控制电机一次只转一圈(走近数控机床七：数控机床位置精度之传动及控制)

Posted 2023-05-27

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控制电机一次只转一圈(走近数控机床七：数控机床位置精度之传动及控制)

位置精度对数控机床是很重要的精度，为了保证和提高数控机床进给轴的位置精度，机械和电气一直都在努力，因为这个精度离不开机械和电气的密切配合。

在普通机床时代，进给轴的传动在机床的机械设计中是不受重视的，甚至基本都不在机械工程师们的考虑范围之内，反正只要机床进给轴能够实现低速的进刀加工移动就可以了，至于移动的精度那时刹车在哪定位就在哪，要精度没什么用。所以普通机床时代的进给轴传动使用三相交流电机使用齿轮箱变速使用车床车制的T型丝杠使用电磁离合器换挡等等都是不需要精度的东西。

但是数控机床不行啊，数控机床的进给轴移动必须保证很高的位置精度，所以机械工程师们发明了高精度的滚珠丝杆，在保证进给轴移动的几何精度的机床导轨上也发明了静压导轨，现在更是发明了线性成型导轨目的就是为了减少机械传动时的摩擦力，以使进给轴运行更加平稳；在长距离传动不得不使用齿轮齿条传动时，机械工程师们不但开发出高精度的数控磨齿机来提高齿轮齿条的本身精度，还发明了双齿轮传动来减少传动的反向间隙。

线性导轨配合齿轮齿条传动

相对机械的努力，电气控制技术的发展意义却更加重大，从普通电机到伺服电机可以说是一个划时代的进步。伺服电机通俗地讲就是可以被随意控制的电机，它不但可以在伺服驱动控制器的控制下实现随时的加减速，更能够实现“步进”，就是一步一步地精准行走，这个步的细分取决于伺服电机上配的脉冲编码器的线数，理论上脉冲编码器每转一圈能发出多少个脉冲信号，伺服电机就能实现每转一圈分成多少步来走，这样伺服电机在接受数控系统发给伺服驱动控制器的移动距离指令后，通过换算，就可以精准地旋转多少步来实现精准的移动定位。

伺服电机滚珠丝杆的半闭环控制

上图是一个简单的直线轴传动示意图。由伺服电机带动滚珠丝杆旋转，通过安装在滑台上的滚珠螺母带动滑台实现直线移动。这个示意图是伺服电机和滚珠丝杆的直连，一般的进给轴传动为了增加扭矩也就是传动力，基本上都会在伺服电机和滚珠丝杆之间再连接一个高精度减速箱。在我们操作数控机床给出轴的移动距离和运行速度指令后，数控系统经过传动比的计算，就会给伺服驱动控制器发出以多少速度控制伺服电机旋转多少步的指令，在伺服电机完成步数并且数控系统接受到脉冲编码器发出的相应脉冲数之后，伺服电机自动停止并在没有其它指令时保持此位置不动，如果此时我们人为地施加一个外力来转动滚珠丝杆带动伺服电机旋转，那么脉冲编码器就会发出脉冲给数控系统，数控系统在没有给伺服电机发移动指令的情况下却通过脉冲编码器检测到伺服电机转动了，那么数控系统就会给伺服电机下令让伺服电机发出相反的旋转力来抵抗以使机床轴保持在此位置不动，除非我们人为的外力超过伺服电机自身的旋转力（这个力在伺服电机的性能指标里称之为扭矩）或者伺服电机重新接受到了位置移动指令。这样的一个数控机床进给轴传动的控制，我们称之为半闭环控制。在半闭环控制里，数控系统是通过伺服电机自带的脉冲编码器所发出的脉冲数来获得伺服电机的旋转步数，然后经过传动比的反向计算得出进给轴的移动距离，在这样的控制过程中，数控系统实际上只是控制和接收伺服电机的旋转如否和旋转步数，至于滚珠丝杆是否旋转和连接在滚珠螺母上的进给轴是否移动，数控系统其实是不知道的。所以在这样的半闭环控制下，数控系统指令轴移动多少距离，当他接收到了脉冲编码器发出的相应脉冲后就会认为轴已经移动了这个距离，此时进给轴的实际移动距离的位置精度就完全依靠机械传动的本身精度来保证了，所以数控机床的传动件精度才会一再地精益求精，滚珠丝杆的精度也是越来越高。

数控机床进给轴的全闭环控制

但是无论滚珠丝杆的本身精度怎样提高，机械传动的误差是无法避免的，特别是机械传动的反向间隙不可能消失。再好的滚珠丝杆它的每一条滚道也不可能加工到一模一样的精度，只能是非常接近，所以伺服电机就算每次旋转一样的步数，轴在滚珠丝杆上不同位置的移动距离也是不可能一样的。为了进一步提高数控机床的位置精度，电气控制技术上又发明了全闭环控制，如上图所示。就是将机床轴移动距离的检测使用光栅尺直接安装在轴上面，直接检测进给轴的实际移动距离，然后由光栅尺发出脉冲给数控系统，这样数控系统获得的位置移动信号就直接来自进给轴的实际移动。这样的控制是非常复杂的过程了，因为在相同移动距离下，数控系统发给伺服电机的旋转步数指令已经不可能是静态一样的了，而是动态的，随时根据光栅尺检测到的距离脉冲数来调整发给伺服电机的旋转步数。在控制系统理论里，这样的动态控制系统如果需要调整的范围过大就会产生不稳定，所以数控系统进给轴的传动中就要求传动的每一段位置的传动误差尽量保持相同，这样的误差越小机床轴的运行就会越平稳，当然影响轴运行平稳的除了这个传动误差外，还有一个我们称之为惯量的概念，这个概念很难解释的很清楚准确简单了解下就是和惯性有关系的一个概念。

我们有很多数控机床在使用全闭环控制时都会有运行中发抖的问题，这其实就是传动误差过大造成控制系统的不稳定。一般来说使用滚珠丝杆传动的机床轴很少会有这样的问题，基本上都是使用齿轮齿条传动的机床轴。因为齿轮齿条的精度无论如何也很难做到滚珠丝杆那样高的精度，更何况齿轮齿条的精度还和机械的安装有很大关系，长距离的齿条安装没有一定技术的钳工还真不能保证它的高精度。

齿轮齿条的传动误差有两个：一个是螺距误差，简单理解就是齿条的每一条齿之间的距离误差；另一个就是齿轮齿条咬合在不同位置时会产生不同的反向间隙，这个对全闭环控制系统的稳定性有致命的影响。为解决这个齿轮齿条的传动间隙，机械发明了双齿轮传动技术，有效缓解了这个间隙问题，但双齿轮的传动对齿轮的加工和安装以及调整都提高了要求，实际使用中对钳工的技术要求很高，经常会出现各种各样的问题。现在数控系统的专家们在机械双齿轮传动的基础上开发出了电气的双齿轮传动技术，就是在两个齿轮上分别安装上伺服电机，由伺服电机加齿轮组成双齿轮传动，这样就更加有效地简化了双齿轮传动的安装和调整要求，不但有效地解决了反向间隙问题还提高了传动的惯量，更加有效地保证了机床轴全闭环运行的平稳性。

电气技术的发展还不止如此，多年前就已经发明出直线电机了，就是电机直接带动轴直线移动，不需要通过滚珠丝杆齿轮齿条等中间传动机构，只是这个技术还有些目前无法解决的缺点导致应用还不算很多，但将来我相信这个技术会越来越好，应该会被大量使用，使得传动控制更加的高效更加的稳定和实现更高的传动精度。