數控機床線(xiàn)性坐(zuò)标軸的全閉環控制

  　随着現代制造業的迅速發展，數控機床越來越多(duō)地被廣泛應用(yòng)，同時對數控機床定位精(jīng)度、重複定位精(jīng)度也日益提高，原來精(jīng)密滾珠絲杠加編碼器式的半閉環控制系統已無法滿足用(yòng)戶的需求。半閉環控制系統無法控制機床傳動機構所産生的傳動誤差、高速運轉時傳動機構所産生熱變形誤差以及加工過程中岡傳動系統磨損而産生的誤差，而這些誤差已經嚴重影響到數控機床的加工精(jīng)度及其穩定性。線(xiàn)性光栅尺對數控饑床各線(xiàn)性坐(zuò)标軸進行全閉環控制，消除上述誤差，提高機床的定位精(jīng)度、重複定位精(jīng)度以及精(jīng)度可(kě)靠性，作(zuò)為(wèi)提高數控機床位置精(jīng)度的關鍵部件日益受到用(yòng)戶的青睐。
　　
　　一、線(xiàn)性光栅尺選型
　　
　　(1)準确度等級的選擇數控機床配置線(xiàn)性光栅尺是了提高線(xiàn)性坐(zuò)标軸的定值精(jīng)度、再複定位精(jīng)度，所以光栅尺的準确度等級是首先要考慮的，光栅尺準确度等級有±0.01mm、±0.005mm、±0.003mm、±0.02mm。而我們在設計數控機床時根據設計精(jīng)度要求來選擇準确度等級，值得注意的是在選用(yòng)高精(jīng)度光栅尺時要考慮光栅尺的熱性能(néng)，它是機床工作(zuò)度的關鍵環節，即要求光栅尺的刻線(xiàn)載體(tǐ)的熱膨脹系數與機床光栅尺安(ān)裝(zhuāng)基體(tǐ)的熱膨脹系數相一緻，以克服由于溫度引起的熱變形。
　　
　　另外光栅尺zui大移動速度可(kě)達120m/min，目前可(kě)完全滿足數控機床設計要求；單個光栅尺zui大長(cháng)度為(wèi)3040mm，如控制線(xiàn)性坐(zuò)标軸大于3040mm時可(kě)采用(yòng)光栅尺對接的方式達到所需長(cháng)度。
　　
　　(2)測量方式的選擇光栅尺的測量方式分(fēn)增量式光栅尺和式光栅尺兩種，所謂增量式光栅尺就是光栅掃描頭通過讀出到初始點的相對運動距離而獲得位置信息，為(wèi)了獲得位置，這個初始點就要刻到光栅尺的标尺上作(zuò)為(wèi)參考标記，所以機床開機時必須回參考點才能(néng)進行位置控制。而式光栅尺以不同寬度、不同問距的閃現栅線(xiàn)将位置數據以編碼形式直接制作(zuò)到光栅上，在光栅尺通電(diàn)的同時後續電(diàn)子設備即可(kě)獲得位置信息，不需要移動坐(zuò)标軸找參考點位置，位置值從光栅刻線(xiàn)上直接獲得。
　　
　　式光栅尺比增量式光栅尺成本高20％左右，機床設計師因考慮數控機床的性價比，一般選用(yòng)增量式光栅尺，既能(néng)保證機床運動精(jīng)度又能(néng)降低機床成本。但是式光栅尺開機後不需回參考點的優點是增量式光栅尺無法比拟的，機床在停機或故障斷電(diàn)後開機可(kě)直接從中斷處執行加工程序，不但縮短非加工時間提高生産效率，而且減小(xiǎo)零件廢品率。因此在生産節拍要求格或由多(duō)台數控機床構成的自動生産線(xiàn)上選用(yòng)式光栅尺是zui為(wèi)理(lǐ)想的。
　　
　　(3)輸出信号的選擇光栅尺的輸出信号分(fēn)電(diàn)流正弦波信号、電(diàn)壓正弦波信号、TTL矩形波信号和TTL差動矩形波信号四種，雖然光栅尺輸出信号的波形不同對數控機床線(xiàn)性坐(zuò)标軸的定位精(jīng)度、重複定位精(jīng)度沒有影響，但必須與數控機床系統相匹配，如果輸出信号的波形與數控機床系統不匹配，導緻機床系統無法處理(lǐ)光栅尺的輸出信号，反饋信息、補償誤差對機床線(xiàn)性坐(zuò)标軸全閉環控制無從談起。在實踐中确有輸出信号的波形與數控機床系統不匹配的情況，不過處理(lǐ)此情況也有辦法，隻要在輸出信号與機床系統間加裝(zhuāng)一個數字化電(diàn)子裝(zhuāng)置(如：HEIDENHAINDE的IBV600系列的細分(fēn)和數字化電(diàn)子裝(zhuāng)置)，就很(hěn)容易解決了。
　　
　　卧式加工中心Z向線(xiàn)性坐(zuò)标軸為(wèi)例，介紹光栅尺的調整安(ān)裝(zhuāng)過程。
　　
　　(1)光栅尺安(ān)裝(zhuāng)基準面的加工加工光栅尺定尺、動尺的安(ān)裝(zhuāng)基準面，保證與導軌的平行在0.02mm以内，按坐(zuò)标尺寸加工出定尺結合螺釘孔。
　　
　　(2)清理(lǐ)各安(ān)裝(zhuāng)基準面，将專用(yòng)安(ān)裝(zhuāng)具1固定在定尺安(ān)裝(zhuāng)面上，動尺支架2與專用(yòng)安(ān)裝(zhuāng)具可(kě)靠連接，按實測尺寸配磨調整墊3，配作(zuò)動尺支架與滑座結合螺釘及錐銷
　　
　　激光幹涉儀測量)。
　　
　　參數：P1852．各軸快速時的反向間隙補償值。
　　
　　設定值：按快速(例如10000mm/min)時檢測的反向間隙值設定(用(yòng)激光幹涉儀測量)。
　　
　　參數：P1800#4RBK。
　　
　　設定值：此位參數設定為(wèi)1，則切削和快速的反向間隙可(kě)以分(fēn)别生效。
　　
　　2.螺距誤差的補償
　　
　　數控系統一般每軸設置zui大可(kě)達128點的螺距誤差補償點數。必要時，可(kě)對某軸進行補償，一般習慣是按50mm或100mm的間隔進行補償，為(wèi)了提高精(jīng)度，建議用(yòng)5mm或10mm的間隔進行補償，效果更好。
　　
　　3.補償計數器的設定
　　
　　全閉環控制時，通常設定補償計數器，以FANUCOi系統為(wèi)例，說明如下：參數：P2010#5HBBL反向問隙補償值加到誤差計數器中。
　　
　　設定值：設定為(wèi)0，表示為(wèi)半閉環方式(标準設定)。
　　
　　參數：P2010#4HBPE螺距誤差補償值加到誤差計數器中。
　　
　　設定值：設定為(wèi)0，表示為(wèi)全閉環方式(标準設定)。
　　
　　4.提高增益設定
　　
　　在無振動的前提下，盡量提高位置環增益P1825，速度環增益P2043、P2045及負載慣量比P2021等參數。
　　
　　五、結論
　　
　　總結分(fēn)析以上因素，有互相統一的一面，合理(lǐ)選取光栅尺，正确使用(yòng)使其物(wù)盡其能(néng)；也有互相矛盾的一面，安(ān)裝(zhuāng)位置既要盡可(kě)能(néng)靠近驅動軸線(xiàn)，又要盡量遠(yuǎn)離機床的發熱源(如絲杠副)，這就要看機床設計師，怎樣兼顧折衷考慮各方面因素，綜合考慮光栅尺選型、設計、安(ān)裝(zhuāng)、捌試等因素，得到比較合理(lǐ)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試，一台數控機床一般都能(néng)獲得很(hěn)好的位置精(jīng)度(定位精(jīng)度、重複定位精(jīng)度)，達到機床設計要求，能(néng)很(hěn)容易滿足用(yòng)戶的需求，對數控機床的制造廠家和使用(yòng)用(yòng)戶有着非凡的現實意義。