如何控制机床的精度
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1、当代的数控机床，尤其是高精度的数控机床构成：cnc是大脑，伺服是手臂，光栅和编码器是控制精度的传感器 
数控机床整体构成
不要将数控机床想象得很深奥，深奥的是数控机床的代码和加工不同材料的时候，需要考虑的各种参数和工艺。真正的数控机床的结构，其实不复杂。 我们用FANUC的数控系统来做一个解释。 1、CNC控制单元（数值控制器部分）。数控系统相当于我们电脑的操作系统，在这上面有各种应用，以及厂商已经根据掌握的工艺编辑好的各种加工软件包。 我们可以类比为：windows系统就是cnc系统，windows中自带的office办公软件就是其中一种工艺应用软件。office在CNC中相当于车床加工的各类直线圆弧，动作等等。 2、PMC控制器。这其实就是运动控制器的大门类的一种。 所谓的运动控制器，类似于人类的小脑和中枢脊椎，你可以灵活运动全靠中枢神经的脊椎，大脑发出信号：看到前面有座山，我们要过去，那么小脑开始控制四肢运动，控制跑步中的四肢协调，不要顺拐，顺拐容易跌到。 3、伺服驱动单元和进给伺服电动机。主轴驱动单元和主轴电动机。伺服电机就是给机床提供动力的部分。所谓的伺服电机通俗的理解就是：一个普通的马达，加上了一个可以精确测量电机转多少弧度的编码器，驱动电机的是驱动器。也叫伺服放大器，这个东西说白了就是中枢神经。将数字信号变成电信号输出给电机。 4、机床强电柜控制信号的输入和输出单元。这就是外部信号的输入和信息输出，用来外接设备。相当于人的感官的中的一种。 例如刀库、交换工作台、上下料机械手等驱动轴信息的输入输出设备。 5、电脑磁盘机、存储卡、键盘专用信息存储设备。这个是数控系统的主机的存储设备。用来存储数据。 6、以太网、HSSB、RS-232等现场加工用的局域网。 这个通讯协议，就是机床内部的信息交换方式，类似于人体内部的神经是依靠酶来传递信息的。 整个机床的元器件组合就是如下的样子，这是fanuc的0i-TD数控机床，可以进行纳米插补的车床用纳米CNC。 0i-TD系列硬件构成 为什么讨论：高精度机床要聊这几大件？虽然这是不少人都知道的，但具体原因，咱们接下来慢慢聊。 2、机床控制构成：是什么让机床可以很精密地切削，车铣，切割，误差精度的±0.001mm以内的？ CNC的功能概况 仔细看上面整个图：上面黑色的字体，都是展现在使用者面前的内容，属于应用层面的东西。 但是红色的字体，就是控制机床各个轴，最后合成一个复杂动作，机床的末端精度就是这些在控制。 先来简单介绍一下运控控制：当你伸手去接一个排球。需要哪些动作？ 接排球动作 最末端是两只手臂接到排球，但是全身所有的关节都要移动。这就是一个复合动作。那么控制这个复合动作的就是： 1、各个关节的快速移动，根据视觉判断球的位置，进行精确的位置控制，让手达到球的落点。（这叫闭环反馈的运动控制） 2、达到预定位置后，发现球因为风速或者外力的原因，偏移了，手快接不到了，或者说发现球的力度太大，这个姿势接不住球了，即使碰到球也容易脱手。那就要开始进行动力学的补偿和调整。【所谓的动力学轨迹补偿，就是身体所有部分都进行移动，不是单单的手再伸长一点，那样会重心不稳，摔倒】 这就是一个复杂的机床精度，在运动中最直白的说明：运动控制和动力学控制。 有体育老师说过，你看到球了不要只伸手，要全身移动去接球。这就是运动学和动力学的覆盖。 当然机械的动力学包含的内容不是动起来这个概念，包括了系统振动抑制，路径规划，力反馈控制等等，这里咱们不展开了说。 3、硬件方面控制机床精度的核心：编码器控制伺服精度，光栅尺检测直线精度。 伺服电机的控制模式 电机的转速快慢，和转动多少角度（反馈在直线上面就是多少圈）决定了位置控制。这都是由编码器决定的。 编码器决定了机床原始精度的数据，也就是根据CNC大脑的数据指定，转动多少距离。所谓的编码器就是在电动机的后面，连通电动机的主轴上面，会有一个码盘。通过电磁或者是光电的形式，记录变化的数值。（目前最高可以记录23位数值） 绝对式编码器 增量式脉冲编码器 编码器的精度，已经比较精确了，但是由于工件安装误差，和元器件磨损，以及振动等情况，反馈到最后的末端的精度肯定不是这个精度。 那么就需要在末端直接进行一个测量：直接测量是将直线型检测装置（光栅尺）安装在移动部件上，用来直接测量工作台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，而构成位置闭环控制。其优点是准确性高、可靠性好，缺点是测量装置要和工作台行程等长，所以在大型数控机床上受到一定限制。 光栅尺 这就是机床两种精度测试的办法：直接用光栅尺测量末端的运动数据，以及在驱动电机上面控制精度。 到这里就到了不少朋友想问的了：那么桁架，丝杆的精度都还没说，装配的精度都还没有讲，温度，磨损造成的误差都还没有说。 还有重复定位精度，绝对精度等等。 不急，咱们慢慢来说。 4、硬件地控制着绝对精度。 那是不是这个机床精度就是±0.001mm？是的，理论上确实是。 这个精度，大体上可以等同于，设备厂商说的：绝对精度。（看清楚，这是大体上，实际情况略有出入，但是可以作为参考理解） 这就是运动控制模式下的精度计算方法。以实际的硬件的精度为参考。（暂时不考虑补偿） 那么一个绝对精度的±0.001mm的机床，是不是一直使用中都是±0.001mm？ 显然不是，还有上面的振动，温度，磨损，这些原因没有考虑。 那么如果使用超强度的钢铁是不是就没有磨损了呢？ 所有的机床都有磨损，不管是国内还是国外的。是材料就一定有磨损，是材料就一定要温度，振动的影响。 这就要体现出：CNC中动力学算法，对于动作的补偿工艺了。 5、软件控制重复定位精度 但是光栅尺如果测量出，偏差了0.01mm，那么怎么办？ 反馈给CNC系统，进行补偿0.01mm，但是很明显啊，主轴和其他伺服轴的精度控制即使增加0.01mm也不一定最后实际就是0.001mm。（这就好像，你明知道差一厘米，但是你自己的手感在一厘米以内已经没有距离的概念了） 那么动力学算法就可以从接触的力反馈和路径规划上面进行做补偿。±0.01mm太小，但是只要碰到工件，就一定有力量反馈，力量的控制可以进行其他方式的测量。 同时，考虑运动方式容易出现的误差（例如直角转弯的运动），可以考虑优化一下路径，采用倾斜或者圆弧的方式进行加工。是不是就更贴近一些了。 真正在高精密数控机床领域，全球各品牌差距最大的其实是算法上面的补偿。 算法的补偿是保证使用2年，3年，乃至10年机床都可以保持在一定精度范围内的主要原因。 即使考虑温度，磨损，振动等因素，最后还是要依靠算法来补偿。 这就是重复定位精度的价值所在。 6、那硬件难道就不影响精度了吗？ 我们就拿当前常见的面铣的机床做例子。 不管是数控系统，还是伺服系统，包括光栅尺，都是买国外原厂的产品，都可以买到，暂时不说限制的事情。（暂时不考虑大行程的龙门铣床）。 即便是这样，还是没有几个国家能够制造出精度在±0.001mm的机床（国内北京精雕目前可以了）。 也就是说，硬件确实是基础条件，但是动力学控制的算法，其实才是高端精密机床的核心。 算法底层的逻辑是买不到的核心技术的，人家不卖啊！（最多付费给你用） 硬件可以不断地拓展，但是核心控制一直不突破，是绝对做不到稳定的高精度机床产品的。 这才是高精度机床制造的核心难点。 跟我们常说的导轨刮研，传感器精度，材料精度等等有关系，但他们确实都不是核心要素。 |
