全闭环加工 超精密制造的利器

EMO2007期间,在展馆周围、附近地铁以及汉诺威市中心,海德汉的广告语随处可见——“保证机床精度的有效方式:全闭环加工”,“全闭环加工”的概念得以广泛传播。

展馆内部也展出了海德汉与德马吉合作的超精密制造利器——半闭环、全闭环演示单元。该单元很好地显示了半闭环和全闭环对整个控制回路误差的影响,同时演示了海德汉的光栅尺在不同污染环境下的表现。

在演示现场,全闭环克服了半闭环控制系统的缺陷,伺服驱动器可以直接采样装在最后一级机械运动部件上的位置反馈元件(如光栅尺、磁栅尺、旋转编码器等),作为位置环；而电机上的编码器反馈此时仅作为速度环,这样伺服系统就可以消除机械传动上存在的间隙(如齿轮间隙、丝杠间隙等),补偿机械传动件的制造误差(如丝杠螺距误差等),实现真正的全闭环位置控制功能,获得较高的定位精度。现场展示的部件分别采用全闭环、半闭环方式加工,在精度上的差异一目了然。

一般情况下,数字式交流伺服系统大多在半闭环的控制方式下工作。这种控制方式对于传动链上的间隙及误差不能克服或补偿。为了获得更高的控制精度,应在最终的运动部分安装高精度的检测元件——光栅尺、光电编码器等,实现全闭环控制。

众所周知,机床在加工过程中的误差来源,主要包含机床的几何结构误差、弹性变形误差以及热变性引起的误差。其中,热变性误差大约占70%,因此它是机床误差产生的主要来源。基于此,对于精度要求高的机床,一般需要安装光栅尺和角度编码器来实现全闭环控制,取代传统的半闭环控制,从而实现高精度要求。

英国物理学家L.Rayleigh1874年提出:计量光栅技术的基础是莫尔条纹(Moire fringes)。直到20世纪50年代,人们才开始利用光栅的莫尔条纹进行精密测量。1950年,德国海德汉(Heidenhain)首创DIADUR复制工艺,也就是在玻璃基板上蒸发镀铬的光刻复制工艺,这才能制造高精度、价廉的光栅刻度尺。光栅计量仪器从而为用户所接受,进入商品市场。海德汉公司从1961年开始开发光栅尺和圆栅编码器,并制造出栅距为4μm(250线/mm)的光栅尺和10000线/转的圆光栅测量系统,能实现1微米和1角秒的测量分辨力。1966年制造出了栅距为20μm(50线/mm)的封闭式直线光栅编码器。在20世纪80年代又推出AURODUR工艺,实现了在钢基材料上制作高反射率的金属线纹反射光栅,并在光栅一个参考标记(零位)的基础上增加了距离编码。在1987年又提出一种新的干涉原理,采用衍射光栅实现纳米级的测量,并允许较宽松的安装。1997年推出用于绝对编码器的EnDat双向串行快速连续接口,使绝对编码器和增量编码器一样很方便的应用于测量系统。现在,光栅测量系统已十分完善,应用的领域很广泛,全世界光栅直线传感器的年产量在60万件左右,其中封闭式光栅尺约占85%,开启式光栅尺约占15%。而海德汉公司生产的光栅尺更适合超精密机床运动检测,如该公司的LI P401,材料长度220 mm,分辨率为2 nm,采用Zerodur材料制成几乎达到零膨胀系数(0.1ppm/k),动静尺间隙为0.6±0.1 mm,对环境要求低,安装和使用方便,因此国际上尤其是欧洲众多超精密机床生产商大多选用海德汉光栅尺。

据海德汉中国有限公司技术总监张兴全博士介绍,机床采用半闭环控制时,反馈信号来自于安装在电机轴上的编码器,但此时系统不能反应反馈回路外的误差。而采用全闭环控制时,其反馈信号来自于安装在运动轴上的光栅尺。由于全闭环控制时,闭环伺服系统直接以工作台的最终位置为目标,从而消除了进入传动系统的全部误差,所以精度较半闭环系统要高。

“对定位精度要求较高的机床,必须关注它的进给伺服系统是采用半闭环方式,还是全闭环方式,必须关注使用检测元件的精度及稳定性。”张兴全指出。机床采用半闭环伺服驱动方式时,精度稳定性要受到一些外界因素影响,例如,传动链中因工作温度变化引起滚珠丝杠长度变化,这必然使工作台实际定位位置产生漂移影响,进而影响加工件的加工精度。而全闭环控制方式,可获得比半闭环更高的位移精度。这种进给伺服系统的位置检测装置安装在进给系统末端的执行部件上,实测它的位置或位移量,而安装在驱动电机端部的编码器则作为测速元件,构成速度环。位置检测装置多选用光栅尺,位置信号的检出是由光栅读数头完成,标尺光栅(长光栅)和指示光栅(短光栅)分别安装在机床的移动部件及固定部件上,两者相互平行,它们之间保持0.05或0.1的间隙。当标尺光栅沿指示光栅连续移动时,光电元件所感应的光电流变化规律近似正弦波形,将此正弦信号经放大、整形、微分线路处理后,转换为数字脉冲信号。标尺光栅移动一个栅距产生一个计数脉冲,用计数器来计算脉冲数,则可测得机床工作台的位移量。采用倍频的方法可提高光栅的分辨精度。光栅尺的特点是测量精度高,而且精度可以长期保持。

张兴全介绍说,目前全闭环控制方法已普遍应用于超精密机床上,在精度、速度、动态性等方面明显优于半闭环方式。采用全闭环控制结构的机床,机床传动部件的热变形处于位置控制环之内,误差自动得到补偿；通过反馈可以消除从电动机到机床床鞍的整个机械传动链中的传动误差,从而得到很高的机床静态定位精度。与半闭环系统不同,全闭环系统的补偿效果不同,几乎不随机床工况、磨损状况及加工程序的不同而发生变化,机床可以长期保持初始加工精度。

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