華中8型數(shù)控車床的半閉環(huán)改裝全閉環(huán)研究

摘要：數(shù)控機床作為當代機械制造業(yè)的主流裝備，其測量反饋系統(tǒng)對數(shù)控機床的制造精度起著至關重要的作用。文章通過半閉環(huán)和閉環(huán)控制精度的對比，闡述了閉環(huán)系統(tǒng)的高精度控制，經(jīng)過對光柵尺的選擇、安裝調(diào)試和相關驅(qū)動器參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)的設置，論述了半閉環(huán)數(shù)控車床改裝全閉環(huán)數(shù)控車床的設計和安裝調(diào)試的實現(xiàn)。

關鍵詞： 半閉環(huán)控制 全閉環(huán)控制 光柵尺 間隙補償 精準制造

伴隨著制造業(yè)的迅速發(fā)展，制造業(yè)的精準制造已經(jīng)成為行業(yè)的共識，加工高精度的產(chǎn)品一定要有高精度的設備作為支撐，數(shù)控機床是當代機械制造業(yè)的主流裝備，是市場熱門商品，原來半閉環(huán)控制數(shù)控機床是將位置檢測裝置安裝在伺服電機的端部或是絲桿的端部，通過間接測量絲桿的角位移從而得到工作臺的實際位置，再對工作臺的實際位移量進行補償，它沒有直接測量出工作臺的實際位移，然而因為伺服進給電機與絲桿不同軸、絲桿的熱脹冷縮、絲桿的螺距誤差、傳動間隙、彈性變形等都影響了機床的精度，但在半閉環(huán)系統(tǒng)里測量反饋元件就沒有檢測機械部分的精度，這就影響了數(shù)控機床的總體控制精度。目前半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)已無法滿足用戶的需求，數(shù)控機床為了滿足現(xiàn)代制造業(yè)的需求，不斷向高速和高精度數(shù)控機床發(fā)展。 將位置檢測器裝置直接安裝在工作臺上的全閉環(huán)數(shù)控機床， 它能直接檢測機床的實際位置反饋信號，隨時進行比較，根據(jù)其差值與指令進給位移的要求，按照一定的規(guī)律轉換后，隨時對驅(qū)動電機的轉速進行校正，提高了控制精度。但全閉環(huán)數(shù)控機床一般價格都比較昂貴，對于很多已經(jīng)購買了半閉環(huán)數(shù)控機床的企業(yè)來說，重新采購的話，成本必然很高，然而根據(jù)加工零部件的需要，購買相關部件，改裝全閉環(huán)機床無疑是節(jié)約成本，提高精度的良策。

1.選擇光柵考慮的主要因素：

大部分的設備都能用的是方波輸出的光柵尺，工作電壓有5V，24V的，然后主要選擇精度等級、測量行程、分辨率、輸出的是ABZ相還是帶有反相信號的差分輸出尺。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，絕對位置值從光柵尺比增量式光柵尺成本高 20%左右，機床設刻線上直接獲得。

2.安裝注意事項：

2.1.光柵尺體的唇形密封條部分必須避開切削液濺落方向，這樣有利于尺體的有效密封。

2.2.動態(tài)特性要求高，或切削振動大的場合采用尺體全長固定方式。

2.3.在安裝條件允許的情況下，優(yōu)先選擇把讀書頭安裝在相對固定的部件上，這樣有利于輸出導線的布置。

2.4.尺體相對于導軌運動方向的平行度誤差不大于0.2毫米。

2.5.尺體相對安裝面的平行度誤差不大于0.2毫米。

2.6.讀書頭與尺體間隙控制在1～1.5mm以內(nèi)，誤差不大于0.2毫米。

2.7.位移傳感器限位裝置光柵線位移傳感器全部安裝完以后，一定要在機床導軌上安裝限位裝置，以免機床加工產(chǎn)品移動時讀數(shù)頭沖撞到主尺兩端，從而損壞光柵尺。另外，用戶在選購光柵線位移傳感器時，應盡量選用超出機床加工尺寸100mm左右的光柵尺，以留有余量。

3.下面以華中數(shù)控808型系統(tǒng)為例，介紹數(shù)控車床X軸的半閉環(huán)改裝全閉環(huán)流程。

3.1.光柵尺選型

改裝前要保證數(shù)控系統(tǒng)、驅(qū)動器、光柵尺相關性能要相互支持，機床在半閉環(huán)情況下是正常狀態(tài)。根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)和驅(qū)動器及機床X軸行程選擇中科院長春光機所的JC09型號光柵尺，有效行程295毫米，分辨率0.01微米。

3.2.光柵尺安裝

將主尺安裝在機床的工作臺（小拖板）上，隨機床走刀而動，讀數(shù)頭固定在床身上，并找正，布好線，安裝圖如下，傳感器應附帶加裝護罩，護罩的設計是按照傳感器的外形截面放大留一定的空間尺寸確定，護罩通常采用橡皮密封，使其具備一定的防水防油能力。

3.3.相關參數(shù)設置

改裝前先開機將數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)X軸的補償值清零，關機再將光柵尺的信號線插入驅(qū)動器的XS6接口，將X軸電機動力電源線斷開。

3.3.1.開機修改如下驅(qū)動器參數(shù)，并保存。

PA34=2003（修改驅(qū)動器參數(shù)允許），STB12=1（驅(qū)動器識別光柵尺協(xié)議），STB13=0，STB14=1，PA10=0，PB54=默認值（全閉環(huán)跟蹤誤差），PB55=3（分頻比），PB53=200（驅(qū)動器上電使能時間），PA34=1230（保存允許）。

3.3.2.修改系統(tǒng)軸參數(shù)

100004參數(shù)電子齒輪比分子為4000，100005號參數(shù)電子齒輪比分母為50000，100067號電機每轉脈沖數(shù)為50000；設備6中的506015號反饋位置循環(huán)脈沖數(shù)設為50000。

3.3.3.保存參數(shù)并斷電，再重新上電。

3.3.4.在顯示畫面中按下“聯(lián)合”顯示，人為的轉動X軸向正方向移動，看機床實際坐標值是否是增大的，否則將驅(qū)動器參數(shù)PA10改為512，一定要確認正確后才能關電，插入X軸電機的電源線，否則可能會發(fā)生飛車現(xiàn)象，損壞機床或光柵尺。

3.4.設置機床參考點

開機手動將X軸移動到參考點位置，設置X軸的機床參考點，計算所得的參考點電機位置數(shù)值輸入到100012號參數(shù)中（編碼器反饋偏置量）。

3.5.設置機床X軸的正負軟限位。

注意正確設置軸的正負軟限位，以免機床超程損壞光柵尺，最好保證光柵尺的定尺兩端和動尺有10mm的空間。

4.結論

通過數(shù)控系統(tǒng)、驅(qū)動器和光柵尺的正確合理配型，優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)和驅(qū)動器的參數(shù)，數(shù)控車床的定位精度、重復定位精度均能提高到幾個微米以內(nèi)，滿足大部分零件的加工精度要求，特別有利于批量生產(chǎn)的產(chǎn)品的一致性。另安裝絕對式光柵尺的機床，在重新開機后無需執(zhí)行參考點回零操作，就立刻重新獲得各個軸的當前絕對位置以及刀具的空間指向，因此可以馬上從中間處開始繼續(xù)原來的加工程序，大大提高了數(shù)控機床的有效加工時間，并對重要部件的狀態(tài)進行實時監(jiān)控，提高機床的可靠性，另外還可以在任何時間確定機床運動部件所處的位置。在實際的過程中，我們可以根據(jù)現(xiàn)有的設備，考慮合理的性價比，選擇滿足加工要求的最佳配置來完成全閉環(huán)改造，不僅可以降低生產(chǎn)成本，也讓眾多中小企業(yè)以較小的代價，跟上快速發(fā)展高精現(xiàn)代加工技術的步伐，對數(shù)控機床廠和數(shù)控制造業(yè)有著重要的意義。

參考文獻：

《數(shù)控機床全閉環(huán)控制淺析 》 機電商情網(wǎng)

《數(shù)控機床裝調(diào)》 華中科技大學出版社 主編：陳澤宇