時柵位移傳感器——助力提升零件制造質(zhì)量
在傳統(tǒng)機(jī)加工領(lǐng)域，特別是在模具制造業(yè)中，對零件的尺寸公差要求極為嚴(yán)苛，期望獲得光潔平滑的表面效果。然而，出于經(jīng)濟(jì)性考量，在滿足高效率和高質(zhì)量的前提下制造出能滿足公差的零件是一件非常困難的事。
零件制造過程中，先要在粗加工階段切削掉大部分原材料，再在精加工階段逐步地達(dá)到零件公差，而為了滿足嚴(yán)苛要求，控制后續(xù)成本，甚至需要手工研磨拋光。在整個機(jī)加工過程中，除了數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)性能外， 通過位移傳感器引入的位置測量反饋同樣不可或缺。
1 高質(zhì)量零件制造的前提條件
零件制造過程中，其表面上周期范圍約0.5mm至5 mm的加工缺陷能夠明顯的被肉眼所識別，不僅外形不夠美觀，而且需要后續(xù)復(fù)雜昂貴的加工修復(fù)。這些波紋或螺旋產(chǎn)生的主要原因包括加工設(shè)備運(yùn)行的周期性振動和進(jìn)給軸位移傳感器的周期性誤差，因此，直線進(jìn)給軸上安裝細(xì)分誤差極小的位移傳感器是獲得高質(zhì)量零件的關(guān)鍵。
目前市面上的大部分位移傳感器直接提供的分辨率往往無法滿足現(xiàn)代化機(jī)床的要求，通常需要對信號進(jìn)行細(xì)分處理，即將周期變化的模擬信號(通常是掃描正弦測量信號)進(jìn)行高達(dá)4096(12bit)次的細(xì)分，甚至某些應(yīng)用條件下會更高。在此基礎(chǔ)上，即使柵距較大的測量基準(zhǔn)也能用于控制不足0.1μm(甚至可達(dá)0.001μm) 測量步距的機(jī)床。
當(dāng)該類型傳感器輸出正弦模擬信號的幅值、周期、相位差相同時，細(xì)分過程就不會產(chǎn)生誤差。實際應(yīng)用中， 受柵尺制造一致性、硬件電路穩(wěn)定性、芯片動態(tài)性能和熱漂移、傳感器特性等多方因素影響，輸出信號在每個掃描模擬信號周期內(nèi)呈現(xiàn)重復(fù)的誤差規(guī)律， 即為細(xì)分誤差(圖1)。
隨著制造零件的形狀日趨復(fù)雜，加工難度也越來越高。在5軸機(jī)床的加工中，多個進(jìn)給軸同時運(yùn)動的情況非常普遍，特別是在刀具和零件小角度結(jié)合時，因為道具進(jìn)給軸的細(xì)分誤差波動投影到零件表面后形成了拉長和放大，當(dāng)零件進(jìn)給軸運(yùn)動一個周期時，刀具進(jìn)給軸運(yùn)動多個周期，使得加工斜面由細(xì)分誤差引入的加工缺陷更密集、明顯(圖2)。
圖 1 細(xì)分誤差
圖 2 不同細(xì)分誤差下零件斜面加工區(qū)別
2 時柵位移傳感器的優(yōu)勢
時柵位移傳感器具有測量精度高、環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，通過采用毫米級寬度的“柵面”，實現(xiàn)納米級分辨率的位移測量。
時柵傳感器的高性能來自于對單周期內(nèi)測量信號和參考信號的相位差，使用高頻(通常達(dá)到GHz)脈沖對其進(jìn)行插補(bǔ)計數(shù)，最終得到和位移線性相關(guān)的計數(shù)值，從源頭上得到了較小的細(xì)分誤差，也是輸出高精度和高分辨率位移測量的基礎(chǔ)(圖3)。時柵位移傳感器獨(dú)創(chuàng)的測量原理兼顧了量程、精度和分辨率等關(guān)鍵參數(shù)，使其和現(xiàn)代工業(yè)加工完美契合。
圖 3 時柵位移傳感器高頻脈沖插補(bǔ)計數(shù)
3 時柵位移傳感器應(yīng)用案例
目前，通用技術(shù)國測時柵旗下直線時柵和圓時柵位移傳感器已和數(shù)控機(jī)床、精密計量等領(lǐng)域多家重要單位達(dá)成合作意向，并進(jìn)行了成功的小批量試用或現(xiàn)場裝機(jī)測試， 均取得了不錯的反饋。
(1)應(yīng)用案例1
相關(guān)時柵產(chǎn)品應(yīng)用于機(jī)床位置全閉環(huán)反饋，是取得成功應(yīng)用的首款國產(chǎn)高精度絕對式直線位移傳感器。
(2)應(yīng)用案例2
相關(guān)時柵產(chǎn)品應(yīng)用于直驅(qū)轉(zhuǎn)臺和直線平臺位置反饋， 在高速運(yùn)動狀態(tài)下仍能實現(xiàn)精密的絕對定位，使設(shè)備在高速狀態(tài)下表現(xiàn)依然平順穩(wěn)定。
4 相關(guān)產(chǎn)品介紹
RAT-E1000-SZ170分體絕對式圓時柵角位移傳感器是通用技術(shù)國測時柵研制的一種非接觸式圓時柵傳感器。
(1)關(guān)鍵技術(shù)：
利用正交交變的電場構(gòu)建一種等效空間域運(yùn)動來建立空間位移和時間當(dāng)量之間的聯(lián)系，以高頻時鐘脈沖作為位移測量基準(zhǔn)，通過時間域的比較來實現(xiàn)高精度測量，形成“以時間測量空間”的新型位移傳感機(jī)理。
定子和轉(zhuǎn)子獨(dú)立安裝的分體結(jié)構(gòu)，同時能實現(xiàn)絕對式角位移測量，具有開機(jī)后迅速(無需回零)獲取當(dāng)前位置，以及測量結(jié)果沒有累計誤差的優(yōu)點(diǎn)，能大幅提高設(shè)備使用效率。
(2)產(chǎn)品參數(shù)：
目前通訊協(xié)議支持BISS-C、SSI兩種通訊模式，標(biāo)準(zhǔn)分辨率為23bit(可根據(jù)客戶需求定制18bit～26bit)， 精度等級分為±3″、±5″和±10″ 3個規(guī)格。
(3)產(chǎn)品優(yōu)勢：
相較于傳統(tǒng)柵式位移傳感器，該款產(chǎn)品具備以下特點(diǎn)：
?、俨捎酶哳l時鐘脈沖作為空間位移的測量基準(zhǔn)，利用時間尺度提高空間尺度的測量精度和分辨力，測量性能的提高不依賴于機(jī)械制造的“精”和“密”，從原理上就具備了高精度和高分辨率的基礎(chǔ)。
圖 4 RAT-E1000-SZ170 分體絕對式圓時柵角位移傳感器
②適用于-40℃～80℃的操作環(huán)境，能有效抗沖擊、抗振動， 可在有水、粉塵、油污、冷卻液的情況下安裝使用。
?、劭蛇m用于伺服電機(jī)、齒輪測量機(jī)、機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺、印刷機(jī)的印刷裝置等場景。
