 0.4 mm, 加工中使用旋转编码器 1 或旋转编码器 2 该工件在 Y 轴方向进行多道向下的铣削加工以形成倾斜面 Y 轴方向的行距和每次的精加工余量为 0.1 mm 图 8 显示机床用该加工参数加工的情况图 9 为被铣削的表面用旋转编码器 1 铣削的表面为上图该旋转编码器的细分误差导致 λ 1.5 mm 的波纹, 尽管幅值大约仅 0.1 µm, 但也令人不愉快这就是说前面用二维编码器确定的轮廓偏差导致工件表面上存在明显不良的表面质量加工参数刀具直径,mm 6 刀刃数 2 主轴转速,rpm 进给速率,mm/min 4000 切削材料工件材质 PCD 铝图 8: 加工情况与加工参数 6

Z 轴的伺服电机改用细分误差低 3 倍的旋转编码器 2 其它条件均相同表面质量明显提高 ( 图 9, 如下 ) 由于旋转编码器的细分误差较小, 表面已不存在以前的规则波纹海德汉 ERN 1387 旋转编码器的细分误差甚至低于旋转编码器 2 它应用于电机的速度控制等应用中结论要实现高表面质量的加工效果,

7 Z 轴的伺服电机改用细分误差低 3 倍的旋转编码器 2 其它条件均相同表面质量明显提高 ( 图 9, 如下 ) 由于旋转编码器的细分误差较小, 表面已不存在以前的规则波纹海德汉 ERN 1387 旋转编码器的细分误差甚至低于旋转编码器 2 它应用于电机的速度控制等应用中结论要实现高表面质量的加工效果, 需要进给轴编码器具有极小的细分误差由于细分误差在不同进给速率下表现为刀具与工件间的轮廓偏差, 这不仅与进给轴的直线光栅尺有关, 也与伺服电机的编码器有关为了避免上述轮廓偏差, 机床的所有进给轴都需要选用细分误差小的高质量进给轴编码器图 9: 铣削的表面 : 旋转编码器 1( 上图 ) 的细分误差比旋转编码器 2( 下图 ) 大 3 倍 7

5 mm 300 m/s 2 3) (EN 60 068-2-6) 2000 m/s 2 (EN 60 068-2-27) 最高工作温度 120 C 防护等级 EN 60 529 IP40, 安装后 1) 公差限制信号幅值 : 0.8 V PP 至 1.2 V PP 不对称度 : 0.05 放大比例 : 0.9 至 1.

8 极小细分误差的旋转编码器 ERN 1387 内置轴承增量式旋转编码器和安装式定子联轴器增量式 ERN 1387 接口» 1 V PP 1) 线数 / 系统精度 2048/±20" 参考点输出信号频率截止频率 3 db 一个 210 khz 换向信号» 1 V PP 1) 宽度供电电压 2) Z1 刻轨 DC 5 V ±0.25 V 轴锥度轴 9.25 mm; 锥度 1:10 机械允许转速 n rpm 启动扭矩 0.01 Nm(20 C 时 ) 转子转动惯量 kgm 2 定子联轴器固有频率被测轴允许的轴向窜动振动 55 Hz 至 2000 Hz 冲击 6 ms 1800 Hz ±0.5 mm 300 m/s 2 3) (EN ) 2000 m/s 2 (EN ) 最高工作温度 120 C 防护等级 EN IP40, 安装后 1) 公差限制信号幅值 : 0.8 V PP 至 1.2 V PP 不对称度 : 0.05 放大比例 : 0.9 至 1.1 相位角 : 90 ± 5 电子角信噪比 E,F: 100 mv 2) 每圈输出一个正弦和一个余弦信号 ; 参见样本海德汉编码器接口 3) 基于室温标准 ; 适用的工作温度可达 100 C: 300 m/s 2 至 120 C: 150 m/s 2 更多信息 : [1] 技术信息 : 动态高精 [2] 技术信息 : 用海德汉编码器打造完美表面 Z Z0 4 02/2017 F&W 中国印刷

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ProtoMat 30 EDA/CAD ProtoMat S ProtoMat S43 S43 USB RS232 530 650 (20.9 25.6) 420 380 (16.5 14.9) 229 305 (9 12) SSeries HSeries XSeries mm ProtoMat FR3,FR4,FR5,G10 4 8 S63 S103 S43 ProtoMat S63 S63 15