EMO2007期間,在展館周圍八千、附近地鐵以及漢諾威市中心,海德漢的廣告語隨處可見——“保證機(jī)床精度的有效方式:全閉環(huán)加工”,“全閉環(huán)加工”的概念得以廣泛傳播吗讶。

展館內(nèi)部也展出了海德漢與德馬吉合作的超精密制造利器——半閉環(huán)、全閉環(huán)演示單元恋捆。該單元很好地顯示了半閉環(huán)和全閉環(huán)對整個控制回路誤差的影響,同時演示了海德漢的光柵尺在不同污染環(huán)境下的表現(xiàn)照皆。

在演示現(xiàn)場,全閉環(huán)克服了半閉環(huán)控制系統(tǒng)的缺陷,伺服驅(qū)動器可以直接采樣裝在最后一級機(jī)械運(yùn)動部件上的位置反饋元件(如光柵尺重绷、磁柵尺、旋轉(zhuǎn)編碼器等),作為位置環(huán)膜毁；而電機(jī)上的編碼器反饋此時僅作為速度環(huán),這樣伺服系統(tǒng)就可以消除機(jī)械傳動上存在的間隙(如齒輪間隙昭卓、絲杠間隙等),補(bǔ)償機(jī)械傳動件的制造誤差(如絲杠螺距誤差等),實(shí)現(xiàn)真正的全閉環(huán)位置控制功能,獲得較高的定位精度。現(xiàn)場展示的部件分別采用全閉環(huán)瘟滨、半閉環(huán)方式加工,在精度上的差異一目了然候醒。

一般情況下,數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)大多在半閉環(huán)的控制方式下工作。這種控制方式對于傳動鏈上的間隙及誤差不能克服或補(bǔ)償杂瘸。為了獲得更高的控制精度,應(yīng)在最終的運(yùn)動部分安裝高精度的檢測元件——光柵尺倒淫、光電編碼器等,實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。

眾所周知,機(jī)床在加工過程中的誤差來源,主要包含機(jī)床的幾何結(jié)構(gòu)誤差胧沫、彈性變形誤差以及熱變性引起的誤差塘憨。其中,熱變性誤差大約占70%,因此它是機(jī)床誤差產(chǎn)生的主要來源卢女≈谴。基于此,對于精度要求高的機(jī)床,一般需要安裝光柵尺和角度編碼器來實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制,取代傳統(tǒng)的半閉環(huán)控制,從而實(shí)現(xiàn)高精度要求。

英國物理學(xué)家L.Rayleigh1874年提出:計量光柵技術(shù)的基礎(chǔ)是莫爾條紋(Moire fringes)留绞。直到20世紀(jì)50年代,人們才開始利用光柵的莫爾條紋進(jìn)行精密測量助安。1950年,德國海德漢(Heidenhain)首創(chuàng)DIADUR復(fù)制工藝,也就是在玻璃基板上蒸發(fā)鍍鉻的光刻復(fù)制工藝,這才能制造高精度、價廉的光柵刻度尺哩啼。光柵計量儀器從而為用戶所接受,進(jìn)入商品市場莽裤。海德漢公司從1961年開始開發(fā)光柵尺和圓柵編碼器,并制造出柵距為4μm(250線/mm)的光柵尺和10000線/轉(zhuǎn)的圓光柵測量系統(tǒng),能實(shí)現(xiàn)1微米和1角秒的測量分辨力。1966年制造出了柵距為20μm(50線/mm)的封閉式直線光柵編碼器馒易。在20世紀(jì)80年代又推出AURODUR工藝,實(shí)現(xiàn)了在鋼基材料上制作高反射率的金屬線紋反射光柵,并在光柵一個參考標(biāo)記(零位)的基礎(chǔ)上增加了距離編碼店烛。在1987年又提出一種新的干涉原理,采用衍射光柵實(shí)現(xiàn)納米級的測量,并允許較寬松的安裝。1997年推出用于絕對編碼器的EnDat雙向串行快速連續(xù)接口,使絕對編碼器和增量編碼器一樣很方便的應(yīng)用于測量系統(tǒng)∽┚現(xiàn)在,光柵測量系統(tǒng)已十分完善,應(yīng)用的領(lǐng)域很廣泛,全世界光柵直線傳感器的年產(chǎn)量在60萬件左右,其中封閉式光柵尺約占85%,開啟式光柵尺約占15%辱甫。而海德漢公司生產(chǎn)的光柵尺更適合超精密機(jī)床運(yùn)動檢測,如該公司的LI P401,材料長度220 mm,分辨率為2 nm,采用Zerodur材料制成幾乎達(dá)到零膨脹系數(shù)(0.1ppm/k),動靜尺間隙為0.6±0.1 mm,對環(huán)境要求低,安裝和使用方便,因此國際上尤其是歐洲眾多超精密機(jī)床生產(chǎn)商大多選用海德漢光柵尺。

據(jù)海德漢中國有限公司技術(shù)總監(jiān)張興全博士介紹,機(jī)床采用半閉環(huán)控制時,反饋信號來自于安裝在電機(jī)軸上的編碼器,但此時系統(tǒng)不能反應(yīng)反饋回路外的誤差蒋令。而采用全閉環(huán)控制時,其反饋信號來自于安裝在運(yùn)動軸上的光柵尺店诗。由于全閉環(huán)控制時,閉環(huán)伺服系統(tǒng)直接以工作臺的最終位置為目標(biāo),從而消除了進(jìn)入傳動系統(tǒng)的全部誤差,所以精度較半閉環(huán)系統(tǒng)要高。

“對定位精度要求較高的機(jī)床,必須關(guān)注它的進(jìn)給伺服系統(tǒng)是采用半閉環(huán)方式,還是全閉環(huán)方式,必須關(guān)注使用檢測元件的精度及穩(wěn)定性音榜∨尤常”張興全指出。機(jī)床采用半閉環(huán)伺服驅(qū)動方式時,精度穩(wěn)定性要受到一些外界因素影響,例如,傳動鏈中因工作溫度變化引起滾珠絲杠長度變化,這必然使工作臺實(shí)際定位位置產(chǎn)生漂移影響,進(jìn)而影響加工件的加工精度赠叼。而全閉環(huán)控制方式,可獲得比半閉環(huán)更高的位移精度擦囊。這種進(jìn)給伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置安裝在進(jìn)給系統(tǒng)末端的執(zhí)行部件上,實(shí)測它的位置或位移量,而安裝在驅(qū)動電機(jī)端部的編碼器則作為測速元件,構(gòu)成速度環(huán)。位置檢測裝置多選用光柵尺,位置信號的檢出是由光柵讀數(shù)頭完成,標(biāo)尺光柵(長光柵)和指示光柵(短光柵)分別安裝在機(jī)床的移動部件及固定部件上,兩者相互平行,它們之間保持0.05或0.1的間隙嘴办。當(dāng)標(biāo)尺光柵沿指示光柵連續(xù)移動時,光電元件所感應(yīng)的光電流變化規(guī)律近似正弦波形,將此正弦信號經(jīng)放大瞬场、整形葛家、微分線路處理后,轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號。標(biāo)尺光柵移動一個柵距產(chǎn)生一個計數(shù)脈沖,用計數(shù)器來計算脈沖數(shù),則可測得機(jī)床工作臺的位移量泌类。采用倍頻的方法可提高光柵的分辨精度癞谒。光柵尺的特點(diǎn)是測量精度高,而且精度可以長期保持。

張興全介紹說,目前全閉環(huán)控制方法已普遍應(yīng)用于超精密機(jī)床上,在精度刃榨、速度弹砚、動態(tài)性等方面明顯優(yōu)于半閉環(huán)方式。采用全閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)的機(jī)床,機(jī)床傳動部件的熱變形處于位置控制環(huán)之內(nèi),誤差自動得到補(bǔ)償寺斟；通過反饋可以消除從電動機(jī)到機(jī)床床鞍的整個機(jī)械傳動鏈中的傳動誤差,從而得到很高的機(jī)床靜態(tài)定位精度虫棚。與半閉環(huán)系統(tǒng)不同,全閉環(huán)系統(tǒng)的補(bǔ)償效果不同,幾乎不隨機(jī)床工況、磨損狀況及加工程序的不同而發(fā)生變化,機(jī)床可以長期保持初始加工精度溪胖。

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