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數(shù)控機(jī)床線性坐標(biāo)軸的全閉環(huán)控制
閱讀：1059 發(fā)布時(shí)間：2014-7-28
隨著現(xiàn)代制造業(yè)的迅速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床越來(lái)越多地被廣泛應(yīng)用，同時(shí)對(duì)數(shù)控機(jī)床定位精度、重復(fù)定位精度也日益提高，原來(lái)精密滾珠絲杠加編碼器式的半閉環(huán)控制系統(tǒng)已無(wú)法滿足用戶的需求。半閉環(huán)控制系統(tǒng)無(wú)法控制機(jī)床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的傳動(dòng)誤差、高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生熱變形誤差以及加工過(guò)程中岡傳動(dòng)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(duì)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。
下面就線性光柵尺選型、安裝工具設(shè)計(jì)、安裝及數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)測(cè)整等內(nèi)容進(jìn)行了探討，可能有不周之處，請(qǐng)讀者不吝賜教。
一、線性光柵尺選型
(1)準(zhǔn)確度等級(jí)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?gòu)?fù)定位精度，所以光柵尺的準(zhǔn)確度等級(jí)是首先要考慮的，光柵尺準(zhǔn)確度等級(jí)有±0.01mm、±0.005mm、±0.003mm、±0.02mm。而我們?cè)谠O(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)精度要求來(lái)選擇準(zhǔn)確度等級(jí)，值得注意的是在選用高精度光柵尺時(shí)要考慮光柵尺的熱性能，它是機(jī)床工作度的關(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zui大移動(dòng)速度可達(dá)120m/min，目前可*數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)要求；單個(gè)光柵尺zui大長(zhǎng)度為3040mm，如控制線性坐標(biāo)軸大于3040mm時(shí)可采用光柵尺對(duì)接的方式達(dá)到所需長(zhǎng)度。
(2)測(cè)量方式的選擇光柵尺的測(cè)量方式分增量式光柵尺和式光柵尺兩種，所謂增量式光柵尺就是光柵掃描頭通過(guò)讀出到初始點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)距離而獲得位置信息，為了獲得位置，這個(gè)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(kāi)機(jī)時(shí)必須回參考點(diǎn)才能進(jìn)行位置控制。而式光柵尺以不同寬度、不同問(wèn)距的閃現(xiàn)柵線將位置數(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(shí)后續(xù)電子設(shè)備即可獲得位置信息，不需要移動(dòng)坐標(biāo)軸找參考點(diǎn)位置，位置值從光柵刻線上直接獲得。
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(jià)比，一般選用增量式光柵尺，既能保證機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度又能降低機(jī)床成本。但是式光柵尺開(kāi)機(jī)后不需回參考點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)是增量式光柵尺*的，機(jī)床在停機(jī)或故障斷電后開(kāi)機(jī)可直接從中斷處執(zhí)行加工程序，不但縮短非加工時(shí)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(tái)數(shù)控機(jī)床構(gòu)成的自動(dòng)生產(chǎn)線上選用式光柵尺是zui為理想的。
(3)輸出信號(hào)的選擇光柵尺的輸出信號(hào)分電流正弦波信號(hào)、電壓正弦波信號(hào)、TTL矩形波信號(hào)和TTL差動(dòng)矩形波信號(hào)四種，雖然光柵尺輸出信號(hào)的波形不同對(duì)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(méi)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(hào)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)光柵尺的輸出信號(hào)，反饋信息、補(bǔ)償誤差對(duì)機(jī)床線性坐標(biāo)軸全閉環(huán)控制無(wú)從談起。在實(shí)踐中確有輸出信號(hào)的波形與數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)不匹配的情況，不過(guò)處理此情況也有辦法，只要在輸出信號(hào)與機(jī)床系統(tǒng)間加裝一個(gè)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。
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(guò)程。
(1)光柵尺安裝基準(zhǔn)面的加工加工光柵尺定尺、動(dòng)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，將安裝具1固定在定尺安裝面上，動(dòng)尺支架2與安裝具可靠連接，按實(shí)測(cè)尺寸配磨調(diào)整墊3，配作動(dòng)尺支架與滑座結(jié)合螺釘及錐銷，見(jiàn)圖4所示。
激光干涉儀測(cè)量)。
參數(shù)：P1852．各軸快速時(shí)的反向間隙補(bǔ)償值。
設(shè)定值：按快速(例如10000mm/min)時(shí)檢測(cè)的反向間隙值設(shè)定(用激光干涉儀測(cè)量)。
參數(shù)：P1800#4RBK。
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zui大可達(dá)128點(diǎn)的螺距誤差補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)。必要時(shí)，可對(duì)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(shí)，通常設(shè)定補(bǔ)償計(jì)數(shù)器，以FANUCOi系統(tǒng)為例，說(shuō)明如下：參數(shù)：P2010#5HBBL反向問(wèn)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#4HBPE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(wú)振動(dòng)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)。
五、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(dòng)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(jià)比，勢(shì)必取得比較好的控制檢測(cè)效果。
通過(guò)以上幾個(gè)步驟的調(diào)試，一臺(tái)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(duì)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。
下面就線性光柵尺選型、安裝工具設(shè)計(jì)、安裝及數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)測(cè)整等內(nèi)容進(jìn)行了探討，可能有不周之處，請(qǐng)讀者不吝賜教。
一、線性光柵尺選型
(1)準(zhǔn)確度等級(jí)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?gòu)?fù)定位精度，所以光柵尺的準(zhǔn)確度等級(jí)是首先要考慮的，光柵尺準(zhǔn)確度等級(jí)有±0.01mm、±0.005mm、±0.003mm、±0.02mm。而我們?cè)谠O(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)精度要求來(lái)選擇準(zhǔn)確度等級(jí)，值得注意的是在選用高精度光柵尺時(shí)要考慮光柵尺的熱性能，它是機(jī)床工作度的關(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zui大移動(dòng)速度可達(dá)120m/min，目前可*數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)要求；單個(gè)光柵尺zui大長(zhǎng)度為3040mm，如控制線性坐標(biāo)軸大于3040mm時(shí)可采用光柵尺對(duì)接的方式達(dá)到所需長(zhǎng)度。
(2)測(cè)量方式的選擇光柵尺的測(cè)量方式分增量式光柵尺和式光柵尺兩種，所謂增量式光柵尺就是光柵掃描頭通過(guò)讀出到初始點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)距離而獲得位置信息，為了獲得位置，這個(gè)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(kāi)機(jī)時(shí)必須回參考點(diǎn)才能進(jìn)行位置控制。而式光柵尺以不同寬度、不同問(wèn)距的閃現(xiàn)柵線將位置數(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(shí)后續(xù)電子設(shè)備即可獲得位置信息，不需要移動(dòng)坐標(biāo)軸找參考點(diǎn)位置，位置值從光柵刻線上直接獲得。
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(jià)比，一般選用增量式光柵尺，既能保證機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度又能降低機(jī)床成本。但是式光柵尺開(kāi)機(jī)后不需回參考點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)是增量式光柵尺*的，機(jī)床在停機(jī)或故障斷電后開(kāi)機(jī)可直接從中斷處執(zhí)行加工程序，不但縮短非加工時(shí)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(tái)數(shù)控機(jī)床構(gòu)成的自動(dòng)生產(chǎn)線上選用式光柵尺是zui為理想的。
(3)輸出信號(hào)的選擇光柵尺的輸出信號(hào)分電流正弦波信號(hào)、電壓正弦波信號(hào)、TTL矩形波信號(hào)和TTL差動(dòng)矩形波信號(hào)四種，雖然光柵尺輸出信號(hào)的波形不同對(duì)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(méi)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(hào)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)光柵尺的輸出信號(hào)，反饋信息、補(bǔ)償誤差對(duì)機(jī)床線性坐標(biāo)軸全閉環(huán)控制無(wú)從談起。在實(shí)踐中確有輸出信號(hào)的波形與數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)不匹配的情況，不過(guò)處理此情況也有辦法，只要在輸出信號(hào)與機(jī)床系統(tǒng)間加裝一個(gè)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。
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(guò)程。
(1)光柵尺安裝基準(zhǔn)面的加工加工光柵尺定尺、動(dòng)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，將安裝具1固定在定尺安裝面上，動(dòng)尺支架2與安裝具可靠連接，按實(shí)測(cè)尺寸配磨調(diào)整墊3，配作動(dòng)尺支架與滑座結(jié)合螺釘及錐銷，見(jiàn)圖4所示。
激光干涉儀測(cè)量)。
參數(shù)：P1852．各軸快速時(shí)的反向間隙補(bǔ)償值。
設(shè)定值：按快速(例如10000mm/min)時(shí)檢測(cè)的反向間隙值設(shè)定(用激光干涉儀測(cè)量)。
參數(shù)：P1800#4RBK。
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zui大可達(dá)128點(diǎn)的螺距誤差補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)。必要時(shí)，可對(duì)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(shí)，通常設(shè)定補(bǔ)償計(jì)數(shù)器，以FANUCOi系統(tǒng)為例，說(shuō)明如下：參數(shù)：P2010#5HBBL反向問(wèn)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#4HBPE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(wú)振動(dòng)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)。
五、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(dòng)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(jià)比，勢(shì)必取得比較好的控制檢測(cè)效果。
通過(guò)以上幾個(gè)步驟的調(diào)試，一臺(tái)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(duì)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。