線性坐標(biāo)軸在數(shù)控機(jī)床中的全閉環(huán)控制

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的迅速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床越來越多地被廣泛應(yīng)用，同時對數(shù)控機(jī)床定位精度、重復(fù)定位精度也日益提高，原來精密滾珠絲杠加編碼器式的半閉環(huán)控制系統(tǒng)已無法滿足用戶的需求。半閉環(huán)控制系統(tǒng)無法控制機(jī)床傳動機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的傳動誤差、高速運(yùn)轉(zhuǎn)時傳動機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生熱變形誤差以及加工過程中岡傳動系統(tǒng)磨損而產(chǎn)生的誤差，而這些誤差已經(jīng)嚴(yán)重影響到數(shù)控機(jī)床的加工精度及其穩(wěn)定性。線性光柵尺對數(shù)控饑床各線性坐標(biāo)軸進(jìn)行全閉環(huán)控制，消除上述誤差，提高機(jī)床的定位精度、重復(fù)定位精度以及精度可靠性，作為提高數(shù)控機(jī)床位置精度的關(guān)鍵部件日益受到用戶的青睞。

一、線性光柵尺選型

（1）準(zhǔn)確度等級的選擇數(shù)控機(jī)床配置線性光柵尺是了提高線性坐標(biāo)軸的定值精度、再復(fù)定位精度，所以光柵尺的準(zhǔn)確度等級是首先要考慮的，光柵尺準(zhǔn)確度等級有±0.01mm、±0.005mm、±0.003mm、±0.02mm。而我們在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床時根據(jù)設(shè)計(jì)精度要求來選擇準(zhǔn)確度等級，值得注意的是在選用高精度光柵尺時要考慮光柵尺的熱性能，它是機(jī)床工作精確度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，即要求光柵尺的刻線載體的熱膨脹系數(shù)與機(jī)床光柵尺安裝基體的熱膨脹系數(shù)相一致，以克服由于溫度引起的熱變形。

另外光柵尺最大移動速度可達(dá)120m/min，目前可完全滿足數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)要求；單個光柵尺最大長度為3040mm，如控制線性坐標(biāo)軸大于3040mm時可采用光柵尺對接的方式達(dá)到所需長度。

（2）測量方式的選擇 光柵尺的測量方式分增量式光柵尺和絕對式光柵尺兩種，所謂增量式光柵尺就是光柵掃描頭通過讀出到初始點(diǎn)的相對運(yùn)動距離而獲得位置信息，為了獲得絕對位置，這個初始點(diǎn)就要刻到光柵尺的標(biāo)尺上作為參考標(biāo)記，所以機(jī)床開機(jī)時必須回參考點(diǎn)才能進(jìn)行位置控制。而絕對式光柵尺以不同寬度、不同問距的閃現(xiàn)柵線將絕對位置數(shù)據(jù)以編碼形式直接制作到光柵上，在光柵尺通電的同時后續(xù)電子設(shè)備即可獲得位置信息，不需要移動坐標(biāo)軸找參考點(diǎn)位置，絕對位置值從光柵刻線上直接獲得。

絕對式光柵尺比增量式光柵尺成本高20％左右，機(jī)床設(shè)計(jì)師因考慮數(shù)控機(jī)床的性價比，一般選用增量式光柵尺，既能保證機(jī)床運(yùn)動精度又能降低機(jī)床成本。但是絕對式光柵尺開機(jī)后不需回參考點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)是增量式光柵尺無法比擬的，機(jī)床在停機(jī)或故障斷電后開機(jī)可直接從中斷處執(zhí)行加工程序，不但縮短非加工時間提高生產(chǎn)效率，而且減小零件廢品率。因此在生產(chǎn)節(jié)拍要求格或由多臺數(shù)控機(jī)床構(gòu)成的自動生產(chǎn)線上選用絕對式光柵尺是最為理想的。

（3）輸出信號的選擇光柵尺的輸出信號分電流正弦波信號、電壓正弦波信號、TTL矩形波信號和TTL差動矩形波信號四種，雖然光柵尺輸出信號的波形不同對數(shù)控機(jī)床線性坐標(biāo)軸的定位精度、重復(fù)定位精度沒有影響，但必須與數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)相匹配，如果輸出信號的波形與數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)不匹配，導(dǎo)致機(jī)床系統(tǒng)無法處理光柵尺的輸出信號，反饋信息、補(bǔ)償誤差對機(jī)床線性坐標(biāo)軸全閉環(huán)控制無從談起。在實(shí)踐中確有輸出信號的波形與數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)不匹配的情況，不過處理此情況也有辦法，只要在輸出信號與機(jī)床系統(tǒng)間加裝一個數(shù)字化電子裝置（如：HEIDENHAINDE的IBV600系列的細(xì)分和數(shù)字化電子裝置），就很容易解決了。

SCR3923光柵尺

二、線性光柵尺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光柵尺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與安裝比光柵尺選型更重要，無論哪個環(huán)節(jié)處理不當(dāng)，都嚴(yán)重影響光柵尺的控制精度，有可能出現(xiàn)全閉環(huán)精度反而不如半閉環(huán)的現(xiàn)象。

1.行走姿勢對光柵尺檢測精度的影響

（1）驅(qū)動軸線與載重中點(diǎn)位置的重合度眾所周知，推著物體移動時，如果沒有推到其中點(diǎn)位置，很容易造成物體轉(zhuǎn)動，出現(xiàn)擺動等不穩(wěn)定現(xiàn)象。要求動軸線盡量與載重中點(diǎn)位置重合，而實(shí)踐中由于受結(jié)構(gòu)、加工誤差的限制，驅(qū)動軸線與載重中點(diǎn)位置有一定的距離，導(dǎo)致了絲杠拖動載重物時出現(xiàn)了擺動的現(xiàn)象。

（2）導(dǎo)軌阻尼特性的一致性兩條導(dǎo)軌阻尼特性的一致性也是一項(xiàng)很重要的影響因素。兩條導(dǎo)軌阻尼特性的不一致也很容易造成物體出現(xiàn)擺動的現(xiàn)象，如圖1所示。

（3）光柵尺的安裝位置盡可能靠近驅(qū)動軸線大多數(shù)機(jī)床的線性坐標(biāo)軸驅(qū)動系統(tǒng)一般都是運(yùn)用精密滾珠絲杠副，理論上要求光柵尺盡量安裝在靠近絲杠副軸線的位置上，這樣的話，光柵尺的安裝符合了阿貝誤差最小化的原則，即要求光柵尺安裝位置靠近控制軸的工作基準(zhǔn)面，越近所形成的阿貝誤差越小，光柵尺控制的位置精度越高，機(jī)床定位精度越好。但實(shí)踐中由于受結(jié)構(gòu)和空間的限制，光柵尺的安裝方式只有兩種，一種是安裝在近絲杠副側(cè)，另一種是安裝在導(dǎo)軌外側(cè)。為了取得最小的阿貝誤差，推薦盡可能選取第一種安裝方式。反之，選擇了高精度的光柵尺，而實(shí)際沒有達(dá)到數(shù)控機(jī)床所要求的精度。

雖然光柵尺的安裝位置比較靠近驅(qū)動軸線，但是安裝位置畢竟與驅(qū)動軸線有一定距離，這一點(diǎn)距離和驅(qū)動時物體的擺動相結(jié)合后，對光柵尺的檢測控制帶來了很大的麻煩。當(dāng)驅(qū)動物體向光柵尺安裝側(cè)擺動時，光柵尺在檢測時誤認(rèn)為移動速度不足，系統(tǒng)則給出加速信號，而驅(qū)動物體馬上向另一側(cè)擺動，光柵尺在檢測時又誤認(rèn)為移動速度太快，系統(tǒng)則給出減速信號，這樣反反復(fù)復(fù)運(yùn)行，居然沒有改善數(shù)控機(jī)床各線性坐標(biāo)軸的控制，反而加劇了驅(qū)動物體的振動，導(dǎo)致了全閉環(huán)不如半閉環(huán)的奇特現(xiàn)象。由此看來，驅(qū)動物體驅(qū)動軸線的位置設(shè)計(jì)、光柵尺的安裝位置和兩條導(dǎo)軌的阻尼特性至關(guān)重要，必須引起機(jī)床設(shè)計(jì)師的高度重視，在設(shè)計(jì)機(jī)床時必須認(rèn)真考慮備方面因素，勢必取得良好的、滿足設(shè)汁要求的效果。

2.光柵尺定尺、滑尺的安裝面及滑尺支架具有足夠剛性和強(qiáng)度

光柵尺安裝位置要有足夠剛性和強(qiáng)度也是保證光柵尺正常工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。光柵尺是通過光電掃描原理來工作的，因此光柵尺不能處于強(qiáng)振動狀態(tài)，振動引起光源不穩(wěn)定影響光柵尺的控制精度。所以安裝位置最好與機(jī)床的堅(jiān)固鑄件為一體，即使由于結(jié)構(gòu)原因需用連接件，那么要求連接件與機(jī)體之間的整個結(jié)合而接觸良好，連接剛性足，以防止結(jié)合與連接處產(chǎn)生薄弱環(huán)節(jié)引起強(qiáng)振動影響光柵尺的正常工作，最終導(dǎo)致加工中心定位精度的降低。

3.光柵尺安裝位置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離機(jī)床的發(fā)熱源

光柵尺安裝位置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離機(jī)床的發(fā)熱源，以避免溫度的影響，、光柵尺本來不怕受熱，整體環(huán)境溫度對光柵尺的影響很小，可是機(jī)床的熱源（如滾珠絲杠副）在局部產(chǎn)生不確定溫升而產(chǎn)生誤差，并且這種誤差很難控制也很難實(shí)時修正和補(bǔ)償，如果光柵尺貼近這些地方，勢必影響光柵尺的控制精度。

4.光柵尺安裝位置的防護(hù)非常重要

（1）在現(xiàn)代機(jī)床中，用戶一般都要求大流量冷卻，而在大流量沖洗時，會有切削液飛濺到光柵尺上，光柵尺的工作環(huán)境也充滿了潮濕、帶有冷卻噴霧的空氣，在這種環(huán)境下光柵容易產(chǎn)生冷凝現(xiàn)象，掃瞄頭上易結(jié)下一層薄膜。這樣以來，就會導(dǎo)致光柵尺的光線投射不佳，再加上光柵容易留下水跡，嚴(yán)重影響光柵的測量。如果加工后的切屑在光柵附近堆積造成排屑、排水不暢，會致使光柵尺浸泡在切削液和雜質(zhì)中，有從而影響到光柵的使用，更嚴(yán)重的會使光柵尺損壞，使整機(jī)處于癱瘓狀態(tài)。

（2）如果光柵尺處于很強(qiáng)的冷卻噴霧或粉塵中，可通過壓縮空氣處理，但壓縮空氣必須經(jīng)過過濾器凈化，并按ISO 8573—1符合下列雜質(zhì)質(zhì)量等級要求，見附表所示。

三、線性光柵尺的安裝

光柵尺的結(jié)構(gòu)見圖2所示，它是由定尺體1和動尺讀數(shù)頭2組成。光柵尺的定尺體是一個鋁外殼，用以保護(hù)其內(nèi)的標(biāo)尺、掃描單元及其導(dǎo)軌不受切屑、灰塵和噴濺水的傷害。動尺讀數(shù)頭包含掃描單元、精密連接器及安裝塊組成，精密連接器將掃描單元與安裝塊連接，用來補(bǔ)償少量的導(dǎo)軌機(jī)械誤差。

1.安裝具的設(shè)計(jì)

從圖2中不難看出，1.5mm±0.2mm、2mm尺寸對光柵尺的測量非常重要，安裝時必須保證。還有一方面因素，定尺體和動尺讀數(shù)頭為非剛性連接，且掃描單元與安裝塊用精密連接器彈性連接，由此看來，光柵尺的正確安裝并非是一件容易的事。為此，經(jīng)多次研究設(shè)計(jì)了一個既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的專用安裝具，見圖3 所示。

2.調(diào)整安裝

光柵尺的調(diào)整安裝是光柵尺使用過程中一個不容忽視的環(huán)節(jié)，調(diào)整安裝的好與壞直接影響光柵尺檢測、控制工作的質(zhì)量，所以必須引起足夠的重視。現(xiàn)以XH768型臥式加工中心Z向線性坐標(biāo)軸為例，介紹光柵尺的調(diào)整安裝過程。

（1）光柵尺安裝基準(zhǔn)面的加工加工光柵尺定尺、動尺的安裝基準(zhǔn)面，保證與導(dǎo)軌的平行在0.02mm以內(nèi)，按坐標(biāo)尺寸加工出定尺結(jié)合螺釘孔。

（2）清理各安裝基準(zhǔn)面，將專用安裝具1固定在定尺安裝面上，動尺支架2與專用安裝具可靠連接，按實(shí)測尺寸配磨調(diào)整墊3，配作動尺支架與滑座結(jié)合螺釘及錐銷，見圖4所示。

（3）取下專用安裝具，將光柵尺4安裝至位置即可。

四、數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整

1.反向間隙的補(bǔ)償

首先要求機(jī)械安裝完成后的反向間隙必須保證在一定范圍內(nèi)。反向間隙在不同速度下切換方向時的數(shù)值不同，所以反向間隙補(bǔ)償時對進(jìn)給和快速移動分開進(jìn)行補(bǔ)償，傳統(tǒng)習(xí)慣上只是設(shè)定前者，這是不科學(xué)的。以FANUC Oi系統(tǒng)為例，說明如下：

參數(shù)：P1851：各軸進(jìn)給時的反向間隙補(bǔ)償值。

沒定值：按切削進(jìn)給（一般取500～1000mm/min）時檢測的反向間隙值設(shè)定（用激光干涉儀測量）。

參數(shù)：P1852．各軸快速時的反向間隙補(bǔ)償值。

設(shè)定值：按快速（例如10000mm/min）時檢測的反向間隙值設(shè)定（用激光干涉儀測量）。

參數(shù)：P1800#4 RBK。

設(shè)定值：此位參數(shù)設(shè)定為1，則切削和快速的反向間隙可以分別生效。

2.螺距誤差的補(bǔ)償

數(shù)控系統(tǒng)一般每軸設(shè)置最大可達(dá)128點(diǎn)的螺距誤差補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)。必要時，可對某軸進(jìn)行補(bǔ)償，一般習(xí)慣是按50mm或100mm的間隔進(jìn)行補(bǔ)償，為了提高精度，建議用5mm或10mm的間隔進(jìn)行補(bǔ)償，效果更好。

3.補(bǔ)償計(jì)數(shù)器的設(shè)定

全閉環(huán)控制時，通常設(shè)定補(bǔ)償計(jì)數(shù)器，以FANUCOi系統(tǒng)為例，說明如下：參數(shù)：P2010#5 HBBL反向問隙補(bǔ)償值加到誤差計(jì)數(shù)器中。

設(shè)定值：設(shè)定為0，表示為半閉環(huán)方式（標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定）。

參數(shù)：P2010#4 HBPE螺距誤差補(bǔ)償值加到誤差計(jì)數(shù)器中。

設(shè)定值：設(shè)定為0，表示為全閉環(huán)方式（標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定）。

4.提高增益設(shè)定

在無振動的前提下，盡量提高位置環(huán)增益P1825，速度環(huán)增益P2043、P2045及負(fù)載慣量比P2021等參數(shù)。

結(jié)論

總結(jié)分析以上因素，有互相統(tǒng)一的一面，合理選取光柵尺，正確使用使其物盡其能；也有互相矛盾的一面，安裝位置既要盡可能靠近驅(qū)動軸線，又要盡量遠(yuǎn)離機(jī)床的發(fā)熱源（如絲杠副），這就要看機(jī)床設(shè)計(jì)師，怎樣兼顧折衷考慮各方面因素，綜合考慮光柵尺選型、設(shè)計(jì)、安裝、捌試等因素，得到比較合理的性價比，勢必取得比較好的控制檢測效果。

通過以上幾個步驟的調(diào)試，一臺數(shù)控機(jī)床一般都能獲得很好的位置精度（定位精度、重復(fù)定位精度），達(dá)到機(jī)床設(shè)計(jì)要求，能很容易滿足用戶的需求，對數(shù)控機(jī)床的制造廠家和使用用戶有著非凡的現(xiàn)實(shí)意義。