高精度光栅尺在高速三维接触深度钻铣机中的应用

PCB 印刷电路板日趋微型化和复杂化，这就需要电子器件的定位能达到极高精度。为使定位达到高精度，各类加工机广泛采用直线电机技术。ERNST LENZ Maschinenbau 是一家开创性的公司，他们提供印刷电路板钻铣机。位于德国黑森中部辛恩的这家制造企业是首家在PCB 钻孔机上成功应用直线电机技术的企业之一。直线电机技术还首次应用在DRB 610 1+1 PCB 钻铣机上，该机在Productronica 2013 展会上展现了其双主轴的极高动态定位精度（见图1）。该机器制造商还选用海德汉LIC 4100 绝对式敞开直线光栅尺保证高精度的位置测量及运动速度控制（见图2）。

图1 全新DRB 610 1+1 PCB 钻铣机

技术先驱

图2 LC 4100 绝对式直线光栅尺

LENZ 拥有超过40年生产这类系统的经验，是欧洲首批专业开发生产PCB 钻孔机的公司之一。该公司持续的高质量、极高的客户导向，特别是创新和开创性的机床结构在市场上获得了广泛认可。LENZ 是第一家发现当时较新的直接驱动技术在PCB 钻孔机上应用潜力的企业，自1994年以来，该公司开发生产了直线电机驱动的PCB钻孔机，自1998年起，该公司生产的所有机器全部采用该技术。而且，从1996年开始，该公司从采用海德汉公司的封闭式直线光栅尺改为采用敞开式直线光栅尺。“更换的原因，”LENZ 公司总经理Uwe Lenz（见图3）说“是工作噪音低。我们配滚珠丝杠的传统驱动仍采用封闭式直线光栅尺，但升级到速度更快和更低噪音的直线电机时，我们需要一种新的系统，我们很快发现海德汉提供适合该应用的敞开式直线光栅尺。由于我们对海德汉的产品和服务非常满意，现在全新DRB 610 1+1 PCB 钻铣机同样采用海德汉LIC 4100 绝对式敞开直线光栅尺。”

敞开式直线光栅尺提升机器的动态性能。

LENZ 又一次开创市场先河，率先开发出市场所需的DRB（钻孔、切割，运送）610 1+1 系统，并于2013年11月面世。该机的突出特点是拥有沿全部三个轴的接触深度钻孔与接触深度铣削（也即Z 轴控制的深度钻孔/ 铣削）能力，速度快，精度高。

最新开发的DRB 610 1+1 结构紧凑，占地面积仅1 410 mm ×1 620 mm，而加工区达610 mm ×650 mm。该机的另一项优点是拥有2 400刀位的大型横向刀带。刀具的换刀操作采用独立刀带驱动，因此X 轴不需要定位大量刀具，显著减轻了该轴的工作负荷。因此可用更小规格的驱动，使该机结构更加紧凑。“另一项优点是操作人员可在机器加工的同时换刀，”Uwe Lenz 说。现在，配双主轴的全自动钻铣机能进行标准深度钻孔和铣削（电路板自动装入和运出）。

PCB 电路板上的孔径越来越小，经济地进行大批量生产需要高精度、高性能并且过程安全。为达到最高钻孔生产力，气浮轴承的主轴转速高达300 000 r/min，钻孔深度达50 μm，定位精度达到±3 μm。滚柱轴承主轴适用于1.5 mm 至6.35 mm较大孔的钻孔与铣削，而铣削深度精度高达±10 μm。Uwe Lenz 补充说，“主轴不是独自工作，而是顺序工作，这是1+1 后缀型号命名的原因。”

不仅主轴转速极高-X、Y 和Z 轴加速度也非常大。“每分钟要进行1 000 次钻孔，X 轴和Y 轴的加速度几乎达到2 g 和Z 轴达到3 g 以上，”Uwe Lenz 解释说。Sieb & Meyer 公司的CNC 84.00 数控系统需要在极短的时间内得到直线电机的位置信息，只有这样才能在如此高的加速度条件下进行高精度运动，为此，选用海德汉公司的LIC 4100 进行X 轴、Y 轴和Z 轴的高精度定位。CNC 84.00 是为PCB 行业的钻孔机专门开发的数控系统。高性能的软件与硬件使该钻孔机在生产中具有最高精度、最高生产力和最高可靠性。

高质量扫描提供了功能安全性

位置测量应用的直线光栅尺是机床达到高精度定位不可或缺的手段。直线光栅尺直接且立即测量进给轴的实际位置。除绝对式位置测量外，LIC 4100 敞开式直线光栅尺还具有1 nm 的高分辨率及高速纯串行EnDat 2.2 接口。绝对式直线光栅尺在开机时就能立即提供当时的位置值，它不需要执行参考点回零操作，因此技术可靠性高和安全性强。绝对式直线光栅尺特别适应于直接驱动应用。一旦开机启动，上层电子系统立即能检测到实际位置和换向偏移量，并立即为电机供电并使电机在闭环中。关键工作状态都能安全地控制，例如开启直接驱动的垂直轴或急停后的退刀。在高动态应用中，极高的测量信号质量能改善速度控制和定位性能。

“由于它采用独特的扫描技术，这些光栅尺对污染不敏感，因此可以确保设备的高可靠性和高速度，同时能达到1 nm 的高分辨率，”海德汉公司（西部地区）销售经理Markus Hanelt 说。为达到极小测量步距要求，增量刻轨的测量信号用大倍频细分并与绝对刻轨一起提供绝对位置信息。由于它的分辨率高，因此伺服放大器的控制环增益大，即使运动速度很低也能达到极高控制和定位精度。“LIC 4100 的另一项优点是它允许的温度范围宽，达到-10～+70 °C，”Markus Hanelt 补充说。该系列光栅尺有多个版本：温度稳定性最高的Zerodur 玻璃陶瓷光栅尺，从玻璃光栅尺到长度达28 440 mm 的钢带光栅尺。

最新扫描方法还提供极高的功能安全性。海德汉公司Metallur 工艺的准平面结构光栅具有超强抗污染能力，因此能显著提升光栅尺可靠性。光栅刻线边缘清晰度高且一致性好，细分误差极小，能达到纳米级，因此它能满足直线驱动系统工作平稳要求及控制环高增益要求。在开发该光栅尺中还考虑到升级的兼容性。“LIC 4100 安装尺寸与市场上畅销的海德汉LIDA 400 增量式直线光栅尺一致，”海德汉公司高级产品经理Reinhard Kuhn 说。“因此可以很容易地替换现在用在加工机中的光栅尺，将其换为绝 对式测量技术。只需相应调整后续电子电路。”

图4 DRB 610 1+1 的加工区：右侧为双主轴配置，中左位置是直线电机的定子以及相应的X 轴的LIC 4100 钢带光栅尺

数字接口还有更多功能优点。通过该接口传输的绝对刻轨信号、增量刻轨信号和位置值计算的评估数字实时报告光栅尺状态。“评估数字让我们能非常方便地确定光栅尺与运动方向的对正情况，”Reinhard Kuhn 说。还能报告信号质量情况，提供工作冗余信息，因此还便于定义保养间隔时间。这是光栅尺高可靠性的基本前提条件。

结论

为了在一年内快速完成从初步设计到最终产品定型，必须考虑许多因素。首先，必须建立一支富有创造性的团队，如LENZ；其次，选用创新产品，例如Sieb & Meyer 公司的CNC 84.00 数控系统和海德汉公司的LIC 4100 敞开式直线光栅尺；第三，最大限度消除各方之间障碍，快速解决任何问题。Uwe Lenz 认为快速开发特别成功的一项因素是“我们与海德汉公司间的愉快合作，海德汉为我们提供的测量技术是我们超过25年来所生产机器的关键。”

图5 气浮轴承的主轴，横向安装的Z 轴的LIC 4100 光栅尺