木森科技： 刘晓红、王定雪

摘 要：本文针对激光切割机上超精密运动平台定位精度达不到要求的现象，详细分析了伺服系统、检测系统、传动系统、电气系统对激光切割设备中超精密运动平台定位精度的影响，并找出了影响超精密运动平台定位精度的主要因素，提供了解决方法，最后给出了实验结果。

数控设备中，定位精度定义为各运动轴在控制系统的控制下能达到目标设定位置的精确度，它反映了数控设备各运动轴在行程内的定位稳定性[1]。在激光切割设备中，运动平台的定位精度直接影响激光切割设备的切割精度，本文针对一台FA系列激光切割机上超精密运动平台定位精度达不到要求的现象，详细分析了伺服系统、检测系统、传动系统、电气系统等主要因素对超精密运动平台定位精度的影响，并找出了影响超精密运动平台定位精度的主要因素，提供了解决方法，最后给出了实验结果。

1．影响超精密运动平台定位精度的因素分析

1.1 伺服系统对运动平台定位精度的影响

伺服控制系统的控制精度对运动平台影响巨大，在伺服控制系统控制精度达到运动平台控制精度的前提下，伺服控制系统对运动平台定位精度的影响主要表现在伺服系统的参数设定方面[2]。其中主要包括位置环增益，速度换增益和加减速等参数的设置。

伺服系统的位置环增益主要影响驱动电机的跟随误差，位置环增益不能设置的过高，也不能设置的过低。如果位置环增益设置过高的话，会使机台出现震动现象，如果位置环增益设置太低，会使系统的跟随能力大大降低，从而影响定位精度，而且，位置环与速度环是相互影响的。

伺服系统的速度环增益主要控制电机的运转速度，合理的速度环增益可以起到消除稳态误差的作用。但是，速度环增益如果设置过高，会使机器出现震荡现象；如果速度环增益设置过低又会使电机出现爬行现象。从而影响平台的定位精度。

伺服电机的加减速曲线设置直接关系到运动控制平台的定位精度，合理的加减速曲线设定可以在保证运动平台运行稳定的前提下提高运动平台的定位精度。如果加减速度设置的过大，机台的定位精度提高，但是运动平台启停时会出现抖动的现象。如果加减速度设置过低，运动平台运启停时比较平稳，但是定位精度会下降。

1.2 检测系统对运动平台定位精度的影响

数控设备的检测系统通常由光栅尺、编码器、感应同步器等常用的位置检测元件组成。检测元件主要是检测平台运动机构的运动位置并且将检测值反馈给控制器或相关伺服电机。

检测元件对运动平台定位精度的影响主要表现在以下三个方面：

1、当检测元件的安装位置在使用中出现联接松动时，这时候检测元件检测的位置信号会出现异常，从而影响位置控制精度。

2、当检测元件受到灰尘、油污污染时，会导致检测到的位置信号丢失，从而影响位置控制精度。

3、当检测元件本身的工作稳定性不好时，其检测的数据也将不稳定，从而影响定位精确度。

1.3 传动系统对运动平台定位精度的影响。

传动系统的传动精度直接影响运动平台定位系统的精度。当传动机构采用滚珠丝杆机构时，滚珠丝杆的制造精度，灵敏性和稳定性将影响传动机构的传动精度[3]。其对运动平台定位精度的影响主要表现在：

1、当滚珠丝杆的制造精度达不到要求时，传动系统的传动精度将达不到系统要求，从而影响运动平台的定位精度。

2、当滚珠丝杆支撑轴的压覆压合不良、滚珠丝杆支撑轴破损、驱动电机与滚珠丝杆联轴器松动、滚珠丝杆润滑不良、滚珠丝杆螺母副滚珠有破损时都将直接影响滚珠丝杆的传动精度，进而影响运动平台的定位精度。

当传动机构采用直线电机时，导轨的直线度将直接影响传动机构的传动精度。运动平台由于长时间的运行，会导致数控设备的各系统部件产生应力变形，这将改变运动平台的导轨几何精度[4]。当导轨的水平度和平行度发生变形时，会加大运动平台上导轨与滑体之间的接触力和摩擦力，这必然会导致运动平台上滑体和导轨之间的各个配合面出现不均匀的间隙，从而导致运动平台导轨直线度降低，进而降低运动平台的定位精度。

1.4 电气系统对运动平台定位精度的影响

电气系统对运动平台定位精度的影响主要表现在电压波动对伺服系统，检测系统的干扰方面。电压的波动可能使伺服电机、检测元件等受到干扰，从而导致指令不正常，检测数据不正常，信号丢失等现象。进而影响运动平台的定位精度。

1.5 其它因素对运动平台定位精度的影响

除了上述主要因素对运动平台的定位精度有影响外，其他因素也有可能影响运动平台的定位精度，比如伺服系统过热；车间粉尘进入伺服系统、检测装置内使控制精度下降；润滑系统清洗不及时，润滑油、润滑脂添加或更换不及时，导致系统润滑状态不良等。

2．提高超精密运动平台定位精度的具体方法

通过仔细检查发现主要是伺服系统的控制精度影响了超精密运动平台的定位精度。在原先的伺服系统中，位置环增益和速度环增益设置值过高，超精密运动平台在运行时有时会出现超程现象，而且原先的加减速曲线为“梯形曲线”，在运动平台启停时有时会出现速度突变等现象，这几种原因导致了超精密运动平台的定位精度达不到生产要求，针对该现象我们经过大量实验最终确定了合适的伺服系统位置环增益和速度环增益，并且将加减速曲线设定为“S型曲线”。

2.1实验测试。

利用激光干涉仪对超精密运动平台定位精度误差进行检测，可精密测量出平台的实际位置与规划位置的误差，通过数据可以很直观的看出平台的定位精度的高低，激光干涉仪如图1所示。

图1 激光干涉仪

采取改善措施后对超精密运动平台的定位精度进行测试，测试结果如图2所示

图2 改善后超精密运动平台定位精度曲线

平台改善前，平台定位精度如图3所示。

图3 改善前超精密运动平台定位精度曲线

由图2和图3可知，将伺服系统的位置环增益和速度环增益合理设置后，将加减速曲线设定为“S型曲线”，可以极大提高超精密运动平台的定位精度，平台的定位精度在-0.8µm～0.4µm，与原先平台的定位精度（-2µm～12µm）相比有了很大提高。

3 结束语

作为超精密运动平台的主要技术指标，定位精度直接影响激光切割设备切割产品的轮廓精度及切割精度。本文详细分析了影响超精密线性运动平台定位精度的主要因素，为改善运动平台定位精度提供了解决方向，对提高数控设备定位精度具有一定的参考价值。

参考文献：

[1] 刘静，刘浩. 数控机床定位精度的综合分析[J]. 中小企业管理与科技， 2011, 19:316-316.

[2] 陈颂杨.数控机床定位精度超差的研究[J]. 科技信息，2010, (21):111-112.

[3] 田军委,王建华,李平,徐萍.超精密驱动机构比较[J]. 西安工业学院学报,2002,(1): 62-66.

[4] 范超毅. 提高加工中心定位精度的主动措施研究[J]. 机械制造,2009(4):35-37.