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摘 要：本文針對(duì)激光切割機(jī)上超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位精度達(dá)不到要求的現(xiàn)象，詳細(xì)分析了伺服系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)對(duì)激光切割設(shè)備中超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位精度的影響，并找出了影響超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位精度的主要因素，提供了解決方法，最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 

數(shù)控設(shè)備中，定位精度定義為各運(yùn)動(dòng)軸在控制系統(tǒng)的控制下能達(dá)到目標(biāo)設(shè)定位置的精確度，它反映了數(shù)控設(shè)備各運(yùn)動(dòng)軸在行程內(nèi)的定位穩(wěn)定性[1]。在激光切割設(shè)備中，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的定位精度直接影響激光切割設(shè)備的切割精度，本文針對(duì)一臺(tái)FA系列激光切割機(jī)上超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位精度達(dá)不到要求的現(xiàn)象，詳細(xì)分析了伺服系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等主要因素對(duì)超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位精度的影響，并找出了影響超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位精度的主要因素，提供了解決方法，最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 
 

1．影響超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位精度的因素分析

1.1 伺服系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位精度的影響

伺服控制系統(tǒng)的控制精度對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)影響巨大，在伺服控制系統(tǒng)控制精度達(dá)到運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制精度的前提下，伺服控制系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位精度的影響主要表現(xiàn)在伺服系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定方面[2]。其中主要包括位置環(huán)增益，速度換增益和加減速等參數(shù)的設(shè)置。

伺服系統(tǒng)的位置環(huán)增益主要影響驅(qū)動(dòng)電機(jī)的跟隨誤差，位置環(huán)增益不能設(shè)置的過(guò)高，也不能設(shè)置的過(guò)低。如果位置環(huán)增益設(shè)置過(guò)高的話，會(huì)使機(jī)臺(tái)出現(xiàn)震動(dòng)現(xiàn)象，如果位置環(huán)增益設(shè)置太低，會(huì)使系統(tǒng)的跟隨能力大大降低，從而影響定位精度，而且，位置環(huán)與速度環(huán)是相互影響的。 

伺服系統(tǒng)的速度環(huán)增益主要控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，合理的速度環(huán)增益可以起到消除穩(wěn)態(tài)誤差的作用。但是，速度環(huán)增益如果設(shè)置過(guò)高，會(huì)使機(jī)器出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象；如果速度環(huán)增益設(shè)置過(guò)低又會(huì)使電機(jī)出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。從而影響平臺(tái)的定位精度。 

伺服電機(jī)的加減速曲線設(shè)置直接關(guān)系到運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)的定位精度，合理的加減速曲線設(shè)定可以在保證運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定的前提下提高運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的定位精度。如果加減速度設(shè)置的過(guò)大，機(jī)臺(tái)的定位精度提高，但是運(yùn)動(dòng)平臺(tái)啟停時(shí)會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)的現(xiàn)象。如果加減速度設(shè)置過(guò)低，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)啟停時(shí)比較平穩(wěn)，但是定位精度會(huì)下降。 
 

1.2 檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位精度的影響

數(shù)控設(shè)備的檢測(cè)系統(tǒng)通常由光柵尺、編碼器、感應(yīng)同步器等常用的位置檢測(cè)元件組成。檢測(cè)元件主要是檢測(cè)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置并且將檢測(cè)值反饋給控制器或相關(guān)伺服電機(jī)。 

檢測(cè)元件對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位精度的影響主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

1、當(dāng)檢測(cè)元件的安裝位置在使用中出現(xiàn)聯(lián)接松動(dòng)時(shí)，這時(shí)候檢測(cè)元件檢測(cè)的位置信號(hào)會(huì)出現(xiàn)異常，從而影響位置控制精度。

2、當(dāng)檢測(cè)元件受到灰塵、油污污染時(shí)，會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)到的位置信號(hào)丟失，從而影響位置控制精度。

3、當(dāng)檢測(cè)元件本身的工作穩(wěn)定性不好時(shí)，其檢測(cè)的數(shù)據(jù)也將不穩(wěn)定，從而影響定位精確度。
 

1.3 傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位精度的影響。

傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)精度直接影響運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位系統(tǒng)的精度。當(dāng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用滾珠絲桿機(jī)構(gòu)時(shí)，滾珠絲桿的制造精度，靈敏性和穩(wěn)定性將影響傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度[3]。其對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位精度的影響主要表現(xiàn)在：

1、當(dāng)滾珠絲桿的制造精度達(dá)不到要求時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)精度將達(dá)不到系統(tǒng)要求，從而影響運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的定位精度。

2、當(dāng)滾珠絲桿支撐軸的壓覆壓合不良、滾珠絲桿支撐軸破損、驅(qū)動(dòng)電機(jī)與滾珠絲桿聯(lián)軸器松動(dòng)、滾珠絲桿潤(rùn)滑不良、滾珠絲桿螺母副滾珠有破損時(shí)都將直接影響滾珠絲桿的傳動(dòng)精度，進(jìn)而影響運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的定位精度。

當(dāng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用直線電機(jī)時(shí)，導(dǎo)軌的直線度將直接影響傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由于長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致數(shù)控設(shè)備的各系統(tǒng)部件產(chǎn)生應(yīng)力變形，這將改變運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的導(dǎo)軌幾何精度[4]。當(dāng)導(dǎo)軌的水平度和平行度發(fā)生變形時(shí)，會(huì)加大運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上導(dǎo)軌與滑體之間的接觸力和摩擦力，這必然會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上滑體和導(dǎo)軌之間的各個(gè)配合面出現(xiàn)不均勻的間隙，從而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)平臺(tái)導(dǎo)軌直線度降低，進(jìn)而降低運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的定位精度。

1.4 電氣系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位精度的影響

電氣系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位精度的影響主要表現(xiàn)在電壓波動(dòng)對(duì)伺服系統(tǒng)，檢測(cè)系統(tǒng)的干擾方面。電壓的波動(dòng)可能使伺服電機(jī)、檢測(cè)元件等受到干擾，從而導(dǎo)致指令不正常，檢測(cè)數(shù)據(jù)不正常，信號(hào)丟失等現(xiàn)象。進(jìn)而影響運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的定位精度。 
 

1.5 其它因素對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位精度的影響

除了上述主要因素對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的定位精度有影響外，其他因素也有可能影響運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的定位精度，比如伺服系統(tǒng)過(guò)熱；車間粉塵進(jìn)入伺服系統(tǒng)、檢測(cè)裝置內(nèi)使控制精度下降；潤(rùn)滑系統(tǒng)清洗不及時(shí)，潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂添加或更換不及時(shí)，導(dǎo)致系統(tǒng)潤(rùn)滑狀態(tài)不良等。

2．提高超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位精度的具體方法

通過(guò)仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)主要是伺服系統(tǒng)的控制精度影響了超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的定位精度。在原先的伺服系統(tǒng)中，位置環(huán)增益和速度環(huán)增益設(shè)置值過(guò)高，超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在運(yùn)行時(shí)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)超程現(xiàn)象，而且原先的加減速曲線為“梯形曲線”，在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)啟停時(shí)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)速度突變等現(xiàn)象，這幾種原因?qū)е铝顺苓\(yùn)動(dòng)平臺(tái)的定位精度達(dá)不到生產(chǎn)要求，針對(duì)該現(xiàn)象我們經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)最終確定了合適的伺服系統(tǒng)位置環(huán)增益和速度環(huán)增益，并且將加減速曲線設(shè)定為“S型曲線”。

2.1實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

利用激光干涉儀對(duì)超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位精度誤差進(jìn)行檢測(cè)，可精密測(cè)量出平臺(tái)的實(shí)際位置與規(guī)劃位置的誤差，通過(guò)數(shù)據(jù)可以很直觀的看出平臺(tái)的定位精度的高低，激光干涉儀如圖1所示。

圖1 激光干涉儀

采取改善措施后對(duì)超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的定位精度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示

圖2 改善后超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位精度曲線

平臺(tái)改善前，平臺(tái)定位精度如圖3所示。

圖3 改善前超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位精度曲線 

由圖2和圖3可知，將伺服系統(tǒng)的位置環(huán)增益和速度環(huán)增益合理設(shè)置后，將加減速曲線設(shè)定為“S型曲線”，可以極大提高超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的定位精度，平臺(tái)的定位精度在-0.8µm～0.4µm，與原先平臺(tái)的定位精度（-2µm～12µm）相比有了很大提高。

3  結(jié)束語(yǔ)

作為超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的主要技術(shù)指標(biāo)，定位精度直接影響激光切割設(shè)備切割產(chǎn)品的輪廓精度及切割精度。本文詳細(xì)分析了影響超精密線性運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位精度的主要因素，為改善運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位精度提供了解決方向，對(duì)提高數(shù)控設(shè)備定位精度具有一定的參考價(jià)值。 

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