華中8型數控車床的半閉環改裝全閉環研究

摘要：數控機床作為當代機械制造業的主流裝備，其測量反饋系統對數控機床的制造精度起著至關重要的作用。文章通過半閉環和閉環控制精度的對比，闡述了閉環系統的高精度控制，經過對光柵尺的選擇、安裝調試和相關驅動器參數、系統參數的設置，論述了半閉環數控車床改裝全閉環數控車床的設計和安裝調試的實現。

關鍵詞： 半閉環控制 全閉環控制 光柵尺 間隙補償 精準制造

伴隨著制造業的迅速發展，制造業的精準制造已經成為行業的共識，加工高精度的產品一定要有高精度的設備作為支撐，數控機床是當代機械制造業的主流裝備，是市場熱門商品，原來半閉環控制數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，但在半閉環系統里測量反饋元件就沒有檢測機械部分的精度，這就影響了數控機床的總體控制精度。目前半閉環數控系統已無法滿足用戶的需求，數控機床為了滿足現代制造業的需求，不斷向高速和高精度數控機床發展。 將位置檢測器裝置直接安裝在工作臺上的全閉環數控機床， 它能直接檢測機床的實際位置反饋信號，隨時進行比較，根據其差值與指令進給位移的要求，按照一定的規律轉換后，隨時對驅動電機的轉速進行校正，提高了控制精度。但全閉環數控機床一般價格都比較昂貴，對于很多已經購買了半閉環數控機床的企業來說，重新采購的話，成本必然很高，然而根據加工零部件的需要，購買相關部件，改裝全閉環機床無疑是節約成本，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、不同問距的閃現柵線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后續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，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，以免機床加工產品移動時讀數頭沖撞到主尺兩端，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.下面以華中數控808型系統為例，介紹數控車床X軸的半閉環改裝全閉環流程。

3.1.光柵尺選型

改裝前要保證數控系統、驅動器、光柵尺相關性能要相互支持，機床在半閉環情況下是正常狀態。根據數控系統和驅動器及機床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.相關參數設置

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

3.3.1.開機修改如下驅動器參數，并保存。

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

3.3.2.修改系統軸參數

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

3.3.3.保存參數并斷電，再重新上電。

3.3.4.在顯示畫面中按下“聯合”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，否則將驅動器參數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，否則可能會發生飛車現象，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值輸入到100012號參數中（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

通過數控系統、驅動器和光柵尺的正確合理配型，優化系統參數和驅動器的參數，數控車床的定位精度、重復定位精度均能提高到幾個微米以內，滿足大部分零件的加工精度要求，特別有利于批量生產的產品的一致性。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原來的加工程序，大大提高了數控機床的有效加工時間，并對重要部件的狀態進行實時監控，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，我們可以根據現有的設備，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改造，不僅可以降低生產成本，也讓眾多中小企業以較小的代價，跟上快速發展高精現代加工技術的步伐，對數控機床廠和數控制造業有著重要的意義。

參考文獻：

《數控機床全閉環控制淺析 》 機電商情網

《數控機床裝調》 華中科技大學出版社 主編：陳澤宇