浅析数控机床线性坐标轴的全闭环控制
随着现代制造业的迅速发展，数控机床越来越多地被广泛应用，同时对数控机床定位精度、重复定位精度也日益提高，原来精密滚珠丝杠加编码器式的半闭环控制系统已无法满足用户的需求。半闭环控制系统无法控制机床传动机构所产生的传动误差、高速运转时传动机构所产生热变形误差以及加工过程中冈传动系统磨损而产生的误差，而这些误差已经严重影响到数控机床的加工精度及其稳定性。线性光栅尺对数控机床各线性坐标轴进行全闭环控制，消除上述误差，提高机床的定位精度、重复定位精度以及精度可靠性，作为提高数控机床位置精度的关键部件日益受到用户的青睐。
下面就线性光栅尺选型、安装专用工具设计、安装及数控系统参数测整等内容进行了探讨，可能有不周之处，请读者不吝赐教。
一、线性光栅尺选型
（1）准确度等级的选择数控机床配置线性光栅尺是了提高线性坐标轴的定值精度、再复定位精度，所以光栅尺的准确度等级是首先要考虑的，光栅尺准确度等级有±0.01mm、±0.005mm、±0.003mm、±0.02mm。而我们在设计数控机床时根据设计精度要求来选择准确度等级，值得注意的是在选用高精度光栅尺时要考虑光栅尺的热性能，它是机床工作精确度的关键环节，即要求光栅尺的刻线载体的热膨胀系数与机床光栅尺安装基体的热膨胀系数相一致，以克服由于温度引起的热变形。
另外光栅尺最大移动速度可达120m/min，目前可完全满足数控机床设计要求；单个光栅尺最大长度为3040mm，如控制线性坐标轴大于3040mm时可采用光栅尺对接的方式达到所需长度。
（2）测量方式的选择 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，绝对位置值从光栅刻线上直接获得。
绝对式光栅尺比增量式光栅尺成本高20％左右，机床设计师因考虑数控机床的性价比，一般选用增量式光栅尺，既能保证机床运动精度又能降低机床成本。但是绝对式光栅尺开机后不需回参考点的优点是增量式光栅尺无法比拟的，机床在停机或故障断电后开机可直接从中断处执行加工程序，不但缩短非加工时间提高生产效率，而且减小零件废品率。因此在生产节拍要求格或由多台数控机床构成的自动生产线上选用绝对式光栅尺是最为理想的。
（3）输出信号的选择光栅尺的输出信号分电流正弦波信号、电压正弦波信号、TTL矩形波信号和TTL差动矩形波信号四种，虽然光栅尺输出信号的波形不同对数控机床线性坐标轴的定位精度、重复定位精度没有影响，但必须与数控机床系统相匹配，如果输出信号的波形与数控机床系统不匹配，导致机床系统无法处理光栅尺的输出信号，反馈信息、补偿误差对机床线性坐标轴全闭环控制无从谈起。在实践中确有输出信号的波形与数控机床系统不匹配的情况，不过处理此情况也有办法，只要在输出信号与机床系统间加装一个数字化电子装置（如：HEIDENHAINDE的IBV600系列的细分和数字化电子装置），就很容易解决了。
SCR3923光栅尺光栅尺
二、线性光栅尺的结构设计
光栅尺的结构设计与安装比光栅尺选型更重要，无论哪个环节处理不当，都严重影响光栅尺的控制精度，有可能出现全闭环精度反而不如半闭环的现象。
1.行走姿势对光栅尺检测精度的影响
（1）驱动轴线与载重中点位置的重合度众所周知，推着物体移动时，如果没有推到其中点位置，很容易造成物体转动，出现摆动等不稳定现象。要求动轴线尽量与载重中点位置重合，而实践中由于受结构、加工误差的限制，驱动轴线与载重中点位置有一定的距离，导致了丝杠拖动载重物时出现了摆动的现象。
（2）导轨阻尼特性的一致性两条导轨阻尼特性的一致性也是一项很重要的影响因素。两条导轨阻尼特性的不一致也很容易造成物体出现摆动的现象，如图1所示。
图1 行走姿势变化示意图
（3）光栅尺的安装位置尽可能靠近驱动轴线大多数机床的线性坐标轴驱动系统一般都是运用精密滚珠丝杠副，理论上要求光栅尺尽量安装在靠近丝杠副轴线的位置上，这样的话，光栅尺的安装符合了阿贝误差最小化的原则，即要求光栅尺安装位置靠近控制轴的工作基准面，越近所形成的阿贝误差越小，光栅尺控制的位置精度越高，机床定位精度越好。但实践中由于受结构和空间的限制，光栅尺的安装方式只有两种，一种是安装在近丝杠副侧，另一种是安装在导轨外侧。为了取得最小的阿贝误差，推荐尽可能选取第一种安装方式。反之，选择了高精度的光栅尺，而实际没有达到数控机床所要求的精度。
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