全閉環控制與半閉環控制數控車床的探討

程永干

關鍵詞：全閉環控制；半閉環控制；開環控制；檢測裝置

1 引言

用戶在購買機床時，可根據加工工件的需求不同，對機床穩定性、精度、剛性等關注的側重點會有所不同，對精度有特殊要求的用戶經常會提到全閉環控制，但很多人對全閉環控制和半閉環控制缺乏全面的了解，盲目的認為全閉環控制機床就是比半閉環控制機床的好，這是非常片面的觀點，下面就全閉環控制和半閉環控制的機床進行簡單的介紹和對比。

2 原理介紹

數控機床運動鏈包括數控裝置→伺服編碼器→伺服驅動器→電機→絲杠→移動部件，根據位置檢測裝置安裝位置的不同，分為全閉環控制、半閉環控制、開環控制。

2.1 全閉環控制進給伺服系統

將位置檢測裝置（如光柵尺、直線感應同步器等）安裝在機床運動部件（如工作臺、拖板）上，并對移動部件位置進行實時的反饋，通過數控系統處理后將機床的位置狀態告知伺服電機，伺服電機通過系統指令自動進行運動誤差的補償即位置的補償。但由于它將絲杠、螺母副及機床工作臺這些大慣性環節放在閉環內，調試時，其系統的穩定狀態調試就非常麻煩。另外像光柵尺、直線感應同步器這類高精度的測量裝置其價格較高，安裝復雜，很有可能引起振蕩，所以一般機床不使用全閉環控制。下圖為發那科全閉環控制示意圖。

2.2 半閉環控制進給伺服系統

將位置檢測裝置安裝在伺服電機的端部或是絲桿的端部（主要是以安裝在伺服電機的端部為主），用來檢測絲杠的回轉角，間接測出機床運動部件的實際位置，經反饋送回控制系統。由于機械制造水平的提高及速度檢測元件和絲桿螺距精度的提高，半閉環數控機床已能達到相當高的進給精度和定位精度。所以大多數的機床廠家廣泛采用了半閉環數控系統來控制運動部件的定位。

3 實際應用

3.1 全閉環控制系統

位置檢測裝置（如光柵尺、直線感應同步器等）有不同精度等級（±0.02mm、±0.01mm、±0.005mm、±0.001mm、±0.0005mm），所以全閉環控制也會有誤差，定位精度高低受精度等級影響，而且精度等級越高價格越貴。位置檢測裝置熱性能（熱變形），測量裝置一般是非金屬材料，熱膨脹系數與機床各部件不一致，它是機床工作精確度的關鍵環節，所以必須要解決機床加工過程中的發熱問題，以克服由于溫度引起的熱變形。高端機床會采用各種方式，如絲杠中空冷卻、導軌潤滑、切削液恒溫冷卻等方式來降低機床加工過程中的熱變形。位置檢測裝置安裝也十分重要，理論上，越靠近驅動軸線（絲杠副），測量越準確。由于受結構空間限制，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。推薦盡可能選取第一種安裝方式，但給檢修和維護帶來了不方便。反之，即使選擇了高精度的光柵尺，而實際并不能達到數控機床所要求的精度。即使第一種情況，光柵尺的安裝位置比較靠近驅動軸線，但是安裝位置畢竟與驅動軸線有一定距離，這一點距離和驅動時物體的擺動相結合后，對光柵尺的檢測控制帶來了很大的麻煩。當驅動物體向光柵尺安裝側擺動時，光柵尺在檢測時誤認為移動速度不足，系統則給出加速信號，而驅動物體馬上向另一側擺動，光柵尺在檢測時又誤認為移動速度太快，系統則給出減速信號，這樣反反復復運行，這樣不但沒有改善數控機床各線性坐標軸的控制，反而加劇了驅動物體的振動，導致了全閉環不如半閉環的奇特現象。

生產環境影響：

一般機械加工工廠環境比較惡劣，灰塵、振動是常見現象，但光柵尺、直線感應同步器屬于精密元器件，工作原理是靠光的反射來測量相對移動位置，灰塵、振動恰恰是影響測量精度的最大因素。另外，機床在加工工件時，切削油霧、水霧相對比較嚴重，對光柵尺、直線感應同步器影響非常大。所以要使用全閉環控制系統，除了做好安裝密封外，一定要提高生產加工環境。否則，就會出現這種現象，剛買的新機床精度不錯，但用了不到一年，精度不但下降，機床還經常報警，使機床無法正常加工工件。

3.2 半閉環控制系統

由于將測量裝置直接安裝在伺服電機上，這樣就比較容易密封，所以對環境沒有什么特殊的要求。半閉環控制系統的精度誤差主要取決于絲杠的正反向間隙和絲杠的本身加工精度。隨著機械加工工藝的提高，目前進口絲杠的制造工藝水平較高，高精度的絲杠副配合基本消除了正反向間隙。另外在裝配環節，絲杠副采用雙列反向滾珠絲杠副，可以完全消除正反向間隙。另外，很多機床廠，在機床裝配時，將絲杠采用預拉伸方式，消除了機床熱變形對絲杠傳動精度的影響。所以目前半閉環控制系統已經能夠保證機床達到很高的精度。

4 關于機床精度

數控機床的加工精度最終要靠機床本身的精度來保證，數控機床精度包括幾何精度、定位精度、重復定位精度和切削精度。幾何精度，又稱靜態精度，是綜合反映數控機床關鍵零部件經組裝后的綜合幾何形狀誤差。定位精度，是表明所測量的機床各運動部位在數控裝置控制下，運動所能達到的精度。根據實測的定位精度數值，可以判斷出機床自動加工過程中能達到的最好的工件加工精度。工件加工精度是指零件或刀具等實際位置與標準位置（理論位置、理想位置）之間的差距，差距越小，說明精度越高。定位精度高是零件加工精度得以保證的前提。重復定位精度，是指在數控機床上反復運行同一程序代碼所得到的位置精度的一致程度。是在相同條件下（同一臺數控機床上，操作方法不同，應用同一零件程序）加工一批零件所得到的連續測量結果的一致程度。切削精度，是對機床的幾何精度和定位精度在切削加工條件下的一項綜合檢查。 由上述可見，數控機床精度的高低分機械和電氣兩個方面，機械方面如主軸精度，如跳動、母線等；絲杠的精度；加工時夾具的精度，機床的剛性等等。電氣方面則主要是控制方式如半閉環，全閉環等，還有反饋和補償方式、加工時的插補精度等。所以機床精度高低并不取決于機床是不是全閉環控制。

5 結論

根據以上所述可以看出，在理論上，如果不考慮外部的一切因素，全閉環控制比半閉環控制可能會提高基礎的定位精度。但如果不能很好的解決機床發熱、環境污染、溫升、振動、安裝、機床零部件的保持性等因素，會出現全閉環不如半閉環的現象。短時間內可能會有效果，但時間一長，灰塵、溫度變化對光柵尺的影響，將嚴重影響測量反饋數據，從而失去作用。同時光柵尺出現問題后，會產生報警，造成機床不能工作。中低端機床，由于考慮生產成本和競爭力，在全閉環控制的配套上都進行了簡化，例如密封、溫升控制等沒有很好的保障。在這種條件下，花較大的成本，單純的配置光柵尺并不能提高機床的精度。

6 建議

購買機床時，應綜合考慮，不應單純的追求精度，要求全閉環。從上述依據可以看出，增加全閉環同時也意味著增加了安全調試風險和生產成本。所以，建議選購機床時，本著實用的原則為基礎。不盲目追求一些華而不實的配置，不要人云亦云，應根據生產需求和客觀情況來選擇配置。