全閉環(huán)控制與半閉環(huán)控制數(shù)控車床的探討

程永干

關(guān)鍵詞：全閉環(huán)控制；半閉環(huán)控制；開環(huán)控制；檢測(cè)裝置

1 引言

用戶在購(gòu)買機(jī)床時(shí)，可根據(jù)加工工件的需求不同，對(duì)機(jī)床穩(wěn)定性、精度、剛性等關(guān)注的側(cè)重點(diǎn)會(huì)有所不同，對(duì)精度有特殊要求的用戶經(jīng)常會(huì)提到全閉環(huán)控制，但很多人對(duì)全閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制缺乏全面的了解，盲目的認(rèn)為全閉環(huán)控制機(jī)床就是比半閉環(huán)控制機(jī)床的好，這是非常片面的觀點(diǎn)，下面就全閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制的機(jī)床進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹和對(duì)比。

2 原理介紹

數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)鏈包括數(shù)控裝置→伺服編碼器→伺服驅(qū)動(dòng)器→電機(jī)→絲杠→移動(dòng)部件，根據(jù)位置檢測(cè)裝置安裝位置的不同，分為全閉環(huán)控制、半閉環(huán)控制、開環(huán)控制。

2.1 全閉環(huán)控制進(jìn)給伺服系統(tǒng)

將位置檢測(cè)裝置（如光柵尺、直線感應(yīng)同步器等）安裝在機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件（如工作臺(tái)、拖板）上，并對(duì)移動(dòng)部件位置進(jìn)行實(shí)時(shí)的反饋，通過數(shù)控系統(tǒng)處理后將機(jī)床的位置狀態(tài)告知伺服電機(jī)，伺服電機(jī)通過系統(tǒng)指令自動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)誤差的補(bǔ)償即位置的補(bǔ)償。但由于它將絲杠、螺母副及機(jī)床工作臺(tái)這些大慣性環(huán)節(jié)放在閉環(huán)內(nèi)，調(diào)試時(shí)，其系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)調(diào)試就非常麻煩。另外像光柵尺、直線感應(yīng)同步器這類高精度的測(cè)量裝置其價(jià)格較高，安裝復(fù)雜，很有可能引起振蕩，所以一般機(jī)床不使用全閉環(huán)控制。下圖為發(fā)那科全閉環(huán)控制示意圖。

2.2 半閉環(huán)控制進(jìn)給伺服系統(tǒng)

將位置檢測(cè)裝置安裝在伺服電機(jī)的端部或是絲桿的端部（主要是以安裝在伺服電機(jī)的端部為主），用來檢測(cè)絲杠的回轉(zhuǎn)角，間接測(cè)出機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置，經(jīng)反饋送回控制系統(tǒng)。由于機(jī)械制造水平的提高及速度檢測(cè)元件和絲桿螺距精度的提高，半閉環(huán)數(shù)控機(jī)床已能達(dá)到相當(dāng)高的進(jìn)給精度和定位精度。所以大多數(shù)的機(jī)床廠家廣泛采用了半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)來控制運(yùn)動(dòng)部件的定位。

3 實(shí)際應(yīng)用

3.1 全閉環(huán)控制系統(tǒng)

位置檢測(cè)裝置（如光柵尺、直線感應(yīng)同步器等）有不同精度等級(jí)（±0.02mm、±0.01mm、±0.005mm、±0.001mm、±0.0005mm），所以全閉環(huán)控制也會(huì)有誤差，定位精度高低受精度等級(jí)影響，而且精度等級(jí)越高價(jià)格越貴。位置檢測(cè)裝置熱性能（熱變形），測(cè)量裝置一般是非金屬材料，熱膨脹系數(shù)與機(jī)床各部件不一致，它是機(jī)床工作精確度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，所以必須要解決機(jī)床加工過程中的發(fā)熱問題，以克服由于溫度引起的熱變形。高端機(jī)床會(huì)采用各種方式，如絲杠中空冷卻、導(dǎo)軌潤(rùn)滑、切削液恒溫冷卻等方式來降低機(jī)床加工過程中的熱變形。位置檢測(cè)裝置安裝也十分重要，理論上，越靠近驅(qū)動(dòng)軸線（絲杠副），測(cè)量越準(zhǔn)確。由于受結(jié)構(gòu)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(cè)，另一種是安裝在導(dǎo)軌外側(cè)。推薦盡可能選取第一種安裝方式，但給檢修和維護(hù)帶來了不方便。反之，即使選擇了高精度的光柵尺，而實(shí)際并不能達(dá)到數(shù)控機(jī)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(qū)動(dòng)軸線，但是安裝位置畢竟與驅(qū)動(dòng)軸線有一定距離，這一點(diǎn)距離和驅(qū)動(dòng)時(shí)物體的擺動(dòng)相結(jié)合后，對(duì)光柵尺的檢測(cè)控制帶來了很大的麻煩。當(dāng)驅(qū)動(dòng)物體向光柵尺安裝側(cè)擺動(dòng)時(shí)，光柵尺在檢測(cè)時(shí)誤認(rèn)為移動(dòng)速度不足，系統(tǒng)則給出加速信號(hào)，而驅(qū)動(dòng)物體馬上向另一側(cè)擺動(dòng)，光柵尺在檢測(cè)時(shí)又誤認(rèn)為移動(dòng)速度太快，系統(tǒng)則給出減速信號(hào)，這樣反反復(fù)復(fù)運(yùn)行，這樣不但沒有改善數(shù)控機(jī)床各線性坐標(biāo)軸的控制，反而加劇了驅(qū)動(dòng)物體的振動(dòng)，導(dǎo)致了全閉環(huán)不如半閉環(huán)的奇特現(xiàn)象。

生產(chǎn)環(huán)境影響：

一般機(jī)械加工工廠環(huán)境比較惡劣，灰塵、振動(dòng)是常見現(xiàn)象，但光柵尺、直線感應(yīng)同步器屬于精密元器件，工作原理是靠光的反射來測(cè)量相對(duì)移動(dòng)位置，灰塵、振動(dòng)恰恰是影響測(cè)量精度的最大因素。另外，機(jī)床在加工工件時(shí)，切削油霧、水霧相對(duì)比較嚴(yán)重，對(duì)光柵尺、直線感應(yīng)同步器影響非常大。所以要使用全閉環(huán)控制系統(tǒng)，除了做好安裝密封外，一定要提高生產(chǎn)加工環(huán)境。否則，就會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，剛買的新機(jī)床精度不錯(cuò)，但用了不到一年，精度不但下降，機(jī)床還經(jīng)常報(bào)警，使機(jī)床無法正常加工工件。

3.2 半閉環(huán)控制系統(tǒng)

由于將測(cè)量裝置直接安裝在伺服電機(jī)上，這樣就比較容易密封，所以對(duì)環(huán)境沒有什么特殊的要求。半閉環(huán)控制系統(tǒng)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(jī)械加工工藝的提高，目前進(jìn)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(huán)節(jié)，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(jī)床廠，在機(jī)床裝配時(shí)，將絲杠采用預(yù)拉伸方式，消除了機(jī)床熱變形對(duì)絲杠傳動(dòng)精度的影響。所以目前半閉環(huán)控制系統(tǒng)已經(jīng)能夠保證機(jī)床達(dá)到很高的精度。

4 關(guān)于機(jī)床精度

數(shù)控機(jī)床的加工精度最終要靠機(jī)床本身的精度來保證，數(shù)控機(jī)床精度包括幾何精度、定位精度、重復(fù)定位精度和切削精度。幾何精度，又稱靜態(tài)精度，是綜合反映數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵零部件經(jīng)組裝后的綜合幾何形狀誤差。定位精度，是表明所測(cè)量的機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部位在數(shù)控裝置控制下，運(yùn)動(dòng)所能達(dá)到的精度。根據(jù)實(shí)測(cè)的定位精度數(shù)值，可以判斷出機(jī)床自動(dòng)加工過程中能達(dá)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(shí)際位置與標(biāo)準(zhǔn)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(fù)定位精度，是指在數(shù)控機(jī)床上反復(fù)運(yùn)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(tái)數(shù)控機(jī)床上，操作方法不同，應(yīng)用同一零件程序）加工一批零件所得到的連續(xù)測(cè)量結(jié)果的一致程度。切削精度，是對(duì)機(jī)床的幾何精度和定位精度在切削加工條件下的一項(xiàng)綜合檢查。 由上述可見，數(shù)控機(jī)床精度的高低分機(jī)械和電氣兩個(gè)方面，機(jī)械方面如主軸精度，如跳動(dòng)、母線等；絲杠的精度；加工時(shí)夾具的精度，機(jī)床的剛性等等。電氣方面則主要是控制方式如半閉環(huán)，全閉環(huán)等，還有反饋和補(bǔ)償方式、加工時(shí)的插補(bǔ)精度等。所以機(jī)床精度高低并不取決于機(jī)床是不是全閉環(huán)控制。

5 結(jié)論

根據(jù)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(huán)控制比半閉環(huán)控制可能會(huì)提高基礎(chǔ)的定位精度。但如果不能很好的解決機(jī)床發(fā)熱、環(huán)境污染、溫升、振動(dòng)、安裝、機(jī)床零部件的保持性等因素，會(huì)出現(xiàn)全閉環(huán)不如半閉環(huán)的現(xiàn)象。短時(shí)間內(nèi)可能會(huì)有效果，但時(shí)間一長(zhǎng)，灰塵、溫度變化對(duì)光柵尺的影響，將嚴(yán)重影響測(cè)量反饋數(shù)據(jù)，從而失去作用。同時(shí)光柵尺出現(xiàn)問題后，會(huì)產(chǎn)生報(bào)警，造成機(jī)床不能工作。中低端機(jī)床，由于考慮生產(chǎn)成本和競(jìng)爭(zhēng)力，在全閉環(huán)控制的配套上都進(jìn)行了簡(jiǎn)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(jī)床的精度。

6 建議

購(gòu)買機(jī)床時(shí)，應(yīng)綜合考慮，不應(yīng)單純的追求精度，要求全閉環(huán)。從上述依據(jù)可以看出，增加全閉環(huán)同時(shí)也意味著增加了安全調(diào)試風(fēng)險(xiǎn)和生產(chǎn)成本。所以，建議選購(gòu)機(jī)床時(shí)，本著實(shí)用的原則為基礎(chǔ)。不盲目追求一些華而不實(shí)的配置，不要人云亦云，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)需求和客觀情況來選擇配置。