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雷尼绍的RESOLUTE™绝对式光栅支持ITRI完成多轴旋转工作台设计革新

机床在现今工业领域具有不可或缺的地位。由于近年来5轴机床的普及,工业产品,特别是一些要求精细加工的产品,其设计的灵活性大大提升。以往不能实现批量生产的复杂设计,现在都能一一实现,而且效率和质量更高。我们每天使用的智能手机和平板电脑等电子产品的金属机身,都是通过这些先进的机床加工而成的。目前多轴复合机床的技术发展渐趋成熟,对旋转工作台(简称转台)的精度和速度的要求不断提升。

ITRI — 台湾工业研究院(简称工研院)看准未来市场的庞大需求,自主开发了双轴转台,配置雷尼绍RESOLUTE™系列绝对式圆光栅,通过Panasonic串行协议连接到内部开发的控制器上,协助业界开发具竞争力的转台方案。

ITRI rotary table tilt axis RESOLUTE RESA

转台在机床上的价值

转台是机床中一个十分重要的附加组件,当需要加工具有复杂曲面的工件时尤其如此。厂商应对不同的加工需求开发各种不同结构的转台。

转台的使用可扩展加工中心的加工自由度,提供第4轴、第5轴旋转轴。传统的3轴加工中心没有配置转台,工件被固定在加工台面上,每次的加工面只有顶面,而5轴加工中心,通过旋转台的移动,工件只需装夹一次即可完成5面体的加工,大大缩短装卸工件的时间。台湾工业研究院资深工程师陈冠文先生解释转台的结构:“市场上的转台种类繁多,有单轴、双轴摇篮、多心轴式等等。结构主要由本体、主轴承、工作盘面、传动系统、伺服电机、光栅及刹车系统所组成。为了降低成本,大部分组件都是我们自主开发或在本地采购。经过多年努力,整体成本目前已较众多国际品牌大幅降低50%以上,而我们的最终目标就是把这些技术和生产方案转移到本地的厂商,协助他们开发具竞争力的转台。”

工研院开发的转台配有旋转轴和倾斜轴,两者均采用自主开发的直驱电机,优点在于其高转矩、高刚性、低磨耗及无反向间隙等,前者容许360度转向,后者转动范围为170度。两轴均配置RESOLUTE RESA圆光栅,提供23 Bit分辨率,连接Panasonic伺服驱动和工研院自主开发的控制器。转台两轴整体定位精度和重复精度分别为±10角秒和±5角秒,系统最小分辨率达0.001度。盘面直径为250 mm,提供扭力为170/300 Nm(旋转轴)和245/440 Nm(倾斜轴)。

RESOLUTE绝对式光栅

直驱电机机构设计的特性促使光栅一般内藏在电机内,由于电机内部空间有限,故对光栅读数头的体积有严格的要求,设计必须紧凑。陈冠文先生说道:“我们在光栅选型时,体积是重要的考虑因素之一,而且必须选开放式的光栅,原因是封闭式光栅有封装外壳,体积过于庞大,一般不适合安装在直驱电机的机构上。另外加工中心的工作环境一般十分严峻,充斥大量切削残屑、油渍等污染物,不过由于光栅内藏在电机内,故对开放式光栅来说不是问题。RESOLUTE的防护等级达IP64,足以应付一般污染,就算是光栅意外被冷却液或削屑弄脏,清洁后即可正常工作。”

雷尼绍RESOLUTE绝对式光栅设计紧凑,读数头尺寸仅36 x 14.9 x 16.5 mm,是市场上少数高规格但体积轻巧的光栅,支持多种工业串行协议。读数头采用先进光学滤波镜组,有效过滤因光栅尺上的污染物而造成的噪声,维持超低的噪声等级(抖动达10纳米RMS)以促成绝佳的位置稳定性,同时从根本着手使用强化型的检测机制,实现仅±40纳米的极低细分误差 (SDE),促使机床加工出表面更加光滑的工件。

提升生产效率

时间就是金钱,特别是在现今产品生命周期缩短,产品多样化的激烈竞争年代。生产商在追求产品的质量以满足客户要求的同时,必须不断提升生产效率,务求新产品能尽快推出市场,这就要求相应提升生产设备的效率加以配合。陈冠文先生说道:“转台速度的提升能显著降低整体生产成本,要知道有些规模庞大的生产线每天有数以万计的设备投产,或大或小的任何停顿和延误都会造成整体成本的上升。绝对式光栅其中一个特点就是每次启动时实时采集绝对位置,无须返回原点,而且在电源重启或更换断刀后能在停顿位置继续执行先前的工作,不像增量式光栅需要重新返回原点重启,这无疑大大缩短了整体生产时间。”

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定制化方案

工研院一直致力于开发业界新技术,如其他创新者一样,在开发过程中难免会碰到一些挑战。陈冠文先生说道:“我们当初的计划就是要做一款具竞争力的转台,鉴于工研院与Panasonic多年友好关系和对其产品的经验,我们选择采用Panasonic伺服驱动。不过当时市场上并没有能满足我们规格要求同时兼容Panasonic串行协议的开放绝对式圆光栅。我们只好尝试联络光栅厂商查询定制化方案,幸好最后与雷尼绍达成共识,他们愿意为我们开发相关的RESOLUTE绝对式圆光栅,经过Panasonic、工研院与雷尼绍三方的努力,最后得以成功开发出台湾地区第一台采用Panasonic串行协议的直驱转台。与雷尼绍合作多年,有感他们的售后支持一直做得十分到位,而RESOLUTE光栅的表现与我们采用过的SiGNUM™系列增量式光栅和XL-80激光干涉仪同样出色。”

公司简介

工业技术研究院成立于1973年,是国际级的应用科技研发机构,拥有近6000位科技研发精英,其宗旨是以科技研发带动产业发展,创造经济价值,增进社会福祉。成立四十年来,累积超过2万件专利,培育及孵化260家公司。工研院提供全方位的研发合作与商业顾问服务,包括新技术与新产品委托开发、小型试量产、制程改善、校准测量,以及技术转移、知识产权增值服务等,并设置开放实验室及孵化中心,积极培育及推动创业公司发展,加速产业技术开发及孕育新兴高科技产业。

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  • 案例分析: “绝对”出色的旋转工作台