淺析數控機床線(xiàn)性坐標軸的全閉環(huán)控制
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隨著(zhù)現代制造業(yè)的迅速發(fā)展，數控機床越來(lái)越多地被廣泛應用，同時(shí)對數控機床定位精度、重復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)控制系統已無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。半閉環(huán)控制系統無(wú)法控制機床傳動(dòng)機構所產(chǎn)生的傳動(dòng)誤差、高速運轉時(shí)傳動(dòng)機構所產(chǎn)生熱變形誤差以及加工過(guò)程中岡傳動(dòng)系統磨損而產(chǎn)生的誤差，而這些誤差已經(jīng)嚴重影響到數控機床的加工精度及其穩定性。線(xiàn)性光柵尺對數控機床各線(xiàn)性坐標軸進(jìn)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，作為提高數控機床位置精度的關(guān)鍵部件日益受到用戶(hù)的青睞。
下面就線(xiàn)性光柵尺選型、安裝專(zhuān)用工具設計、安裝及數控系統參數測整等內容進(jìn)行了探討，可能有不周之處，請讀者不吝賜教。
一、線(xiàn)性光柵尺選型
（1）準確度等級的選擇數控機床配置線(xiàn)性光柵尺是了提高線(xiàn)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(shí)根據設計精度要求來(lái)選擇準確度等級，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，它是機床工作精確度的關(guān)鍵環(huán)節，即要求光柵尺的刻線(xiàn)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(dòng)速度可達120m/min，目前可完全滿(mǎn)足數控機床設計要求；單個(gè)光柵尺最大長(cháng)度為3040mm，如控制線(xiàn)性坐標軸大于3040mm時(shí)可采用光柵尺對接的方式達到所需長(cháng)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(guò)讀出到初始點(diǎn)的相對運動(dòng)距離而獲得位置信息，為了獲得絕對位置，這個(gè)初始點(diǎn)就要刻到光柵尺的標尺上作為參考標記，所以機床開(kāi)機時(shí)必須回參考點(diǎn)才能進(jìn)行位置控制。而絕對式光柵尺以不同寬度、不同問(wèn)距的閃現柵線(xiàn)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(shí)后續電子設備即可獲得位置信息，不需要移動(dòng)坐標軸找參考點(diǎn)位置，絕對位置值從光柵刻線(xiàn)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?xún)r(jià)比，一般選用增量式光柵尺，既能保證機床運動(dòng)精度又能降低機床成本。但是絕對式光柵尺開(kāi)機后不需回參考點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)是增量式光柵尺無(wú)法比擬的，機床在停機或故障斷電后開(kāi)機可直接從中斷處執行加工程序，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)節拍要求格或由多臺數控機床構成的自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)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(dòng)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(xiàn)性坐標軸的定位精度、重復定位精度沒(méi)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(wú)法處理光柵尺的輸出信號，反饋信息、補償誤差對機床線(xiàn)性坐標軸全閉環(huán)控制無(wú)從談起。在實(shí)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(guò)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(gè)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。
SCR3923光柵尺光柵尺
二、線(xiàn)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(wú)論哪個(gè)環(huán)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(huán)精度反而不如半閉環(huán)的現象。
1.行走姿勢對光柵尺檢測精度的影響
（1）驅動(dòng)軸線(xiàn)與載重中點(diǎn)位置的重合度眾所周知，推著(zhù)物體移動(dòng)時(shí)，如果沒(méi)有推到其中點(diǎn)位置，很容易造成物體轉動(dòng)，出現擺動(dòng)等不穩定現象。要求動(dòng)軸線(xiàn)盡量與載重中點(diǎn)位置重合，而實(shí)踐中由于受結構、加工誤差的限制，驅動(dòng)軸線(xiàn)與載重中點(diǎn)位置有一定的距離，導致了絲杠拖動(dòng)載重物時(shí)出現了擺動(dòng)的現象。
（2）導軌阻尼特性的一致性?xún)蓷l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(dòng)的現象，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動(dòng)軸線(xiàn)大多數機床的線(xiàn)性坐標軸驅動(dòng)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(xiàn)的位置上，這樣的話(huà)，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(shí)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(shí)際沒(méi)有達到數控機床所要求的精度。
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