华中8型数控车床的半闭环改装全闭环研究

摘要：数控机床作为当代机械制造业的主流装备，其测量反馈系统对数控机床的制造精度起着至关重要的作用。文章通过半闭环和闭环控制精度的对比，阐述了闭环系统的高精度控制，经过对光栅尺的选择、安装调试和相关驱动器参数、系统参数的设置，论述了半闭环数控车床改装全闭环数控车床的设计和安装调试的实现。

关键词： 半闭环控制 全闭环控制 光栅尺 间隙补偿 精准制造

伴随着制造业的迅速发展，制造业的精准制造已经成为行业的共识，加工高精度的产品一定要有高精度的设备作为支撑，数控机床是当代机械制造业的主流装备，是市场热门商品，原来半闭环控制数控机床是将位置检测装置安装在伺服电机的端部或是丝杆的端部，通过间接测量丝杆的角位移从而得到工作台的实际位置，再对工作台的实际位移量进行补偿，它没有直接测量出工作台的实际位移，然而因为伺服进给电机与丝杆不同轴、丝杆的热胀冷缩、丝杆的螺距误差、传动间隙、弹性变形等都影响了机床的精度，但在半闭环系统里测量反馈元件就没有检测机械部分的精度，这就影响了数控机床的总体控制精度。目前半闭环数控系统已无法满足用户的需求，数控机床为了满足现代制造业的需求，不断向高速和高精度数控机床发展。 将位置检测器装置直接安装在工作台上的全闭环数控机床， 它能直接检测机床的实际位置反馈信号，随时进行比较，根据其差值与指令进给位移的要求，按照一定的规律转换后，随时对驱动电机的转速进行校正，提高了控制精度。但全闭环数控机床一般价格都比较昂贵，对于很多已经购买了半闭环数控机床的企业来说，重新采购的话，成本必然很高，然而根据加工零部件的需要，购买相关部件，改装全闭环机床无疑是节约成本，提高精度的良策。

1.选择光栅考虑的主要因素：

大部分的设备都能用的是方波输出的光栅尺，工作电压有5V，24V的，然后主要选择精度等级、测量行程、分辨率、输出的是ABZ相还是带有反相信号的差分输出尺。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，绝对位置值从光栅尺比增量式光栅尺成本高 20%左右，机床设刻线上直接获得。

2.安装注意事项：

2.1.光栅尺体的唇形密封条部分必须避开切削液溅落方向，这样有利于尺体的有效密封。

2.2.动态特性要求高，或切削振动大的场合采用尺体全长固定方式。

2.3.在安装条件允许的情况下，优先选择把读书头安装在相对固定的部件上，这样有利于输出导线的布置。

2.4.尺体相对于导轨运动方向的平行度误差不大于0.2毫米。

2.5.尺体相对安装面的平行度误差不大于0.2毫米。

2.6.读书头与尺体间隙控制在1～1.5mm以内，误差不大于0.2毫米。

2.7.位移传感器限位装置光栅线位移传感器全部安装完以后，一定要在机床导轨上安装限位装置，以免机床加工产品移动时读数头冲撞到主尺两端，从而损坏光栅尺。另外，用户在选购光栅线位移传感器时，应尽量选用超出机床加工尺寸100mm左右的光栅尺，以留有余量。

3.下面以华中数控808型系统为例，介绍数控车床X轴的半闭环改装全闭环流程。

3.1.光栅尺选型

改装前要保证数控系统、驱动器、光栅尺相关性能要相互支持，机床在半闭环情况下是正常状态。根据数控系统和驱动器及机床X轴行程选择中科院长春光机所的JC09型号光栅尺，有效行程295毫米，分辨率0.01微米。

3.2.光栅尺安装

将主尺安装在机床的工作台（小拖板）上，随机床走刀而动，读数头固定在床身上，并找正，布好线，安装图如下，传感器应附带加装护罩，护罩的设计是按照传感器的外形截面放大留一定的空间尺寸确定，护罩通常采用橡皮密封，使其具备一定的防水防油能力。

3.3.相关参数设置

改装前先开机将数控系统内X轴的补偿值清零，关机再将光栅尺的信号线插入驱动器的XS6接口，将X轴电机动力电源线断开。

3.3.1.开机修改如下驱动器参数，并保存。

PA34=2003（修改驱动器参数允许），STB12=1（驱动器识别光栅尺协议），STB13=0，STB14=1，PA10=0，PB54=默认值（全闭环跟踪误差），PB55=3（分频比），PB53=200（驱动器上电使能时间），PA34=1230（保存允许）。

3.3.2.修改系统轴参数

100004参数电子齿轮比分子为4000，100005号参数电子齿轮比分母为50000，100067号电机每转脉冲数为50000；设备6中的506015号反馈位置循环脉冲数设为50000。

3.3.3.保存参数并断电，再重新上电。

3.3.4.在显示画面中按下“联合”显示，人为的转动X轴向正方向移动，看机床实际坐标值是否是增大的，否则将驱动器参数PA10改为512，一定要确认正确后才能关电，插入X轴电机的电源线，否则可能会发生飞车现象，损坏机床或光栅尺。

3.4.设置机床参考点

开机手动将X轴移动到参考点位置，设置X轴的机床参考点，计算所得的参考点电机位置数值输入到100012号参数中（编码器反馈偏置量）。

3.5.设置机床X轴的正负软限位。

注意正确设置轴的正负软限位，以免机床超程损坏光栅尺，最好保证光栅尺的定尺两端和动尺有10mm的空间。

4.结论

通过数控系统、驱动器和光栅尺的正确合理配型，优化系统参数和驱动器的参数，数控车床的定位精度、重复定位精度均能提高到几个微米以内，满足大部分零件的加工精度要求，特别有利于批量生产的产品的一致性。另安装绝对式光栅尺的机床，在重新开机后无需执行参考点回零操作，就立刻重新获得各个轴的当前绝对位置以及刀具的空间指向，因此可以马上从中间处开始继续原来的加工程序，大大提高了数控机床的有效加工时间，并对重要部件的状态进行实时监控，提高机床的可靠性，另外还可以在任何时间确定机床运动部件所处的位置。在实际的过程中，我们可以根据现有的设备，考虑合理的性价比，选择满足加工要求的最佳配置来完成全闭环改造，不仅可以降低生产成本，也让众多中小企业以较小的代价，跟上快速发展高精现代加工技术的步伐，对数控机床厂和数控制造业有着重要的意义。

参考文献：

《数控机床全闭环控制浅析 》 机电商情网

《数控机床装调》 华中科技大学出版社 主编：陈泽宇