淺析數(shù)控機床線性坐標軸的全閉環(huán)控制
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隨著現(xiàn)代制造業(yè)的迅速發(fā)展，數(shù)控機床越來越多地被廣泛應用，同時對數(shù)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(huán)控制系統(tǒng)已無法滿足用戶的需求。半閉環(huán)控制系統(tǒng)無法控制機床傳動機構(gòu)所產(chǎn)生的傳動誤差、高速運轉(zhuǎn)時傳動機構(gòu)所產(chǎn)生熱變形誤差以及加工過程中岡傳動系統(tǒng)磨損而產(chǎn)生的誤差，而這些誤差已經(jīng)嚴重影響到數(shù)控機床的加工精度及其穩(wěn)定性。線性光柵尺對數(shù)控機床各線性坐標軸進行全閉環(huán)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(shù)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(shù)控系統(tǒng)參數(shù)測整等內(nèi)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(shù)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(shù)控機床時根據(jù)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(huán)節(jié)，即要求光柵尺的刻線載體的熱膨脹系數(shù)與機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速度可達120m/min，目前可完全滿足數(shù)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(xiàn)柵線將絕對位置數(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后續(xù)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(shù)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(yōu)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(zhí)行加工程序，不但縮短非加工時間提高生產(chǎn)效率，而且減小零件廢品率。因此在生產(chǎn)節(jié)拍要求格或由多臺數(shù)控機床構(gòu)成的自動生產(chǎn)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(shù)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(shù)控機床系統(tǒng)相匹配，如果輸出信號的波形與數(shù)控機床系統(tǒng)不匹配，導致機床系統(tǒng)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(huán)控制無從談起。在實踐中確有輸出信號的波形與數(shù)控機床系統(tǒng)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(tǒng)間加裝一個數(shù)字化電子裝置（如：HEIDENHAINDE的IBV600系列的細分和數(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)設計
光柵尺的結(jié)構(gòu)設計與安裝比光柵尺選型更重要，無論哪個環(huán)節(jié)處理不當，都嚴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.行走姿勢對光柵尺檢測精度的影響
（1）驅(qū)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(zhuǎn)動，出現(xiàn)擺動等不穩(wěn)定現(xiàn)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(jié)構(gòu)、加工誤差的限制，驅(qū)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(xiàn)了擺動的現(xiàn)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(xiàn)擺動的現(xiàn)象，如圖1所示。
圖1 行走姿勢變化示意圖
（3）光柵尺的安裝位置盡可能靠近驅(qū)動軸線大多數(shù)機床的線性坐標軸驅(qū)動系統(tǒng)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(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，而實際沒有達到數(shù)控機床所要求的精度。
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