劉世國 ， 高錦南

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430050）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)和制造技術(shù)的發(fā)展，切削加工已進(jìn)入高速高精的新階段，為了適應(yīng)生產(chǎn)要求，滿足市場需求，對數(shù)控機(jī)床的定位精度、重復(fù)定位精度提出更高要求。目前，制造業(yè)中應(yīng)用最普遍的是基于交流伺服電機(jī)編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控機(jī)床，雖然它具有穩(wěn)定性好、成本低、調(diào)試維修容易的優(yōu)點(diǎn)，但是無法忽略絲桿精度、磨損等因素影響，不能真實(shí)反映機(jī)床的行走狀態(tài)，控制精度稍遜一籌。

因此，對于加工精度要求很高的精密機(jī)床和大型加工中心，在半閉環(huán)控制機(jī)床的工作臺(tái)上安裝光柵尺等位置檢測反饋裝置，實(shí)時(shí)檢測工作臺(tái)的實(shí)際工作位置，并將其與CNC裝置計(jì)算出的指令位置（或位移）相比較，用差值進(jìn)行控制，以期達(dá)到更高的加工精度，其控制模型如圖1所示。

圖1 全閉環(huán)控制模型

本研究以FANUC 0iF PLUS數(shù)控系統(tǒng)的YL-59A型加工中心為研究對象，闡述了Z軸從半閉環(huán)升級(jí)到全閉環(huán)控制的具體過程，包括光柵尺安裝與調(diào)整、全閉環(huán)參數(shù)配置等，并利用Renishaw XL-80激光干涉儀分別檢測了加工中心改造前后Z軸的定位精度和重復(fù)定位精度，從檢測結(jié)果對比分析的數(shù)據(jù)可看出，升級(jí)全閉環(huán)后的控制精度有大幅提升。

1 光柵尺的安裝與調(diào)整

YL-59A型加工中心Z軸選用光柵尺進(jìn)行機(jī)床實(shí)際位置的反饋，通過分離型檢測器（SDU）輸入，由光纜（FSSB）與CNC建立通信，傳遞位置信息。光柵尺由標(biāo)尺光柵和指示光柵（讀數(shù)頭）兩部分組成，其機(jī)械安裝調(diào)整的精度直接影響光柵尺檢測、反饋和控制的精度[1]。

1.1 標(biāo)尺光柵的安裝與調(diào)整

先將Z軸光柵尺的標(biāo)尺光柵固定在機(jī)床固定部件上，尺身與Z軸移動(dòng)方向平行，相對床身保持靜止，在尺身兩端用M4的螺釘緊固，但不要上緊，如圖2所示；然后將表座吸在床身的固定部件上，千分表表頭壓在光柵尺尺身外殼表面，移動(dòng)Z軸，檢測Z軸運(yùn)動(dòng)對光柵尺表面在YZ平面內(nèi)、XZ平面內(nèi)的平行度，通過調(diào)整保證誤差不超過0.1 mm/全長。

1.2 指示光柵的安裝與調(diào)整

先將指示光柵（讀數(shù)頭）與Z軸移動(dòng)部件相連，使其與Z軸一起移動(dòng)，安裝時(shí)應(yīng)注意指示光柵（讀數(shù)頭）的安裝方向，必須避開切屑、切削液或其他油液的濺落方向，防止污染；然后檢查指示光柵（讀數(shù)頭）與尺身外殼之間的距離，通過調(diào)整保證在1 mm～1.5 mm以內(nèi)，如圖2所示，避免讀數(shù)頭卡滯或磨損。

1.3 光柵尺線纜連接

將光柵尺線纜與分離型檢測器（SDU）的接口JF101相連，如圖2所示，保證線纜的彎曲半徑在允許的最小彎曲半徑內(nèi)。

圖2 光柵尺安裝示意圖

2 全閉環(huán)控制參數(shù)配置

2.1 FSSB配置-軸設(shè)定

先按下MDI鍵盤的“SYSTEM”功能鍵，然后按軟功能擴(kuò)展鍵“?”數(shù)次，看到“FSSB”軟功能鍵后將其按下，進(jìn)入FSSB網(wǎng)絡(luò)配置引導(dǎo)操作畫面，再按下“軸”軟功能鍵，修改Z軸后面對應(yīng)的M1為1，表示將坐標(biāo)軸的位置測量反饋輸入到分離檢測單元[2]。

2.2 全閉環(huán)參數(shù)設(shè)置

由于加工中心Z軸最小移動(dòng)單位為1 μm，絲桿螺距為10 mm，選用光柵尺的分辨率為0.5 μm，零脈沖間距為50 mm，則FANUC 0iF PLUS數(shù)控系統(tǒng)全閉環(huán)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 全閉環(huán)參數(shù)設(shè)置

在正確設(shè)置伺服參數(shù)后，若光柵尺精度與系統(tǒng)精度不一致，會(huì)出現(xiàn)以下報(bào)警。

1）SV448報(bào)警：表示位置檢測器與速度檢測器移動(dòng)方向相反，需將NO.2018#0設(shè)為1，使分離型檢測器的信號(hào)方向反轉(zhuǎn)。

2）SV445報(bào)警：表示軟件斷線，相對于速度反饋脈沖的變化，位置反饋脈沖變化量較小，需將NO.2003#1設(shè)為1，以No.2064/32rev進(jìn)行檢測，NO.2064以8的倍數(shù)增大設(shè)定值[3]。

3 全閉環(huán)控制精度檢測

為了驗(yàn)證加工中心Z軸從半閉環(huán)升級(jí)改造全閉環(huán)后的控制效果，利用Renishaw XL-80激光干涉儀檢測改造前后Z軸的定位精度與重復(fù)定位精度，檢測時(shí)均未進(jìn)行螺距誤差補(bǔ)償。

3.1 加工中心與激光干涉儀準(zhǔn)備

1）設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)：將加工中心螺距誤差補(bǔ)償值全部清零，坐標(biāo)系偏置G54為0（便于測量程序以機(jī)床坐標(biāo)零點(diǎn)運(yùn)行）[4]。

2）建立參考點(diǎn)：將被測軸Z軸以有擋塊回參的方式建立參考點(diǎn)，并設(shè)置合理的正負(fù)軟限位，保證測量安全。

3）安裝連接設(shè)備：線性測量鏡組中的干涉鏡固定在主軸上，隨著Z軸一起移動(dòng)，反射鏡固定在工作臺(tái)上，檢測時(shí)保持靜止，激光頭安裝于鏡組的前方，如圖3所示；安裝完成后，將各設(shè)備與計(jì)算機(jī)通過線纜連接。

圖3 激光干涉儀設(shè)備安裝

4）確定檢測參數(shù)：根據(jù)Z軸運(yùn)動(dòng)行程確定精度檢測范圍為-500 mm～0，所有參數(shù)的具體設(shè)定如表2所示。

表2 激光干涉儀檢測參數(shù)

5）啟動(dòng)雷尼紹CARTO軟件，生成檢測程序，并載入至加工中心。

3.2 檢測精度對比分析

半閉環(huán)控制的精度檢測結(jié)果如圖4所示，全閉環(huán)控制的精度檢測結(jié)果如圖5所示。根據(jù)GB/T 17421.2—2000標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)計(jì)方法，將升級(jí)改造前后的檢測結(jié)果進(jìn)行對比分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示。

圖4 半閉環(huán)控制精度檢測結(jié)果（未補(bǔ)償）

圖5 全閉環(huán)控制精度檢測結(jié)果（未補(bǔ)償）

圖6 半閉環(huán)與全閉環(huán)檢測結(jié)果對比

從圖6可以看出，在未進(jìn)行螺距誤差補(bǔ)償?shù)那闆r下，相比半閉環(huán)控制的加工中心，全閉環(huán)控制的定位精度、重復(fù)定位精度、反向間隙以及平均位置偏差都獲得了大幅提升，繼而能夠有效提高零件的加工質(zhì)量。

4 結(jié)論

通過在FANUC 0iF PLUS數(shù)控系統(tǒng)的YL-59A型加工中心Z軸加裝光柵尺，實(shí)現(xiàn)了從半閉環(huán)到全閉環(huán)控制的升級(jí)改造，并利用激光干涉儀對改造前后的定位精度、重復(fù)定位精度等指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證，從驗(yàn)證結(jié)果可知全閉環(huán)控制能大幅提升加工中心控制精度。因此，本研究闡述的全閉環(huán)升級(jí)改造方法可行，能為FANUC數(shù)控系統(tǒng)的其他類似機(jī)床升級(jí)改造提供參考。