淺析數(shù)控機(jī)床線性坐標(biāo)軸的全閉環(huán)控制
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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)控機(jī)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、安裝專用工具設(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(dòng)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(gè)光柵尺最大長(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絕對(duì)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，為了獲得絕對(duì)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。而絕對(duì)式光柵尺以不同寬度、不同問(wèn)距的閃現(xiàn)柵線將絕對(duì)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，絕對(duì)位置值從光柵刻線上直接獲得。
絕對(duì)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。但是絕對(duì)式光柵尺開(kāi)機(jī)后不需回參考點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)是增量式光柵尺無(wú)法比擬的，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)線上選用絕對(duì)式光柵尺是最為理想的。
（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)無(wú)法處理光柵尺的輸出信號(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。
SCR3923光柵尺光柵尺
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(wú)論哪個(gè)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(shì)對(duì)光柵尺檢測(cè)精度的影響
（1）驅(qū)動(dòng)軸線與載重中點(diǎn)位置的重合度眾所周知，推著物體移動(dòng)時(shí)，如果沒(méi)有推到其中點(diǎn)位置，很容易造成物體轉(zhuǎn)動(dòng)，出現(xiàn)擺動(dòng)等不穩(wěn)定現(xiàn)象。要求動(dòng)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(dòng)軸線與載重中點(diǎn)位置有一定的距離，導(dǎo)致了絲杠拖動(dòng)載重物時(shí)出現(xiàn)了擺動(dòng)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(dòng)的現(xiàn)象，如圖1所示。
圖1 行走姿勢(shì)變化示意圖
（3）光柵尺的安裝位置盡可能靠近驅(qū)動(dòng)軸線大多數(shù)機(jī)床的線性坐標(biāo)軸驅(qū)動(dòng)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(méi)有達(dá)到數(shù)控機(jī)床所要求的精度。
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