消除大型丝杆的热胀冷缩误差

在很多高精密度自动化制造机台中都大量使用滚珠丝杆配合线性导轨使用的移动载台或机构（如图1所示），而大型滚珠丝杆存在的热胀冷缩的物理性质（有可能达到200um以上的误差），对于类似TFT-LCD产业，以及精密半导体制造产业是不能接受的，特别是在以影像系统自动定位的机台由冷机到热机转换过程中，由热胀冷缩现象产生的误差所造成的错位，偏移等将严重影响产品精度与品质。 图1 大型滚珠丝杆 如何消除自动化机台中由于热胀冷缩现象产生的误差呢？本人以之前完成的一个成功改善案介绍一种可以实现这一目标的方法。在此解决方案的原理是利用KEYENCE LB-70系列激光位移传感器实时检测滚珠丝杆的热胀冷缩膨胀变化量，将补偿值反馈给PLC，通过补偿计算将这一变化量计算在内，从而实现滚珠丝杆的零误差（不对产品精度有影响）。 一， 滚珠丝杆热胀冷缩量分析： 对于一般较大型滚珠丝杆都有考虑丝杆的热胀冷缩问题，例如THK, CKD等系列丝杆，一般采用一端固定（连接马达一端），另一端可以进行伸缩的固定方式。因此载物台在丝杆靠近马达的近端与远端所受的影响也就不一样，在近端累积的变化量较小，对产品的精度影响也较小；而在远端由于几乎累积了整个丝杆的膨胀变化量，故对产品精度的影响很大（如图2所示）。 图2 滚珠丝杆示意图 二， KEYENCE LB-70系列激光位移传感器介绍： KEYENCE LB-70系列激光位移传感器具有2um的高解析度，0.15ms的快速反应时间，精确到0 v的设定，以及可以进行长距离测量。如下图3，为激光控制器和LB-11 laser head的外形图； 图3 LB-70控制器及感测头 下图4，LB-11 laser head的零点调整范围和线性调整范围。其他具体说明及设定操作方法可见KEYENCE 传感器操作手册。 图4 LB-11零点调整范围和线性调整范围 检测原理：设定0 V电位后，通过从感测头发出的激光检测目标物距离的变化转换成直流电压输出，然后在PLC模组中增加一块模数转换模块，从而将实时电压变化转变为距离变化。 三， 改善方案说明： 将感测头固定于机台固定座上（马达侧)，反光挡片作为目标物固定于移动载台上监测膨胀量变化； 图5 感测头安装示意图与实物图 在L1（0mm图6 补偿量计算公式 将膨胀量S n通过PLC中的各种运算关系计算到位移量中（进行补偿计算），即可将各种温度及位置点的膨胀量对产品精度的影响消除掉。如下图7，为显示在人机界面上的实时检测膨胀量值。 此方案已在TFT-LCD制造行业中得到成功实践，效果很好！