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时栅位移传感器——助力提升零件制造质量

时间:2022-08-11 17:08:09来源:通用技术集团国测时栅科技有限公司

导语:​在整个机加工过程中,除了数控机床结构和数控系统性能外,通过位移传感器引入的位置测量反馈同样不可或缺。本文介绍了通用技术国测时栅开发的直线时栅和圆时栅位移传感器的技术优势以及实际应用案例。

  在传统机加工领域,特别是在模具制造业中,对零件的尺寸公差要求极为严苛,期望获得光洁平滑的表面效果。然而,出于经济性考量,在满足高效率和高质量的前提下制造出能满足公差的零件是一件非常困难的事。

  零件制造过程中,先要在粗加工阶段切削掉大部分原材料,再在精加工阶段逐步地达到零件公差,而为了满足严苛要求,控制后续成本,甚至需要手工研磨抛光。在整个机加工过程中,除了数控机床结构和数控系统性能外, 通过位移传感器引入的位置测量反馈同样不可或缺。

  1 高质量零件制造的前提条件

  零件制造过程中,其表面上周期范围约0.5mm至5 mm的加工缺陷能够明显的被肉眼所识别,不仅外形不够美观,而且需要后续复杂昂贵的加工修复。这些波纹或螺旋产生的主要原因包括加工设备运行的周期性振动和进给轴位移传感器的周期性误差,因此,直线进给轴上安装细分误差极小的位移传感器是获得高质量零件的关键。

  目前市面上的大部分位移传感器直接提供的分辨率往往无法满足现代化机床的要求,通常需要对信号进行细分处理,即将周期变化的模拟信号(通常是扫描正弦测量信号)进行高达4096(12bit)次的细分,甚至某些应用条件下会更高。在此基础上,即使栅距较大的测量基准也能用于控制不足0.1μm(甚至可达0.001μm) 测量步距的机床。

  当该类型传感器输出正弦模拟信号的幅值、周期、相位差相同时,细分过程就不会产生误差。实际应用中, 受栅尺制造一致性、硬件电路稳定性、芯片动态性能和热漂移、传感器特性等多方因素影响,输出信号在每个扫描模拟信号周期内呈现重复的误差规律, 即为细分误差(图1)。

  随着制造零件的形状日趋复杂,加工难度也越来越高。在5轴机床的加工中,多个进给轴同时运动的情况非常普遍,特别是在刀具和零件小角度结合时,因为道具进给轴的细分误差波动投影到零件表面后形成了拉长和放大,当零件进给轴运动一个周期时,刀具进给轴运动多个周期,使得加工斜面由细分误差引入的加工缺陷更密集、明显(图2)。

  

细分误差.png

  图 1 细分误差

   

不同细分误差下零件斜面加工区别.png

图 2 不同细分误差下零件斜面加工区别


  2 时栅位移传感器的优势

  时栅位移传感器具有测量精度高、环境适应性好等优点,通过采用毫米级宽度的“栅面”,实现纳米级分辨率的位移测量。

  时栅传感器的高性能来自于对单周期内测量信号和参考信号的相位差,使用高频(通常达到GHz)脉冲对其进行插补计数,最终得到和位移线性相关的计数值,从源头上得到了较小的细分误差,也是输出高精度和高分辨率位移测量的基础(图3)。时栅位移传感器独创的测量原理兼顾了量程、精度和分辨率等关键参数,使其和现代工业加工完美契合。

  

时栅位移传感器高频脉冲插补计数.png


  图 3 时栅位移传感器高频脉冲插补计数

  3 时栅位移传感器应用案例

  目前,通用技术国测时栅旗下直线时栅和圆时栅位移传感器已和数控机床、精密计量等领域多家重要单位达成合作意向,并进行了成功的小批量试用或现场装机测试, 均取得了不错的反馈。

  (1)应用案例1

  相关时栅产品应用于机床位置全闭环反馈,是取得成功应用的首款国产高精度绝对式直线位移传感器。

  

时栅产品应用于机床位置全闭环反馈.png


  (2)应用案例2

  相关时栅产品应用于直驱转台和直线平台位置反馈, 在高速运动状态下仍能实现精密的绝对定位,使设备在高速状态下表现依然平顺稳定。

  

相关时栅产品应用于直驱转台和直线平台位置反馈.png


  4 相关产品介绍

  RAT-E1000-SZ170分体绝对式圆时栅角位移传感器是通用技术国测时栅研制的一种非接触式圆时栅传感器。

  (1)关键技术:

  利用正交交变的电场构建一种等效空间域运动来建立空间位移和时间当量之间的联系,以高频时钟脉冲作为位移测量基准,通过时间域的比较来实现高精度测量,形成“以时间测量空间”的新型位移传感机理。

  定子和转子独立安装的分体结构,同时能实现绝对式角位移测量,具有开机后迅速(无需回零)获取当前位置,以及测量结果没有累计误差的优点,能大幅提高设备使用效率。

  (2)产品参数:

  目前通讯协议支持BISS-C、SSI两种通讯模式,标准分辨率为23bit(可根据客户需求定制18bit~26bit), 精度等级分为±3″、±5″和±10″ 3个规格。

  (3)产品优势:

  相较于传统栅式位移传感器,该款产品具备以下特点:

  ①采用高频时钟脉冲作为空间位移的测量基准,利用时间尺度提高空间尺度的测量精度和分辨力,测量性能的提高不依赖于机械制造的“精”和“密”,从原理上就具备了高精度和高分辨率的基础。

  

RAT-E1000-SZ170 分体绝对式圆时栅角位移传感器.png

  图 4 RAT-E1000-SZ170 分体绝对式圆时栅角位移传感器

  ②适用于-40℃~80℃的操作环境,能有效抗冲击、抗振动, 可在有水、粉尘、油污、冷却液的情况下安装使用。

  ③可适用于伺服电机、齿轮测量机、机床回转工作台、印刷机的印刷装置等场景。

 

标签: 传感器​

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