數(shù)控機(jī)床線性坐標(biāo)軸的全閉環(huán)控制

1、安全技術(shù)數(shù)控機(jī)床線性坐標(biāo)軸的全閉環(huán)控制 隨著現(xiàn)代制造業(yè)的快速進(jìn)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)掌握系統(tǒng)已無(wú)法滿意用戶的需求。半閉環(huán)掌握系統(tǒng)無(wú)法掌握機(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)峻影響到數(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)掌握，消退上述誤差，提高機(jī)床的定位精度、重復(fù)定位精度以及精度牢靠性，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

2、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。(風(fēng)險(xiǎn)管理世界-.RiskMW.com) 一、線性光柵尺選型 (1)精確度等級(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，所以光柵尺的精確度等級(jí)是首先要考慮的，光柵尺精確度等級(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)依據(jù)設(shè)計(jì)精度要求來(lái)選擇精確度等級(jí)，值得留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)相全都，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

3、可達(dá)120m/min，目前可完全滿意數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)要求;單個(gè)光柵尺最大長(zhǎng)度為3040mm，如掌握線性坐標(biāo)軸大于3040mm時(shí)可采納光柵尺對(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肯定式光柵尺兩種，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，為了獲得肯定位置，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)必需回參考點(diǎn)才能進(jìn)行位置掌握。而肯定式光柵尺以不同寬度、不同問(wèn)距的出現(xiàn)柵線將肯定位置數(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，肯定位置值從光柵刻線上

4、直接獲得。 肯定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。但是肯定式光柵尺開(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)線上選用肯定式光柵尺是最為抱負(fù)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

5、響，但必需與數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)相匹配，假如輸出信號(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)掌握無(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)不匹配的狀況，不過(guò)處理此狀況也有方法，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)，就很簡(jiǎn)單解決了。 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)峻影響光柵尺的掌握精度，有可能消失全閉環(huán)精度反而不如半閉環(huán)的現(xiàn)象。 1.行走姿態(tài)對(duì)光柵尺檢測(cè)精度的影響 (1)驅(qū)動(dòng)軸線與載重

6、中點(diǎn)位置的重合度眾所周知，推著物體移動(dòng)時(shí)，假如沒(méi)有推到其中點(diǎn)位置，很簡(jiǎn)單造成物體轉(zhuǎn)動(dòng)，消失搖擺等不穩(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)位置有肯定的距離，導(dǎo)致了絲杠拖動(dòng)載重物時(shí)消失了搖擺的現(xiàn)象。 (2)導(dǎo)軌阻尼特性的全都性兩條導(dǎo)軌阻尼特性的全都性也是一項(xiàng)很重要的影響因素。兩條導(dǎo)軌阻尼特性的不全都也很簡(jiǎn)單造成物體消失搖擺的現(xiàn)象。 (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

7、尺安裝位置靠近掌握軸的工作基準(zhǔn)面，越近所形成的阿貝誤差越小，光柵尺掌握的位置精度越高，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，推舉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。 雖然光柵尺的安裝位置比較靠近驅(qū)動(dòng)軸線，但是安裝位置究竟與驅(qū)動(dòng)軸線有肯定距離，這一點(diǎn)距離和驅(qū)動(dòng)時(shí)物體的搖擺相結(jié)合后，對(duì)光柵尺的檢測(cè)掌握帶來(lái)了很大的麻煩。當(dāng)驅(qū)動(dòng)物體向光柵尺安裝側(cè)搖擺時(shí)，光柵尺在檢測(cè)時(shí)誤認(rèn)為移動(dòng)速度不足，系統(tǒng)則給出加速信號(hào)，而驅(qū)動(dòng)物體立刻向另一側(cè)搖擺，光柵尺

8、在檢測(cè)時(shí)又誤認(rèn)為移動(dòng)速度太快，系統(tǒng)則給出減速信號(hào)，這樣反反復(fù)復(fù)運(yùn)行，竟然沒(méi)有改善數(shù)控機(jī)床各線性坐標(biāo)軸的掌握，反而加劇了驅(qū)動(dòng)物體的振動(dòng)，導(dǎo)致了全閉環(huán)不如半閉環(huán)的奇怪現(xiàn)象。由此看來(lái)，驅(qū)動(dòng)物體驅(qū)動(dòng)軸線的位置設(shè)計(jì)、光柵尺的安裝位置和兩條導(dǎo)軌的阻尼特性至關(guān)重要，必需引起機(jī)床設(shè)計(jì)師的高度重視，在設(shè)計(jì)機(jī)床時(shí)必需仔細(xì)考慮備方面因素，勢(shì)必取得良好的、滿意設(shè)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(qiáng)度 光柵尺安裝位置要有足夠剛性和強(qiáng)度也是保證光柵尺正常工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。光柵尺是通過(guò)光電掃描原理來(lái)工作的，因此光柵尺不能處于強(qiáng)振動(dòng)狀態(tài)，振動(dòng)引起光源不穩(wěn)定影響光柵尺的掌握精度。所以安裝位置最好

9、與機(jī)床的結(jié)實(shí)鑄件為一體，即使由于結(jié)構(gòu)緣由需用連接件，那么要求連接件與機(jī)體之間的整個(gè)結(jié)合而接觸良好，連接剛性足，以防止結(jié)合與連接處產(chǎn)生薄弱環(huán)節(jié)引起強(qiáng)振動(dòng)影響光柵尺的正常工作，最終導(dǎo)致加工中心定位精度的降低。 3.光柵尺安裝位置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離機(jī)床的發(fā)熱源 光柵尺安裝位置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離機(jī)床的發(fā)熱源，以避開(kāi)溫度的影響，、光柵尺原來(lái)不怕受熱，整體環(huán)境溫度對(duì)光柵尺的影響很小，可是機(jī)床的熱源(如滾珠絲杠副)在局部產(chǎn)生不確定溫升而產(chǎn)生誤差，并且這種誤差很難掌握也很難實(shí)時(shí)修正和補(bǔ)償，假如光柵尺貼近這些地方，勢(shì)必影響光柵尺的掌握精度。 4.光柵尺安裝位置的防護(hù)特別重要 (1)在現(xiàn)代機(jī)床中，用戶一般都要求大流量冷卻，而在大

10、流量沖洗時(shí)，會(huì)有切削液飛濺到光柵尺上，光柵尺的工作環(huán)境也布滿了潮濕、帶有冷卻噴霧的空氣，在這種環(huán)境下光柵簡(jiǎn)單產(chǎn)生冷凝現(xiàn)象，掃瞄頭上易結(jié)下一層薄膜。這樣以來(lái)，就會(huì)導(dǎo)致光柵尺的光線投射不佳，再加上光柵簡(jiǎn)單留下水跡，嚴(yán)峻影響光柵的測(cè)量。假如加工后的切屑在光柵四周積累造成排屑、排水不暢，會(huì)致使光柵尺浸泡在切削液和雜質(zhì)中，有從而影響到光柵的使用，更嚴(yán)峻的會(huì)使光柵尺損壞，使整機(jī)處于癱瘓狀態(tài)。 (2)假如光柵尺處于很強(qiáng)的冷卻噴霧或粉塵中，可通過(guò)壓縮空氣處理，但壓縮空氣必需經(jīng)過(guò)過(guò)濾器凈化，并按ISO 85731符合下列雜質(zhì)質(zhì)量等級(jí)要求。 三、線性光柵尺的安裝 光柵尺的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2所示，它是由定尺體1和動(dòng)尺讀數(shù)頭

11、2組成。光柵尺的定尺體是一個(gè)鋁外殼，用以愛(ài)護(hù)其內(nèi)的標(biāo)尺、掃描單元及其導(dǎo)軌不受切屑、灰塵和噴濺水的損害。動(dòng)尺讀數(shù)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(lái)補(bǔ)償少量的導(dǎo)軌機(jī)械誤差。 四、數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整 1.反向間隙的補(bǔ)償 首先要求機(jī)械安裝完成后的反向間隙必需保證在肯定范圍內(nèi)。反向間隙在不同速度下切換方向時(shí)的數(shù)值不同，所以反向間隙補(bǔ)償時(shí)對(duì)進(jìn)給和快速移動(dòng)分開(kāi)進(jìn)行補(bǔ)償，傳統(tǒng)習(xí)慣上只是設(shè)定前者，這是不科學(xué)的。以FANUC Oi系統(tǒng)為例，說(shuō)明如下： 參數(shù)：P1851：各軸進(jìn)給時(shí)的反向間隙補(bǔ)償值。 沒(méi)定值：按切削進(jìn)給(一般取5001000mm/min)時(shí)檢測(cè)的反向間隙值

12、設(shè)定(用激光干涉儀測(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#4 RBK。 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)置最大可達(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)掌握時(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)：P2021#5 HBBL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)：P2021#4 HBPE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P2