生產(chǎn)效率和加工精度是機床行業(yè)的重要競爭因素。但機床加工條件的快速變化使生產(chǎn)效率和加工精度提升面臨挑戰(zhàn)。在零件加工過程中，必須高經(jīng)濟效益和高精度地實現(xiàn)小批量生產(chǎn)。在航空航天領(lǐng)域，粗加工時需要強大的材料切除能力，而精加工時必須達到高精度。在高質(zhì)量模具加工過程中，粗加工時需要切除大量材料，精加工時需要高的表面質(zhì)量。同時，如果要求在一定的加工時間內(nèi)實現(xiàn)加工路徑間距最小，需要機床有足夠大的加工進給率。
圖1 10m/min進給速度多次往復運動時滾珠絲杠發(fā)熱情況，25℃（紫色）~40℃（黃色）
機床的熱穩(wěn)定性在其加工條件的快速變化中占有越來越重要的地位。特別是小批量生產(chǎn)必須面對不斷變化的加工任務和無法達到的熱穩(wěn)定條件挑戰(zhàn)。鉆孔、粗加工和精加工操作的不斷變換也使機床溫度條件不斷發(fā)生變化。粗加工時，切削率增加到80 %以上，而精加工時低于10 %。切削速度和進給率的不斷提高造成直線驅(qū)動的滾珠絲杠發(fā)熱。因此，進給驅(qū)動的位置檢測技術(shù)對機床熱穩(wěn)定性起非常關(guān)鍵的作用。
避免工件尺寸因機床發(fā)熱而產(chǎn)生偏差是機床行業(yè)面對的課題。主動冷卻、對稱的機床結(jié)構(gòu)和溫度測量技術(shù)已獲廣泛應用。
機床溫度變化主要是由進給軸滾珠絲杠造成的。沿滾珠絲杠的溫度分布與進給率、驅(qū)動力緊密相關(guān)。在沒有采用直線光柵尺的機床上，因溫度導致絲杠長度的變化會使工件產(chǎn)生嚴重缺陷。原則上可以用滾珠絲杠和安裝在絲杠上的旋轉(zhuǎn)編碼器作NC進給軸位置檢測，也可以用直線光柵尺檢測。
如果滑架位置采用絲杠螺距和旋轉(zhuǎn)編碼器檢測，滾珠絲杠必須承擔兩項任務。作為驅(qū)動系統(tǒng)，它必須傳遞大驅(qū)動力，但作為測量設(shè)備，希望它能提供高精度位置值和可重復性的螺距值，但位置控制環(huán)上只有旋轉(zhuǎn)編碼器。因為驅(qū)動機構(gòu)的磨損或溫度變化不能被補償，所以這種結(jié)構(gòu)被稱為半閉環(huán)控制。驅(qū)動系統(tǒng)存在無法避免的定位誤差，并嚴重影響工件質(zhì)量。
圖2 半閉環(huán)控位置反饋控制
圖3 全閉環(huán)控位置反饋控制
如果用直線光柵尺檢測滑架位置，位置控制環(huán)包括全部進給機構(gòu)，因此這也被稱為全閉環(huán)控制。那么，機床驅(qū)動部件的間隙和傳遞誤差就不再影響位置檢測精度，其精度幾乎只取決于直線光柵尺精度和安裝位置。直線軸和旋轉(zhuǎn)軸基本情況一樣，通過安裝在減速箱上的電機旋轉(zhuǎn)編碼器或直聯(lián)在旋轉(zhuǎn)軸上的更高精度的角度編碼器實現(xiàn)位置檢測。如果用角度編碼器，可實現(xiàn)更高的精度和可重復性。
在航天工業(yè)領(lǐng)域，整體構(gòu)件具有保證最小重量下的最佳材料利用率的優(yōu)點。整體構(gòu)件的材料切除率大約為95%或者更高，高速切削(HSC)機床要求高速進給和高速切削。整體構(gòu)件的大材料切除率具有突出的經(jīng)濟優(yōu)點，但這也使?jié)L珠絲杠產(chǎn)生大量摩擦熱。滾珠絲杠的摩損和熱膨脹在加工過程中也不相同，例如粗加工和精加工情況下的進給率。如果進給驅(qū)動采用半閉環(huán)控制模式(不用直線光柵尺 )，小批量和短交貨期生產(chǎn)時，加工零件的尺寸就會不同。由于熱膨脹原因，可能無法滿足公差要求。若使用直線光柵尺，就可以避免這些誤差，滾珠絲杠的熱膨脹在全閉環(huán)內(nèi)可以完全被補償。
圖4 驅(qū)動精度對小批量零件加工的影響
為實現(xiàn)工件的高表面光潔度，有時還要加工非常細致的結(jié)構(gòu)，吹鑄或壓鑄模具的加工非常消耗時間?，F(xiàn)在許多模具都直接采用銑削加工，不再使用耗時的電火花成型加工工藝，使用的銑刀直徑甚至只有0.12 mm。模具的銑削加工不僅要求高精度的形狀，還要求大進給，以縮短加工時間，包括高硬度材料。典型模具加工時間從10分鐘到數(shù)天不等，但是不允許因為加工速度快而犧牲尺寸精度。第一刀和最后一刀的路徑必須完全相同，以確保不浪費提高進給率節(jié)省的時間，避免修復加工。進給軸驅(qū)動的滾珠絲杠發(fā)熱取決于NC程序控制各軸的進給率，滾珠絲杠的長度變化可能達到150 μm/m，這些條件使半閉環(huán)控制模式無法保證尺寸精度。滾珠絲杠的典型發(fā)熱量可使模具的150 mm長度范圍出現(xiàn)20 μm的棱邊。滾珠絲杠熱膨脹導致的誤差可造成大約一半模具的缺陷過大而無法修復。
要成功完成加工訂單，必須要求機床具有高的熱穩(wěn)定性。即使負載不同，也必須保證加工精度，這樣才能在整個行程上保證要求的公差等級，包括速度和切削力大幅變化時。直線進給軸驅(qū)動的滾珠絲杠熱膨脹嚴重影響精度且受速度和載荷大小變化的影響。如果滑架位置僅用絲杠螺距和旋轉(zhuǎn)編碼器反饋，20min的定位誤差可達100 μm。由于該方法在控制環(huán)內(nèi)無法補償這些基本驅(qū)動誤差，因此稱它為半閉環(huán)控制系統(tǒng)。采用直線光柵尺的進給驅(qū)動工作模式為全閉環(huán)控制系統(tǒng)，測量滾珠絲杠的誤差并在全閉環(huán)控制中補償。用角度編碼器取代旋轉(zhuǎn)編碼器也有類似的優(yōu)點，因為機械傳動部件也有熱膨脹。直線光柵尺和角度編碼器是確保加工工件精度的基礎(chǔ)，包括機床工作條件不斷變化的嚴苛情況。
提供位置反饋信號的直線光柵尺是機床高定位精度不可或缺的條件，它直接采集進給軸實際位置信息。機械連接部件對位置測量結(jié)果沒有影響，運動誤差、熱變形誤差以及位置誤差都能被直線光柵尺檢測到，并包含在控制環(huán)之內(nèi)。因此它能消除以下潛在誤差源：滾珠絲杠熱性能導致的定位誤差；反向誤差；機械作用力導致驅(qū)動機構(gòu)變形造成的誤差；滾珠絲杠螺距誤差導致的運動誤差。
