淺析數控機床線性坐標軸的全閉環控制

隨著現代制造業的迅速發展，數控機床越來越多地被廣泛應用，同時對數控機床定位精度、重復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控制系統已無法滿足用戶的需求。半閉環控制系統無法控制機床傳動機構所產生的傳動誤差、高速運轉時傳動機構所產生熱變形誤差以及加工過程中岡傳動系統磨損而產生的誤差，而這些誤差已經嚴重影響到數控機床的加工精度及其穩定性。線性光柵尺對數控饑床各線性坐標軸進行全閉環控制，消除上述誤差，提高機床的定位精度、重復定位精度以及精度可靠性，作為提高數控機床位置精度的關鍵部件日益受到用戶的青睞。

　　下面就線性光柵尺選型、安裝專用工具設計、安裝及數控系統參數測整等內容進行了探討，可能有不周之處，請讀者不吝賜教。

　　一、線性光柵尺選型
　　（1）準確度等級的選擇數控機床配置線性光柵尺是了提高線性坐標軸的定值精度、再復定位精度，所以光柵尺的準確度等級是首先要考慮的，光柵尺準確度等級有±0.01mm、±0.005mm、±0.003mm、±0.02mm。而我們在設計數控機床時根據設計精度要求來選擇準確度等級，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，它是機床工作精確度的關鍵環節，即要求光柵尺的刻線載體的熱膨脹系數與機床光柵尺安裝基體的熱膨脹系數相一致，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120m/min，目前可完全滿足數控機床設計要求；單個光柵尺最大長度為3040mm，如控制線性坐標軸大于3040mm時可采用光柵尺對接的方式達到所需長度。

　　（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的相對運動距離而獲得位置信息，為了獲得絕對位置，這個初始點就要刻到光柵尺的標尺上作為參考標記，所以機床開機時必須回參考點才能進行位置控制。而絕對式光柵尺以不同寬度、不同問距的閃現柵線將絕對位置數據以編碼形式直接制作到光柵上，在光柵尺通電的同時后續電子設備即可獲得位置信息，不需要移動坐標軸找參考點位置，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，機床設計師因考慮數控機床的性價比，一般選用增量式光柵尺，既能保證機床運動精度又能降低機床成本。但是絕對式光柵尺開機后不需回參考點的優點是增量式光柵尺無法比擬的，機床在停機或故障斷電后開機可直接從中斷處執行加工程序，不但縮短非加工時間提高生產效率，而且減小零件廢品率。因此在生產節拍要求格或由多臺數控機床構成的自動生產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控機床線性坐標軸的定位精度、重復定位精度沒有影響，但必須與數控機床系統相匹配，如果輸出信號的波形與數控機床系統不匹配，導致機床系統無法處理光柵尺的輸出信號，反饋信息、補償誤差對機床線性坐標軸全閉環控制無從談起。在實踐中確有輸出信號的波形與數控機床系統不匹配的情況，不過處理此情況也有辦法，只要在輸出信號與機床系統間加裝一個數字化電子裝置（如：HEIDENHAINDE的IBV600系列的細分和數字化電子裝置），就很容易解決了。

　　二、線性光柵尺的結構設計
　　光柵尺的結構設計與安裝比光柵尺選型更重要，無論哪個環節處理不當，都嚴重影響光柵尺的控制精度，有可能出現全閉環精度反而不如半閉環的現象。
　　1.行走姿勢對光柵尺檢測精度的影響
　　（1）驅動軸線與載重中點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位置，很容易造成物體轉動，出現擺動等不穩定現象。要求動軸線盡量與載重中點位置重合，而實踐中由于受結構、加工誤差的限制，驅動軸線與載重中點位置有一定的距離，導致了絲杠拖動載重物時出現了擺動的現象。
　　（2）導軌阻尼特性的一致性兩條導軌阻尼特性的一致性也是一項很重要的影響因素。兩條導軌阻尼特性的不一致也很容易造成物體出現擺動的現象，如圖1所示。

　　（3）光柵尺的安裝位置盡可能靠近驅動軸線大多數機床的線性坐標軸驅動系統一般都是運用精密滾珠絲杠副，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，機床定位精度越好。但實踐中由于受結構和空間的限制，光柵尺的安裝方式只有兩種，一種是安裝在近絲杠副側，另一種是安裝在導軌外側。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，而實際沒有達到數控機床所要求的精度。

　　雖然光柵尺的安裝位置比較靠近驅動軸線，但是安裝位置畢竟與驅動軸線有一定距離，這一點距離和驅動時物體的擺動相結合后，對光柵尺的檢測控制帶來了很大的麻煩。當驅動物體向光柵尺安裝側擺動時，光柵尺在檢測時誤認為移動速度不足，系統則給出加速信號，而驅動物體馬上向另一側擺動，光柵尺在檢測時又誤認為移動速度太快，系統則給出減速信號，這樣反反復復運行，居然沒有改善數控機床各線性坐標軸的控制，反而加劇了驅動物體的振動，導致了全閉環不如半閉環的奇特現象。由此看來，驅動物體驅動軸線的位置設計、光柵尺的安裝位置和兩條導軌的阻尼特性至關重要，必須引起機床設計師的高度重視，在設計機床時必須認真考慮備方面因素，勢必取得良好的、滿足設汁要求的效果。

　　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度
　　光柵尺安裝位置要有足夠剛性和強度也是保證光柵尺正常工作的關鍵環節。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振動狀態，振動引起光源不穩定影響光柵尺的控制精度。所以安裝位置最好與機床的堅固鑄件為一體，即使由于結構原因需用連接件，那么要求連接件與機體之間的整個結合而接觸良好，連接剛性足，以防止結合與連接處產生薄弱環節引起強振動影響光柵尺的正常工作，最終導致加工中心定位精度的降低。

　　3.光柵尺安裝位置應盡量遠離機床的發熱源
　　光柵尺安裝位置應盡量遠離機床的發熱源，以避免溫度的影響，、光柵尺本來不怕受熱，整體環境溫度對光柵尺的影響很小，可是機床的熱源（如滾珠絲杠副）在局部產生不確定溫升而產生誤差，并且這種誤差很難控制也很難實時修正和補償，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非常重要
　　（1）在現代機床中，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，光柵尺的工作環境也充滿了潮濕、帶有冷卻噴霧的空氣，在這種環境下光柵容易產生冷凝現象，掃瞄頭上易結下一層薄膜。這樣以來，就會導致光柵尺的光線投射不佳，再加上光柵容易留下水跡，嚴重影響光柵的測量。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中，有從而影響到光柵的使用，更嚴重的會使光柵尺損壞，使整機處于癱瘓狀態。
　　（2）如果光柵尺處于很強的冷卻噴霧或粉塵中，可通過壓縮空氣處理，但壓縮空氣必須經過過濾器凈化，并按ISO 8573—1符合下列雜質質量等級要求，見附表所示。

　　三、線性光柵尺的安裝
　　光柵尺的結構見圖2所示，它是由定尺體1和動尺讀數頭2組成。光柵尺的定尺體是一個鋁外殼，用以保護其內的標尺、掃描單元及其導軌不受切屑、灰塵和噴濺水的傷害。動尺讀數頭包含掃描單元、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，用來補償少量的導軌機械誤差。

　　1.安裝具的設計
　　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，經多次研究設計了一個既經濟又實用的專用安裝具，見圖3所示。

　　2.調整安裝
　　光柵尺的調整安裝是光柵尺使用過程中一個不容忽視的環節，調整安裝的好與壞直接影響光柵尺檢測、控制工作的質量，所以必須引起足夠的重視。現以XH768型臥式加工中心Z向線性坐標軸為例，介紹光柵尺的調整安裝過程。
　　（1）光柵尺安裝基準面的加工加工光柵尺定尺、動尺的安裝基準面，保證與導軌的平行在0.02mm以內，按坐標尺寸加工出定尺結合螺釘孔。
　　（2）清理各安裝基準面，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，按實測尺寸配磨調整墊3，配作動尺支架與滑座結合螺釘及錐銷，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、數控系統參數的調整
　　1.反向間隙的補償
　　首先要求機械安裝完成后的反向間隙必須保證在一定范圍內。反向間隙在不同速度下切換方向時的數值不同，所以反向間隙補償時對進給和快速移動分開進行補償，傳統習慣上只是設定前者，這是不科學的。以FANUC Oi系統為例，說明如下：
　　參數：P1851：各軸進給時的反向間隙補償值。
　　沒定值：按切削進給（一般取500～1000mm/min）時檢測的反向間隙值設定（用激光干涉儀測量）。
　　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（用激光干涉儀測量）。
　　參數：P1800#4 RBK。
　　設定值：此位參數設定為1，則切削和快速的反向間隙可以分別生效。
　　2.螺距誤差的補償
　　數控系統一般每軸設置最大可達128點的螺距誤差補償點數。必要時，可對某軸進行補償，一般習慣是按50mm或100mm的間隔進行補償，為了提高精度，建議用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系統為例，說明如下：參數：P2010#5 HBBL反向問隙補償值加到誤差計數器中。
　　設定值：設定為0，表示為半閉環方式（標準設定）。
　　參數：P2010#4 HBPE螺距誤差補償值加到誤差計數器中。
　　設定值：設定為0，表示為全閉環方式（標準設定）。
　　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
　　總結分析以上因素，有互相統一的一面，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動軸線，又要盡量遠離機床的發熱源（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，綜合考慮光柵尺選型、設計、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試，一臺數控機床一般都能獲得很好的位置精度（定位精度、重復定位精度），達到機床設計要求，能很容易滿足用戶的需求，對數控機床的制造廠家和使用用戶有著非凡的現實意義。