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深度剖析数控机床线性坐标轴的全闭环控制

2019年03月26日 10:35:22 中国传动网

随着现代制造业的迅速发展,数控机床越来越多地被广泛应用,同时对数控机床定位精度、重复定位精度也日益提高,原来精密滚珠丝杠加编码器式的半闭环控制系统已无法满足用户的需求。半闭环控制系统无法控制机床传动机构所产生的传动误差、高速运转时传动机构所产生热变形误差以及加工过程中冈传动系统磨损而产生的误差,而这些误差已经严重影响到数控机床的加工精度及其稳定性。线性光栅尺对数控饥床各线性坐标轴进行全闭环控制,消除上述误差,提高机床的定位精度、重复定位精度以及精度可靠性,作为提高数控机床位置精度的关键部件日益受到用户的青睐。

一、线性光栅尺选型

(1)准确度等级的选择数控机床配置线性光栅尺是了提高线性坐标轴的定值精度、再复定位精度,所以光栅尺的准确度等级是首先要考虑的,光栅尺准确度等级有±0.01mm、±0.005mm、±0.003mm、±0.02mm。而我们在设计数控机床时根据设计精度要求来选择准确度等级,值得注意的是在选用高精度光栅尺时要考虑光栅尺的热性能,它是机床工作精确度的关键环节,即要求光栅尺的刻线载体的热膨胀系数与机床光栅尺安装基体的热膨胀系数相一致,以克服由于温度引起的热变形。

另外光栅尺最大移动速度可达120m/min,目前可完全满足数控机床设计要求;单个光栅尺最大长度为3040mm,如控制线性坐标轴大于3040mm时可采用光栅尺对接的方式达到所需长度。

(2)测量方式的选择光栅尺的测量方式分增量式光栅尺和绝对式光栅尺两种,所谓增量式光栅尺就是光栅扫描头通过读出到初始点的相对运动距离而获得位置信息,为了获得绝对位置,这个初始点就要刻到光栅尺的标尺上作为参考标记,所以机床开机时必须回参考点才能进行位置控制。而绝对式光栅尺以不同宽度、不同问距的闪现栅线将绝对位置数据以编码形式直接制作到光栅上,在光栅尺通电的同时后续电子设备即可获得位置信息,不需要移动坐标轴找参考点位置,绝对位置值从光栅刻线上直接获得。

绝对式光栅尺比增量式光栅尺成本高20%左右,机床设计师因考虑数控机床的性价比,一般选用增量式光栅尺,既能保证机床运动精度又能降低机床成本。但是绝对式光栅尺开机后不需回参考点的优点是增量式光栅尺无法比拟的,机床在停机或故障断电后开机可直接从中断处执行加工程序,不但缩短非加工时间提高生产效率,而且减小零件废品率。因此在生产节拍要求格或由多台数控机床构成的自动生产线上选用绝对式光栅尺是最为理想的。

(3)输出信号的选择光栅尺的输出信号分电流正弦波信号、电压正弦波信号、TTL矩形波信号和TTL差动矩形波信号四种,虽然光栅尺输出信号的波形不同对数控机床线性坐标轴的定位精度、重复定位精度没有影响,但必须与数控机床系统相匹配,如果输出信号的波形与数控机床系统不匹配,导致机床系统无法处理光栅尺的输出信号,反馈信息、补偿误差对机床线性坐标轴全闭环控制无从谈起。在实践中确有输出信号的波形与数控机床系统不匹配的情况,不过处理此情况也有办法,只要在输出信号与机床系统间加装一个数字化电子装置(如:HEIDENHAINDE的IBV600系列的细分和数字化电子装置),就很容易解决了。

卧式加工中心Z向线性坐标轴为例,介绍光栅尺的调整安装过程。

(1)光栅尺安装基准面的加工加工光栅尺定尺、动尺的安装基准面,保证与导轨的平行在0.02mm以内,按坐标尺寸加工出定尺结合螺钉孔。

(2)清理各安装基准面,将专用安装具1固定在定尺安装面上,动尺支架2与专用安装具可靠连接,按实测尺寸配磨调整垫3,配作动尺支架与滑座结合螺钉及锥销。

激光干涉仪测量)。

参数:P1852.各轴快速时的反向间隙补偿值。

设定值:按快速(例如10000mm/min)时检测的反向间隙值设定(用激光干涉仪测量)。

参数:P1800#4RBK。

设定值:此位参数设定为1,则切削和快速的反向间隙可以分别生效。

2.螺距误差的补偿

数控系统一般每轴设置最大可达128点的螺距误差补偿点数。必要时,可对某轴进行补偿,一般习惯是按50mm或100mm的间隔进行补偿,为了提高精度,建议用5mm或10mm的间隔进行补偿,效果更好。

3.补偿计数器的设定

全闭环控制时,通常设定补偿计数器,以FANUCOi系统为例,说明如下:参数:P2010#5HBBL反向问隙补偿值加到误差计数器中。

设定值:设定为0,表示为半闭环方式(标准设定)。

参数:P2010#4HBPE螺距误差补偿值加到误差计数器中。

设定值:设定为0,表示为全闭环方式(标准设定)。

4.提高增益设定

在无振动的前提下,尽量提高位置环增益P1825,速度环增益P2043、P2045及负载惯量比P2021等参数。

五、结论

总结分析以上因素,有互相统一的一面,合理选取光栅尺,正确使用使其物尽其能;也有互相矛盾的一面,安装位置既要尽可能靠近驱动轴线,又要尽量远离机床的发热源(如丝杠副),这就要看机床设计师,怎样兼顾折衷考虑各方面因素,综合考虑光栅尺选型、设计、安装、捌试等因素,得到比较合理的性价比,势必取得比较好的控制检测效果。

通过以上几个步骤的调试,一台数控机床一般都能获得很好的位置精度(定位精度、重复定位精度),达到机床设计要求,能很容易满足用户的需求,对数控机床的制造厂家和使用用户有着非凡的现实意义。

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供稿:来源 | 工控论坛

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