浅析数控机床线性坐标轴的全闭环控制

随着现代制造业的迅速发展，数控机床越来越多地被广泛应用，同时对数控机床定位精度、
重复定位精度也日益提高，原来精密滚珠丝杠加编码器式的半闭环控制系统已无法满足用
户的需求。半闭环控制系统无法控制机床传动机构所产生的传动误差、高速运转时传动机构
所产生热变形误差以及加工过程中冈传动系统磨损而产生的误差，而这些误差已经严重影
响到数控机床的加工精度及其稳定性。线性光栅尺对数控饥床各线性坐标轴进行全闭环控制，
消除上述误差，提高机床的定位精度、重复定位精度以及精度可靠性，作为提高数控机床位
置精度的关键部件日益受到用户的青睐。

　　下面就线性光栅尺选型、安装专用工具设计、安装及数控系统参数测整等内容进行了探
讨，可能有不周之处，请读者不吝赐教。

　　一、线性光栅尺选型

 

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1）准确度等级的选择数控机床配置线性光栅尺是了提高线性坐标轴的定值精度、再

复定位精度，所以光栅尺的准确度等级是首先要考虑的，光栅尺准确度等级有

±0.01mm、

±0.005mm、±0.003mm、±0.02mm。而我们在设计数控机床时根据设计精度要求来选择准确度
等级，值得注意的是在选用高精度光栅尺时要考虑光栅尺的热性能，它是机床工作精确度
的关键环节，即要求光栅尺的刻线载体的热膨胀系数与机床光栅尺安装基体的热膨胀系数
相一致，以克服由于温度引起的热变形。

　　另外光栅尺最大移动速度可达

120m/min，目前可完全满足数控机床设计要求；单个光

栅尺最大长度为

3040mm，如控制线性坐标轴大于 3040mm 时可采用光栅尺对接的方式达

到所需长度。

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2）测量方式的选择 光栅尺的测量方式分增量式光栅尺和绝对式光栅尺两种，所谓

增量式光栅尺就是光栅扫描头通过读出到初始点的相对运动距离而获得位置信息，为了获
得绝对位置，这个初始点就要刻到光栅尺的标尺上作为参考标记，所以机床开机时必须回
参考点才能进行位置控制。而绝对式光栅尺以不同宽度、不同问距的闪现栅线将绝对位置数
据以编码形式直接制作到光栅上，在光栅尺通电的同时后续电子设备即可获得位置信息，
不需要移动坐标轴找参考点位置，绝对位置值从光栅刻线上直接获得。

　　绝对式光栅尺比增量式光栅尺成本高

20％左右，机床设计师因考虑数控机床的性价比，

一般选用增量式光栅尺，既能保证机床运动精度又能降低机床成本。但是绝对式光栅尺开机
后不需回参考点的优点是增量式光栅尺无法比拟的，机床在停机或故障断电后开机可直接
从中断处执行加工程序，不但缩短非加工时间提高生产效率，而且减小零件废品率。因此在
生产节拍要求格或由多台数控机床构成的自动生产线上选用绝对式光栅尺是最为理想的。

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3）输出信号的选择光栅尺的输出信号分电流正弦波信号、电压正弦波信号、TTL 矩形

波信号和

TTL 差动矩形波信号四种，虽然光栅尺输出信号的波形不同对数控机床线性坐标