高精度光柵尺在高速三維接觸深度鉆銑機中的應用

PCB 印刷電路板日趨微型化和復雜化，這就需要電子器件的定位能達到極高精度。為使定位達到高精度，各類加工機廣泛采用直線電機技術。ERNST LENZ Maschinenbau 是一家開創性的公司，他們提供印刷電路板鉆銑機。位于德國黑森中部辛恩的這家制造企業是首家在PCB 鉆孔機上成功應用直線電機技術的企業之一。直線電機技術還首次應用在DRB 610 1+1 PCB 鉆銑機上，該機在Productronica 2013 展會上展現了其雙主軸的極高動態定位精度（見圖1）。該機器制造商還選用海德漢LIC 4100 絕對式敞開直線光柵尺保證高精度的位置測量及運動速度控制（見圖2）。

圖1 全新DRB 610 1+1 PCB 鉆銑機

技術先驅

圖2 LC 4100 絕對式直線光柵尺

LENZ 擁有超過40年生產這類系統的經驗，是歐洲首批專業開發生產PCB 鉆孔機的公司之一。該公司持續的高質量、極高的客戶導向，特別是創新和開創性的機床結構在市場上獲得了廣泛認可。LENZ 是第一家發現當時較新的直接驅動技術在PCB 鉆孔機上應用潛力的企業，自1994年以來，該公司開發生產了直線電機驅動的PCB鉆孔機，自1998年起，該公司生產的所有機器全部采用該技術。而且，從1996年開始，該公司從采用海德漢公司的封閉式直線光柵尺改為采用敞開式直線光柵尺。“更換的原因，”LENZ 公司總經理Uwe Lenz（見圖3）說“是工作噪音低。我們配滾珠絲杠的傳統驅動仍采用封閉式直線光柵尺，但升級到速度更快和更低噪音的直線電機時，我們需要一種新的系統，我們很快發現海德漢提供適合該應用的敞開式直線光柵尺。由于我們對海德漢的產品和服務非常滿意，現在全新DRB 610 1+1 PCB 鉆銑機同樣采用海德漢LIC 4100 絕對式敞開直線光柵尺。”

敞開式直線光柵尺提升機器的動態性能。

LENZ 又一次開創市場先河，率先開發出市場所需的DRB（鉆孔、切割，運送）610 1+1 系統，并于2013年11月面世。該機的突出特點是擁有沿全部三個軸的接觸深度鉆孔與接觸深度銑削（也即Z 軸控制的深度鉆孔/ 銑削）能力，速度快，精度高。

最新開發的DRB 610 1+1 結構緊湊，占地面積僅1 410 mm ×1 620 mm，而加工區達610 mm ×650 mm。該機的另一項優點是擁有2 400刀位的大型橫向刀帶。刀具的換刀操作采用獨立刀帶驅動，因此X 軸不需要定位大量刀具，顯著減輕了該軸的工作負荷。因此可用更小規格的驅動，使該機結構更加緊湊。“另一項優點是操作人員可在機器加工的同時換刀，”Uwe Lenz 說。現在，配雙主軸的全自動鉆銑機能進行標準深度鉆孔和銑削（電路板自動裝入和運出）。

PCB 電路板上的孔徑越來越小，經濟地進行大批量生產需要高精度、高性能并且過程安全。為達到最高鉆孔生產力，氣浮軸承的主軸轉速高達300 000 r/min，鉆孔深度達50 μm，定位精度達到±3 μm。滾柱軸承主軸適用于1.5 mm 至6.35 mm較大孔的鉆孔與銑削，而銑削深度精度高達±10 μm。Uwe Lenz 補充說，“主軸不是獨自工作，而是順序工作，這是1+1 后綴型號命名的原因。”

不僅主軸轉速極高-X、Y 和Z 軸加速度也非常大。“每分鐘要進行1 000 次鉆孔，X 軸和Y 軸的加速度幾乎達到2 g 和Z 軸達到3 g 以上，”Uwe Lenz 解釋說。Sieb & Meyer 公司的CNC 84.00 數控系統需要在極短的時間內得到直線電機的位置信息，只有這樣才能在如此高的加速度條件下進行高精度運動，為此，選用海德漢公司的LIC 4100 進行X 軸、Y 軸和Z 軸的高精度定位。CNC 84.00 是為PCB 行業的鉆孔機專門開發的數控系統。高性能的軟件與硬件使該鉆孔機在生產中具有最高精度、最高生產力和最高可靠性。

高質量掃描提供了功能安全性

位置測量應用的直線光柵尺是機床達到高精度定位不可或缺的手段。直線光柵尺直接且立即測量進給軸的實際位置。除絕對式位置測量外，LIC 4100 敞開式直線光柵尺還具有1 nm 的高分辨率及高速純串行EnDat 2.2 接口。絕對式直線光柵尺在開機時就能立即提供當時的位置值，它不需要執行參考點回零操作，因此技術可靠性高和安全性強。絕對式直線光柵尺特別適應于直接驅動應用。一旦開機啟動，上層電子系統立即能檢測到實際位置和換向偏移量，并立即為電機供電并使電機在閉環中。關鍵工作狀態都能安全地控制，例如開啟直接驅動的垂直軸或急停后的退刀。在高動態應用中，極高的測量信號質量能改善速度控制和定位性能。

“由于它采用獨特的掃描技術，這些光柵尺對污染不敏感，因此可以確保設備的高可靠性和高速度，同時能達到1 nm 的高分辨率，”海德漢公司（西部地區）銷售經理Markus Hanelt 說。為達到極小測量步距要求，增量刻軌的測量信號用大倍頻細分并與絕對刻軌一起提供絕對位置信息。由于它的分辨率高，因此伺服放大器的控制環增益大，即使運動速度很低也能達到極高控制和定位精度。“LIC 4100 的另一項優點是它允許的溫度范圍寬，達到-10～+70 °C，”Markus Hanelt 補充說。該系列光柵尺有多個版本：溫度穩定性最高的Zerodur 玻璃陶瓷光柵尺，從玻璃光柵尺到長度達28 440 mm 的鋼帶光柵尺。

最新掃描方法還提供極高的功能安全性。海德漢公司Metallur 工藝的準平面結構光柵具有超強抗污染能力，因此能顯著提升光柵尺可靠性。光柵刻線邊緣清晰度高且一致性好，細分誤差極小，能達到納米級，因此它能滿足直線驅動系統工作平穩要求及控制環高增益要求。在開發該光柵尺中還考慮到升級的兼容性。“LIC 4100 安裝尺寸與市場上暢銷的海德漢LIDA 400 增量式直線光柵尺一致，”海德漢公司高級產品經理Reinhard Kuhn 說。“因此可以很容易地替換現在用在加工機中的光柵尺，將其換為絕 對式測量技術。只需相應調整后續電子電路。”

圖4 DRB 610 1+1 的加工區：右側為雙主軸配置，中左位置是直線電機的定子以及相應的X 軸的LIC 4100 鋼帶光柵尺

數字接口還有更多功能優點。通過該接口傳輸的絕對刻軌信號、增量刻軌信號和位置值計算的評估數字實時報告光柵尺狀態。“評估數字讓我們能非常方便地確定光柵尺與運動方向的對正情況，”Reinhard Kuhn 說。還能報告信號質量情況，提供工作冗余信息，因此還便于定義保養間隔時間。這是光柵尺高可靠性的基本前提條件。

結論

為了在一年內快速完成從初步設計到最終產品定型，必須考慮許多因素。首先，必須建立一支富有創造性的團隊，如LENZ；其次，選用創新產品，例如Sieb & Meyer 公司的CNC 84.00 數控系統和海德漢公司的LIC 4100 敞開式直線光柵尺；第三，最大限度消除各方之間障礙，快速解決任何問題。Uwe Lenz 認為快速開發特別成功的一項因素是“我們與海德漢公司間的愉快合作，海德漢為我們提供的測量技術是我們超過25年來所生產機器的關鍵。”

圖5 氣浮軸承的主軸，橫向安裝的Z 軸的LIC 4100 光柵尺