浅析数控机床线性坐标轴的全闭环控制

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随着现代制造业的迅速发展，数控机床越来越多地被广泛应用，同时对数控机床定位精度、重复定位精度也日益提高，原来精密滚珠丝杠加编码器式的半闭环控制系统已无法满足用户的需求。半闭环控制系统无法控制机床传动机构所产生的传动误差、高速运转时传动机构所产生热变形误差以及加工过程中冈传动系统磨损而产生的误差，而这些误差已经严重影响到数控机床的加工精度及其稳定性。线性光栅尺对数控饥床各线性坐标轴进行全闭环控制，消除上述误差，提高机床的定位精度、重复定位精度以及精度可靠性，作为提高数控机床位置精度的关键部件日益受到用户的青睐。
7 h' d; x" w9 T下面就线性光栅尺选型、安装专用工具设计、安装及数控系统参数测整等内容进行了探讨，可能有不周之处，请读者不吝赐教。
/ r4 Y  \$ M; e/ b# {8 D7 k+ P一、线性光栅尺选型
$ r7 R1 ]0 B; ^1 ~2 h(1)准确度等级的选择　数控机床配置线性光栅尺是了提高线性坐标轴的定值精度、再复定位精度，所以光栅尺的准确度等级是首先要考虑的，光栅尺准确度等级有±0.01mm、±0.005mm、±0.003mm、±0.02mm。而我们在设计数控机床时根据设计精度要求来选择准确度等级，值得注意的是在选用高精度光栅尺时要考虑光栅尺的热性能，它是机床工作精确度的关键环节，即要求光栅尺的刻线载体的热膨胀系数与机床光栅尺安装基体的热膨胀系数相一致，以克服由于温度引起的热变形。
另外光栅尺最大移动速度可达120m/min，目前可完全满足数控机床设计要求；单个光栅尺最大长度为3040mm，如控制线性坐标轴大于3040mm时可采用光栅尺对接的方式达到所需长度。
(2)测量方式的选择  光栅尺的测量方式分增量式光栅尺和绝对式光栅尺两种，所谓增量式光栅尺就是光栅扫描头通过读出到初始点的相对运动距离而获得位置信息，为了获得绝对位置，这个初始点就要刻到光栅尺的标尺上作为参考标记，所以机床开机时必须回参考点才能进行位置控制。而绝对式光栅尺以不同宽度、不同问距的闪现栅线将绝对位置数据以编码形式直接制作到光栅上，在光栅尺通电的同时后续电子设备即可获得位置信息，不需要移动坐标轴找参考点位置，绝对位置值从光栅刻线上直接获得。
绝对式光栅尺比增量式光栅尺成本高20％左右，机床设计师因考虑数控机床的性价比，一般选用增量式光栅尺，既能保证机床运动精度又能降低机床成本。但是绝对式光栅尺开机后不需回参考点的优点是增量式光栅尺无法比拟的，机床在停机或故障断电后开机可直接从中断处执行加工程序，不但缩短非加工时间提高生产效率，而且减小零件废品率。因此在生产节拍要求格或由多台数控机床构成的自动生产线上选用绝对式光栅尺是最为理想的。
$ v/ Q1 J/ n3 w( \( e(3)输出信号的选择　光栅尺的输出信号分电流正弦波信号、电压正弦波信号、TTL矩形波信号和TTL差动矩形波信号四种，虽然光栅尺输出信号的波形不同对数控机床线性坐标轴的定位精度、重复定位精度没有影响，但必须与数控机床系统相匹配，如果输出信号的波形与数控机床系统不匹配，导致机床系统无法处理光栅尺的输出信号，反馈信息、补偿误差对机床线性坐标轴全闭环控制无从谈起。在实践中确有输出信号的波形与数控机床系统不匹配的情况，不过处理此情况也有办法，只要在输出信号与机床系统间加装一个数字化电子装置(如：HEIDENHAINDE的IBV600系列的细分和数字化电子装置)，就很容易解决了。

: `- }: Z5 \* S2 {) f# LSCR3923光栅尺光栅尺
5 j. t: h+ t; F* g+ Y. k! Y二、线性光栅尺的结构设计
# N7 e$ C5 f/ G, J光栅尺的结构设计与安装比光栅尺选型更重要，无论哪个环节处理不当，都严重影响光栅尺的控制精度，有可能出现全闭环精度反而不如半闭环的现象。
8 g4 T4 b  K9 F3 l, c" _3 B: k1 O1.行走姿势对光栅尺检测精度的影响
(1)驱动轴线与载重中点位置的重合度　众所周知，推着物体移动时，如果没有推到其中点位置，很容易造成物体转动，出现摆动等不稳定现象。要求动轴线尽量与载重中点位置重合，而实践中由于受结构、加工误差的限制，驱动轴线与载重中点位置有一定的距离，导致了丝杠拖动载重物时出现了摆动的现象。
(2)导轨阻尼特性的一致性　两条导轨阻尼特性的一致性也是一项很重要的影响因素。两条导轨阻尼特性的不一致也很容易造成物体出现摆动的现象，如图1所示。
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(3)光栅尺的安装位置尽可能靠近驱动轴线　大多数机床的线性坐标轴驱动系统一般都是运用精密滚珠丝杠副，理论上要求光栅尺尽量安装在靠近丝杠副轴线的位置上，这样的话，光栅尺的安装符合了阿贝误差最小化的原则，即要求光栅尺安装位置靠近控制轴的工作基准面，越近所形成的阿贝误差越小，光栅尺控制的位置精度越高，机床定位精度越好。但实践中由于受结构和空间的限制，光栅尺的安装方式只有两种，一种是安装在近丝杠副侧，另一种是安装在导轨外侧。为了取得最小的阿贝误差，推荐尽可能选取第一种安装方式。反之，选择了高精度的光栅尺，而实际没有达到数控机床所要求的精度。
: |* A9 V% A. O虽然光栅尺的安装位置比较靠近驱动轴线，但是安装位置毕竟与驱动轴线有一定距离，这一点距离和驱动时物体的摆动相结合后，对光栅尺的检测控制带来了很大的麻烦。当驱动物体向光栅尺安装侧摆动时，光栅尺在检测时误认为移动速度不足，系统则给出加速信号，而驱动物体马上向另一侧摆动，光栅尺在检测时又误认为移动速度太快，系统则给出减速信号，这样反反复复运行，居然没有改善数控机床各线性坐标轴的控制，反而加剧了驱动物体的振动，导致了全闭环不如半闭环的奇特现象。由此看来，驱动物体驱动轴线的位置设计、光栅尺的安装位置和两条导轨的阻尼特性至关重要，必须引起机床设计师的高度重视，在设计机床时必须认真考虑备方面因素，势必取得良好的、满足设汁要求的效果。
2.光栅尺定尺、滑尺的安装面及滑尺支架具有足够刚性和强度
光栅尺安装位置要有足够刚性和强度也是保证光栅尺正常工作的关键环节。光栅尺是通过光电扫描原理来工作的，因此光栅尺不能处于强振动状态，振动引起光源不稳定影响光栅尺的控制精度。所以安装位置最好与机床的坚固铸件为一体，即使由于结构原因需用连接件，那么要求连接件与机体之间的整个结合而接触良好，连接刚性足，以防止结合与连接处产生薄弱环节引起强振动影响光栅尺的正常工作，最终导致加工中心定位精度的降低。
3.光栅尺安装位置应尽量远离机床的发热源
光栅尺安装位置应尽量远离机床的发热源，以避免温度的影响，、光栅尺本来不怕受热，整体环境温度对光栅尺的影响很小，可是机床的热源(如滚珠丝杠副)在局部产生不确定温升而产生误差，并且这种误差很难控制也很难实时修正和补偿，如果光栅尺贴近这些地方，势必影响光栅尺的控制精度。
4.光栅尺安装位置的防护非常重要
(1)在现代机床中，用户一般都要求大流量冷却，而在大流量冲洗时，会有切削液飞溅到光栅尺上，光栅尺的工作环境也充满了潮湿、带有冷却喷雾的空气，在这种环境下光栅容易产生冷凝现象，扫瞄头上易结下一层薄膜。这样以来，就会导致光栅尺的光线投射不佳，再加上光栅容易留下水迹，严重影响光栅的测量。如果加工后的切屑在光栅附近堆积造成排屑、排水不畅，会致使光栅尺浸泡在切削液和杂质中，有从而影响到光栅的使用，更严重的会使光栅尺损坏，使整机处于瘫痪状态。
(2)如果光栅尺处于很强的冷却喷雾或粉尘中，可通过压缩空气处理，但压缩空气必须经过过滤器净化，并按ISO 8573—1符合下列杂质质量等级要求，见附表所示。

% n. |: c6 m2 G5 Y& ?4 f& U三、线性光栅尺的安装
3 k. s) M( q/ G' B光栅尺的结构见图2所示，它是由定尺体1和动尺读数头2组成。光栅尺的定尺体是一个铝外壳，用以保护其内的标尺、扫描单元及其导轨不受切屑、灰尘和喷溅水的伤害。动尺读数头包含扫描单元、精密连接器及安装块组成，精密连接器将扫描单元与安装块连接，用来补偿少量的导轨机械误差。
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. {$ w. ?7 A% s% l$ J( G1.安装具的设计
从图2中不难看出，1.5mm±0.2mm、2mm尺寸对光栅尺的测量非常重要，安装时必须保证。还有一方面因素，定尺体和动尺读数头为非刚性连接，且扫描单元与安装块用精密连接器弹性连接，由此看来，光栅尺的正确安装并非是一件容易的事。为此，经多次研究设计了一个既经济又实用的专用安装具，见图3所示。
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2.调整安装
! \1 @) V6 v+ ?3 Q9 t光栅尺的调整安装是光栅尺使用过程中一个不容忽视的环节，调整安装的好与坏直接影响光栅尺检测、控制工作的质量，所以必须引起足够的重视。现以XH768型卧式加工中心Z向线性坐标轴为例，介绍光栅尺的调整安装过程。
! R2 f8 W( v) {2 g1 O6 A& ^% ^(1)光栅尺安装基准面的加工　加工光栅尺定尺、动尺的安装基准面，保证与导轨的平行在0.02mm以内，按坐标尺寸加工出定尺结合螺钉孔。
- P" j: ^# ]) b' ~1 o(2)清理各安装基准面，将专用安装具1固定在定尺安装面上，动尺支架2与专用安装具可靠连接，按实测尺寸配磨调整垫3，配作动尺支架与滑座结合螺钉及锥销，见图4所示。
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(3)取下专用安装具，将光栅尺4安装至位置即可。
0 r: R* I8 N& T1 W  |四、数控系统参数的调整
1.反向间隙的补偿
( U: O3 x" e- y首先要求机械安装完成后的反向间隙必须保证在一定范围内。反向间隙在不同速度下切换方向时的数值不同，所以反向间隙补偿时对进给和快速移动分开进行补偿，传统习惯上只是设定前者，这是不科学的。以FANUC Oi系统为例，说明如下：
% J, Z7 q6 s0 O# W! @7 g# {参数：P1851：各轴进给时的反向间隙补偿值。
没定值：按切削进给(一般取500～1000mm/min)时检测的反向间隙值设定(用激光干涉仪测量)。
! U4 j3 r8 X& v# `: I* f参数：P1852．各轴快速时的反向间隙补偿值。
" J6 O5 W) c' {. m' A2 Z设定值：按快速(例如10000mm/min)时检测的反向间隙值设定(用激光干涉仪测量)。
' Z! T- Y% O1 `- c参数：P1800#4 RBK。
设定值：此位参数设定为1，则切削和快速的反向间隙可以分别生效。
# E6 w5 q9 l: T2.螺距误差的补偿
数控系统一般每轴设置最大可达128点的螺距误差补偿点数。必要时，可对某轴进行补偿，一般习惯是按50mm或100mm的间隔进行补偿，为了提高精度，建议用5mm或10mm的间隔进行补偿，效果更好。
: n$ r6 K% ?/ s; D3 b3.补偿计数器的设定
全闭环控制时，通常设定补偿计数器，以FANUCOi系统为例，说明如下：参数：P2010#5 HBBL反向问隙补偿值加到误差计数器中。
设定值：设定为0，表示为半闭环方式(标准设定)。
参数：P2010#4 HBPE螺距误差补偿值加到误差计数器中。
设定值：设定为0，表示为全闭环方式(标准设定)。
4.提高增益设定
在无振动的前提下，尽量提高位置环增益P1825，速度环增益P2043、P2045及负载惯量比P2021等参数。
/ C4 u, Y3 ]7 m/ G8 F五、结论
7 Z* z8 ^: v, T6 b2 f2 k1 G总结分析以上因素，有互相统一的一面，合理选取光栅尺，正确使用使其物尽其能；也有互相矛盾的一面，安装位置既要尽可能靠近驱动轴线，又要尽量远离机床的发热源(如丝杠副)，这就要看机床设计师，怎样兼顾折衷考虑各方面因素，综合考虑光栅尺选型、设计、安装、捌试等因素，得到比较合理的性价比，势必取得比较好的控制检测效果。
通过以上几个步骤的调试，一台数控机床一般都能获得很好的位置精度(定位精度、重复定位精度)，达到机床设计要求，能很容易满足用户的需求，对数控机床的制造厂家和使用用户有着非凡的现实意义。
文章关键词： 数控机床