Jens Kummetz博士，研发经理，HEIDENHAIN, Traunreut, Germany
线性编码器有助于消除热漂移带来的误差。
机床的热精度正变得越来越重要，考虑到制造中操作条件的强烈变化。特别是对于小批量生产，需要不断变化的加工任务，不能达到热稳定的条件。与此同时，第一件工件的精度对生产订单的盈利能力也变得非常重要。在钻孔、粗加工和精加工操作之间的不断变化导致机床热状态的波动。在粗加工过程中，铣削率提高到80%以上，而在精加工过程中，铣削率达到10%以下。越来越高的加速度和进给速度导致再循环滚珠丝杠在直线进给传动中的加热。因此，进给传动的位置测量在稳定机床的热行为中起着核心作用。
使用线性编码器测量滑动位置意味着位置控制回路包括完整的进给机构，称为闭环操作。
机床热稳定性
在机床制造行业，避免工件热引起的尺寸偏差的解决方案比以往任何时候都更加关键。主动冷却，对称设计的机器结构和温度测量已经是常见的做法。
在平均进给速度为10米/分钟的多道次铣削过程中，再循环滚珠丝杠的加热热像图显示温度在25到40℃之间。
热漂移主要是由于滚珠丝杠在进给轴上的循环引起的。滚珠丝杠上的温度分布会因进给速度和运动力的变化而迅速变化。在没有线性编码器的机床上，产生的长度变化(通常:20分钟内100 μm/m)可能会导致工件的重大缺陷。
进给传动的位置测量
数控进给轴的位置，原则上可以通过滚珠丝杠配合旋转编码器或通过线性编码器来测量。
如果滑动位置是由进给丝杠的螺距和旋转编码器确定的，那么滚珠丝杠必须执行两项任务:作为驱动系统，它必须传递大的力，但作为测量装置，其期望提供高度准确的值，并再现丝杠的螺距。但是，位置控制回路只包括旋转编码器。
由于磨损或温度引起的驱动机制的变化不能得到补偿，这被称为半闭环操作。驱动器的定位误差是不可避免的，对工件的质量有很大的影响。
像HEIDENHAIN的LC 115绝对线性编码器可以通过直接捕捉进给轴的实际位置，而不包括系统的热误差或其他机械误差来消除定位误差。
如果线性编码器用于测量滑动位置，位置控制回路包括完整的进给机构。这就是所谓的闭环操作。机器传递元件的跳动和误差对位置测量的精度没有影响。测量精度几乎完全取决于线性编码器的精度和安装位置。
这一基本考虑适用于线轴和旋转轴，其位置可以通过减速机构连接到电机上的旋转编码器，或在机床轴上使用高度精确的角度编码器来测量。使用角度编码器产生显著更高的精度等级和再现性。
半闭环操作的附加措施
为了防止滚珠丝杠及其周边零件发热，有些滚珠丝杠采用空心芯进行冷却液循环。在半闭环运行中，定位精度受滚珠丝杠热膨胀的影响，因此取决于冷却液的温度。在1米的导线范围内，仅增加1 K的温度就会导致高达10 μm的定位误差。然而，普通的冷却系统通常无法将温度变化限制在1 K以下。
对于半闭环运行的驱动，滚珠丝杠的热膨胀有时用控制模型来近似。由于在操作过程中温度分布很难测量，并且受到许多因素的影响——如再循环球螺母的磨损、进给速度、切削力和使用的横移范围——当使用该方法时，会产生相当大的残余误差，最高可达50 μm/m。
滚珠丝杠的两端有时设有固定轴承，以增加传动机构的刚度。但是，即使设计非常严格的轴承也不能防止局部发热引起的膨胀。由此产生的力量是相当大的。它们使最刚性的轴承配置变形，甚至可以在机器几何结构中造成结构变形。机械张力也改变摩擦行为的驱动器，从而不利地影响轮廓精度的机器。
由于这些限制，通过采取所述的附加措施可以达到的驱动精度无法与使用线性编码器的闭环操作进行比较。此外，半闭环操作的附加措施不能补偿由于磨损或驱动力学的弹性变形造成的轴承预紧力变化的影响。
传动精度对零件制造的影响
在机械制造工业中，对小批量生产的小零件的需求正在大大增加。因此，第一件工件的精度正成为制造业企业盈利能力的重要因素。小批量高精度生产机床面临着现实的挑战。工件的安装、钻孔、粗加工和精加工之间的不断变化导致机器的热状态不断变化。
粗加工工件的典型进给速度从3到4米/分钟，而精加工用的进给速度从0.5到1米/分钟。更换工具时快速的导线移动也大大提高了平均速度。在钻孔和扩眼过程中，介质进给速率对于再循环滚珠丝杠产生的热量是微不足道的。由于进给量的强烈变化，温度分布沿滚珠丝杠在个别工艺步骤的变化。在半闭环操作中，循环滚珠丝杠上不断变化的负载可能会导致工件精度受损，即使工件在一次安装中完全加工。因此，对于小零件的高精度生产，具有线性编码器的机床是绝对必要的。
从一个空白表格加工几个零件的例子
长度为500mm的铝坯料先在机床上钻孔，然后再用铰孔。在两次加工过程中，介质进给速度较低，因此在再循环滚珠丝杠中产生的热量可以忽略不计。在接下来的生产步骤中，轮廓被铣削，介质进给率显著增加，导致滚珠丝杠产生相当大的热量。
如果铣床在半闭环模式下运行，循环滚珠丝杠的热膨胀会导致钻型和铣型之间的偏差。在滚珠丝杠松动轴承附近测量了最大误差135 μm。在闭环操作中，这些错误可以完全避免。
孔的位置和单个工件的平分线之间的功能尺寸为12mm，必须满足公差等级IT8。这导致了±13 μm的允许偏差。所有在闭环模式下加工的工件都在这个公差范围内。在半闭环模式下测量误差可达135 μm。因此工件只符合公差等级IT13，而不符合要求的公差等级IT8。
机翼联接杆的加工实例
另一个例子描述了耦合杆的制造，要求加工两个孔，每个孔之间的距离为350毫米，公差等级为IT7。该集成组件从相同的空白形式制造两次，以允许在半闭环模式下可以实现的精度评估。第二个工件是简单地加工10毫米以下的第一个。在两个加工操作之间，对同一零件在毛坯上方进行20次加工循环。
左边的耦合杠杆，在半闭环系统中加工，显示了热漂移对其轮廓的影响。右边的部分，在一个闭环系统加工，显示没有误差由于热漂移。
在半闭环操作中，第二工件的轮廓偏离第一工件的轮廓。加工过程中，传动装置离循环滚珠丝杠固定轴承越远，滚珠丝杠的热膨胀越明显。
要求的功能尺寸为350mm，公差等级为IT7，对应的允许偏差为±28 μm。采用半闭环方式加工的第二工件不能满足这一要求。误差为44 μm。本次测试采用线性编码器闭环模式，无边缘结果。
闭环运行过程中10 μm的剩余偏差是由机床几何结构的热变形引起的。两个孔的指定尺寸甚至可以改进到IT5。
自由曲面三维铣削实例
另一个例子说明了加工模具与经典的剖面瓦茨曼-一个传奇的山在德国阿尔卑斯山。使用直径为12毫米、最大进给速度为4.5米/分钟的球头铣刀，在X方向上进行多道次、爬升和上切铣削。在Z和Y方向加工0.2毫米进给量的轮廓大约需要60分钟。4.5 m/min的高进给速度和恒定的加减速使循环滚珠丝杠产生热量，并在半闭环运行中引起130 μm的热诱导线性偏差。由于与这个模具组件的线性偏差很难可视化，加工被故意开始在工件的中间。因此，开始和结束路径并排放置，并清楚地显示热漂移。工件位置离固定轴承越远，热漂移越高。
为了满足模具和模具制作的高要求，需要采用精确的直线编码器对滚珠丝杠的膨胀进行补偿。
总结
成功完成制造订单要求机床具有高的热稳定性。机器精度必须保持即使在强烈变化的负载条件下。因此，即使在速度和加工力变化很大的情况下，进给轴也必须在整个横移范围内达到所需的精度。直线进给轴的再循环滚珠丝杠的热膨胀不利地影响精度，并随速度和负载的变化而变化。如果仅从主轴螺距和旋转编码器确定滑块位置，在加工操作的20分钟内可能会产生100 μm以上的位置误差。因为基本的驱动错误是没有补偿在控制回路时，这种方法被使用，这是指半闭环操作的馈送驱动器。使用线性编码器可以完全消除这些误差。由于在位置测量中考虑了再循环滚珠丝杠的误差，并在位置控制回路中进行补偿，因此采用线性编码器的进给传动采用闭环方式运行。旋转轴上使用的角度编码器也有类似的优点，因为机械驱动组件也会受到热膨胀的影响。因此，线性编码器和角度编码器可以确保即使在机床操作条件变化很大的情况下也能制造出高精度的部件。
HEIDENHAIN公司。
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