利用RENISHAW激光干涉儀對Nikon編碼器精度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?/h1>
2017-03-30 04:35:49高強(qiáng)譚永青
科技與創(chuàng)新 2016年22期
高強(qiáng)+譚永青
摘 要：介紹了轉(zhuǎn)臺(tái)在機(jī)床應(yīng)用過程中其分度精度的影響，并且詳細(xì)介紹一種利用RENISHAW激光干涉儀對Nikon分體式編碼器的分度精度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/p>
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)臺(tái)；分度精度；激光干涉儀；編碼器
中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.22.084
近年來，隨著直驅(qū)技術(shù)的發(fā)展，以直驅(qū)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)的直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)被廣泛應(yīng)用于機(jī)床制造領(lǐng)域，大大提高了機(jī)床的加工效率和精度。在轉(zhuǎn)臺(tái)的使用過程，關(guān)鍵精度參數(shù)為轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)精度和轉(zhuǎn)臺(tái)的分度精度。其中，轉(zhuǎn)臺(tái)的分度精度直接決定了裝夾在轉(zhuǎn)臺(tái)上工件的當(dāng)前角度位置。如果轉(zhuǎn)臺(tái)分度精度不夠，會(huì)造成零件的加工精度達(dá)不到要求甚至零件的報(bào)廢。所以，轉(zhuǎn)臺(tái)的分度精度在很大程度上代表了轉(zhuǎn)臺(tái)性能，而轉(zhuǎn)臺(tái)的分度精度主要是由轉(zhuǎn)臺(tái)所使用的編碼器精度決定的。
當(dāng)前，市面上轉(zhuǎn)臺(tái)常用的編碼器有RENISHAW、HEIDENHAIN，它們的刻線精度普遍都很高。例如RENISHAW的RESA系列100外徑的圓光柵，物理刻線15 744條，配合細(xì)分26位的讀數(shù)頭，裝配到轉(zhuǎn)臺(tái)上最終分度精度可以達(dá)到±5角秒以內(nèi)。但是該編碼器價(jià)格也較高。而Nikon的MAR-MC43A系列絕對式編碼器，其刻劃精度偏低，碼盤腐蝕加工后一共才有1 024條碼道，但經(jīng)過補(bǔ)償后精度一樣可以達(dá)到±5角秒，而且具有很明顯的價(jià)格優(yōu)勢。本文將詳細(xì)介紹利用RENISHAW激光干涉儀對Nikon分體式編碼器的分度精度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ⒅赋鲞@種方法在生產(chǎn)中應(yīng)用的可行性。
1 補(bǔ)償方法原理
Nikon的MAR-MC43A系列絕對式編碼器為分體式編碼器，在裝配過程中雖然有工裝限位，但實(shí)際編碼器裝配到轉(zhuǎn)臺(tái)上，碼盤與讀數(shù)頭的相對位置都是存在差異的，加上碼盤的碼道在腐蝕過程中也會(huì)存在細(xì)微差異，表現(xiàn)出來的就是裝機(jī)后編碼器的理論角度位置和轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)軸系的實(shí)際位置存在很大誤差，即轉(zhuǎn)臺(tái)分度精度差。
這種編碼器有一個(gè)特征，即可以重新設(shè)定它特定角度上的實(shí)際角度值，并且永久儲(chǔ)存在讀數(shù)頭內(nèi)。這里采用的MAR-MC43A絕對式編碼器在圓周上可均分32個(gè)點(diǎn)，每11.25°一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行角度的補(bǔ)償。在補(bǔ)償過程中，可采用脈沖控制，將轉(zhuǎn)臺(tái)即編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)到理論角度的11.25°位置，同時(shí)利用RENISHAW激光干涉儀測量轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)際角度數(shù)值。假設(shè)測量數(shù)值為11.26°。這里只需要將它們的差值0.01°寫到編碼器的讀數(shù)頭內(nèi)，強(qiáng)制設(shè)定編碼器定位11.25°時(shí)少走0.01°對應(yīng)的脈沖數(shù)。那樣，轉(zhuǎn)臺(tái)在定11.25°角度時(shí)就可以分度到很準(zhǔn)確的位置。同樣，我們將編碼器圓周32個(gè)點(diǎn)都進(jìn)行測量補(bǔ)償，同時(shí)，其他的點(diǎn)調(diào)試盒會(huì)根據(jù)相鄰2個(gè)點(diǎn)的測量數(shù)值自動(dòng)補(bǔ)償。
經(jīng)過補(bǔ)償后，可以理解為，編碼器的圓周上所有的點(diǎn)理論位置與實(shí)際位置是相符的，編碼器整體的分度精度上了一個(gè)臺(tái)階。
2 補(bǔ)償過程
首先，我們需要將Nikon編碼器正確地安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，如圖1左圖。此處轉(zhuǎn)臺(tái)為力矩電機(jī)直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)。注意碼盤具有強(qiáng)磁性，安裝過程中需小心，避免刮花碼盤碼道。
打開Nikon配備的編碼器調(diào)試盒ABS-CHECKER WS2讀取當(dāng)前編碼器的絕對位置。該編碼器位數(shù)為22位，一圈脈沖數(shù)為2^22=4 194 304個(gè)。如圖1右圖，調(diào)試盒當(dāng)前脈沖數(shù)位置為2 062 689，我們利用驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，將轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)到編碼器的脈沖數(shù)為0的零點(diǎn)處，即往回轉(zhuǎn)動(dòng)2 062 689個(gè)脈沖。這樣做的目的是，等會(huì)需要配合RENISHAW激光干涉儀對編碼器從0°開始測量編碼器的分度精度并進(jìn)行補(bǔ)償。
之后，利用RENISHAW激光干涉儀測量編碼器裝機(jī)后的分度精度，測量過程如圖2所示。在圓周均勻取32個(gè)點(diǎn)，每11.25°一個(gè)點(diǎn)。測量結(jié)果如圖3所示的紫色曲線，編碼器的分度精度補(bǔ)償前為±180角秒。
采用Nikon調(diào)試盒將測量差異補(bǔ)償進(jìn)Nikon讀數(shù)頭里面，例如，如圖3中補(bǔ)償前11.25°位置測量值和理論值差了-48.9角秒。這里將-48.9角秒補(bǔ)償進(jìn)去，之后保存。在全部點(diǎn)補(bǔ)償完成后，再次使用RENISHAW激光干涉儀測量編碼器的分度精度。測量結(jié)果如圖3所示的紅色曲線，編碼器的分度精度補(bǔ)償后為±5角秒。
由上述補(bǔ)償前后分度精度測量結(jié)果對比可知，補(bǔ)償效果明顯。采用該方法對Nikon補(bǔ)償后，效果很顯著，編碼器的分度精度由之前的±180角秒提升到了±5角秒。
3 結(jié)束語
在機(jī)床加工行業(yè)，轉(zhuǎn)臺(tái)作為機(jī)床的核心功能部件地位日益突出，提高轉(zhuǎn)臺(tái)的分度精度對提高機(jī)床精度有很大的幫助。采用RENISHAW激光干涉儀對Nikon這種分體式編碼器分度精度補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ唵我撞僮鳎瑢幋a器的分度精度提升卻很大。因此，這種方法值得推廣。
參考文獻(xiàn)
[1]欒強(qiáng)利.直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)性能分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[D].濟(jì)南：山東輕工業(yè)學(xué)院，2011.
〔編輯：劉曉芳〕
高強(qiáng)+譚永青
摘 要：介紹了轉(zhuǎn)臺(tái)在機(jī)床應(yīng)用過程中其分度精度的影響，并且詳細(xì)介紹一種利用RENISHAW激光干涉儀對Nikon分體式編碼器的分度精度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/p>
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)臺(tái)；分度精度；激光干涉儀；編碼器
中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.22.084
近年來，隨著直驅(qū)技術(shù)的發(fā)展，以直驅(qū)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)的直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)被廣泛應(yīng)用于機(jī)床制造領(lǐng)域，大大提高了機(jī)床的加工效率和精度。在轉(zhuǎn)臺(tái)的使用過程，關(guān)鍵精度參數(shù)為轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)精度和轉(zhuǎn)臺(tái)的分度精度。其中，轉(zhuǎn)臺(tái)的分度精度直接決定了裝夾在轉(zhuǎn)臺(tái)上工件的當(dāng)前角度位置。如果轉(zhuǎn)臺(tái)分度精度不夠，會(huì)造成零件的加工精度達(dá)不到要求甚至零件的報(bào)廢。所以，轉(zhuǎn)臺(tái)的分度精度在很大程度上代表了轉(zhuǎn)臺(tái)性能，而轉(zhuǎn)臺(tái)的分度精度主要是由轉(zhuǎn)臺(tái)所使用的編碼器精度決定的。
當(dāng)前，市面上轉(zhuǎn)臺(tái)常用的編碼器有RENISHAW、HEIDENHAIN，它們的刻線精度普遍都很高。例如RENISHAW的RESA系列100外徑的圓光柵，物理刻線15 744條，配合細(xì)分26位的讀數(shù)頭，裝配到轉(zhuǎn)臺(tái)上最終分度精度可以達(dá)到±5角秒以內(nèi)。但是該編碼器價(jià)格也較高。而Nikon的MAR-MC43A系列絕對式編碼器，其刻劃精度偏低，碼盤腐蝕加工后一共才有1 024條碼道，但經(jīng)過補(bǔ)償后精度一樣可以達(dá)到±5角秒，而且具有很明顯的價(jià)格優(yōu)勢。本文將詳細(xì)介紹利用RENISHAW激光干涉儀對Nikon分體式編碼器的分度精度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ⒅赋鲞@種方法在生產(chǎn)中應(yīng)用的可行性。
1 補(bǔ)償方法原理
Nikon的MAR-MC43A系列絕對式編碼器為分體式編碼器，在裝配過程中雖然有工裝限位，但實(shí)際編碼器裝配到轉(zhuǎn)臺(tái)上，碼盤與讀數(shù)頭的相對位置都是存在差異的，加上碼盤的碼道在腐蝕過程中也會(huì)存在細(xì)微差異，表現(xiàn)出來的就是裝機(jī)后編碼器的理論角度位置和轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)軸系的實(shí)際位置存在很大誤差，即轉(zhuǎn)臺(tái)分度精度差。
這種編碼器有一個(gè)特征，即可以重新設(shè)定它特定角度上的實(shí)際角度值，并且永久儲(chǔ)存在讀數(shù)頭內(nèi)。這里采用的MAR-MC43A絕對式編碼器在圓周上可均分32個(gè)點(diǎn)，每11.25°一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行角度的補(bǔ)償。在補(bǔ)償過程中，可采用脈沖控制，將轉(zhuǎn)臺(tái)即編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)到理論角度的11.25°位置，同時(shí)利用RENISHAW激光干涉儀測量轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)際角度數(shù)值。假設(shè)測量數(shù)值為11.26°。這里只需要將它們的差值0.01°寫到編碼器的讀數(shù)頭內(nèi)，強(qiáng)制設(shè)定編碼器定位11.25°時(shí)少走0.01°對應(yīng)的脈沖數(shù)。那樣，轉(zhuǎn)臺(tái)在定11.25°角度時(shí)就可以分度到很準(zhǔn)確的位置。同樣，我們將編碼器圓周32個(gè)點(diǎn)都進(jìn)行測量補(bǔ)償，同時(shí)，其他的點(diǎn)調(diào)試盒會(huì)根據(jù)相鄰2個(gè)點(diǎn)的測量數(shù)值自動(dòng)補(bǔ)償。
經(jīng)過補(bǔ)償后，可以理解為，編碼器的圓周上所有的點(diǎn)理論位置與實(shí)際位置是相符的，編碼器整體的分度精度上了一個(gè)臺(tái)階。
2 補(bǔ)償過程
首先，我們需要將Nikon編碼器正確地安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，如圖1左圖。此處轉(zhuǎn)臺(tái)為力矩電機(jī)直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)。注意碼盤具有強(qiáng)磁性，安裝過程中需小心，避免刮花碼盤碼道。
打開Nikon配備的編碼器調(diào)試盒ABS-CHECKER WS2讀取當(dāng)前編碼器的絕對位置。該編碼器位數(shù)為22位，一圈脈沖數(shù)為2^22=4 194 304個(gè)。如圖1右圖，調(diào)試盒當(dāng)前脈沖數(shù)位置為2 062 689，我們利用驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，將轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)到編碼器的脈沖數(shù)為0的零點(diǎn)處，即往回轉(zhuǎn)動(dòng)2 062 689個(gè)脈沖。這樣做的目的是，等會(huì)需要配合RENISHAW激光干涉儀對編碼器從0°開始測量編碼器的分度精度并進(jìn)行補(bǔ)償。
之后，利用RENISHAW激光干涉儀測量編碼器裝機(jī)后的分度精度，測量過程如圖2所示。在圓周均勻取32個(gè)點(diǎn)，每11.25°一個(gè)點(diǎn)。測量結(jié)果如圖3所示的紫色曲線，編碼器的分度精度補(bǔ)償前為±180角秒。
采用Nikon調(diào)試盒將測量差異補(bǔ)償進(jìn)Nikon讀數(shù)頭里面，例如，如圖3中補(bǔ)償前11.25°位置測量值和理論值差了-48.9角秒。這里將-48.9角秒補(bǔ)償進(jìn)去，之后保存。在全部點(diǎn)補(bǔ)償完成后，再次使用RENISHAW激光干涉儀測量編碼器的分度精度。測量結(jié)果如圖3所示的紅色曲線，編碼器的分度精度補(bǔ)償后為±5角秒。
由上述補(bǔ)償前后分度精度測量結(jié)果對比可知，補(bǔ)償效果明顯。采用該方法對Nikon補(bǔ)償后，效果很顯著，編碼器的分度精度由之前的±180角秒提升到了±5角秒。
3 結(jié)束語
在機(jī)床加工行業(yè)，轉(zhuǎn)臺(tái)作為機(jī)床的核心功能部件地位日益突出，提高轉(zhuǎn)臺(tái)的分度精度對提高機(jī)床精度有很大的幫助。采用RENISHAW激光干涉儀對Nikon這種分體式編碼器分度精度補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ唵我撞僮鳎瑢幋a器的分度精度提升卻很大。因此，這種方法值得推廣。
參考文獻(xiàn)
[1]欒強(qiáng)利.直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)性能分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[D].濟(jì)南：山東輕工業(yè)學(xué)院，2011.
〔編輯：劉曉芳〕
