坐标轴进入位置控制后,CNC按照最小移动增量输出指令脉冲,实际位置则由位置检测装置(如脉冲编码器,Pulse Coder)按其分辨率给出反馈脉冲。1个反馈脉冲对应产生的位移量称为检测脉冲当量或检测单位。
实际上,检测脉冲当量往往与指令脉冲当量不一致。例如,某编码器与伺服电机同轴安装,每转1转检测到2500个脉冲(称编码器分辨率为2500脉冲/转),若电机转1转产生10mm的直线移动距离,则编码器的1个脉冲代表0.004mm。显然,与指令的0.001mm并不一致。
两者不一致的后果就是轴实际位移与屏幕显示位移不一致,即导致加工尺寸不正确,而对于此类故障,系统无任何报警提示,操作工往往不知所措。
因此,闭环系统能够进行正确的误差比较的前提是:任一移动量所对应的CNC输出指令脉冲数与实际反馈脉冲数必须相等,即进入比较器时两者的脉冲当量必须一致。而在实际应用中,由于机械传动结构及位置检测装置的不同,指令脉冲当量与实际检测单位总是不一致。为使二者匹配,从而进行比较计算,数控系统提供了软件设定功能。这就好像机械传动机构中为了速度匹配而加装齿轮一样,故这个软件设定比例也称为电子齿轮比(electronic gearing)。
电子齿轮比在不同品牌的CNC中有不同的叫法,下面说说FANUC系统的电子齿轮比。
CMR和DMR
为使CNC指令脉冲与检测脉冲当量相适配,FANUC 0i系统中使用了指令倍乘比(CMR)和检测倍乘比(DMR),因此进入位置比较前,脉冲均经过倍乘处理。图1所示为进给轴运动控制倍乘处理框图。
· CMR:指令倍乘比(Command Multiplying Ratio),为使CNC指令脉冲与检测脉冲当量相适配的常量
· DMR:检测倍乘比(Detection Multiplying Ratio),为使CNC指令脉冲与检测脉冲当量相适配的常量
· C:最小移动增量(Least movement increment),CNC插补输出给机床的移动指令最小单位(mm/脉冲)
· D:检测单位(Detection unit),能够检测出的机床的最小移动单位(mm/脉冲)
· I:最小输入增量(Least input increment),程序输入的指令最小单位(mm/脉冲)
· N:位置检测器的每转脉冲数(脉冲/转)
· t:伺服电机1转产生的机床移动部件的移动量(mm/转)
· p:丝杠螺距(mm/转)
· i:传动减速比
以上参数之间的关系如下:
通过CMR,可以将一个最小输入增量(如0.001mm)细分为多个脉冲进行输出。例如,在纳米CNC系统中,送到数字伺服控制器的位置指令单位为1nm,远比编程输入单位(0.001mm)精细,可获得高精度的加工表面,此时纳米CNC系统的
通过DMR,可以将一个反馈脉冲细分为多个反馈脉冲输出。例如,某直线轴的指令单位为1μm,滚珠丝杠螺距为10mm,直接连接(传动减速比i∶1为1∶1),脉冲编码器为2500线(N=2500脉冲/转),要求检测单位为1μm,则根据(式3),得
当机床制造商(MTB)制造机床时,选用的滚珠丝杠的导程(螺距)是不一样的,要想达到分辨率1µm,就需要使用某个系数。 FANUC系统中F·FG(Flexible Feed Gear, 柔性进给齿轮比)的作用就是:通过使来自串行脉冲编码器的位置反馈脉冲可变(不需要选定编码器的线数),即可相对于各类滚珠丝杠的螺距、减速比而轻而易举地设定检测单位。如图3所示。
图3 FANUC半闭环系统分辨率匹配图
CMR=Cmd Unit/Detect Unit。
F·FG相当于DMR,只不过DMR用于早年并行输出型编码器的设定,现在的脉冲编码器都采用串行输出,且伺服电机每转动1周就从βi串行脉冲编码器(电机内装)返回1000000脉冲,故采用F·FG。
例如,直接连接螺距5mm/r的滚珠丝杠,检测单位为1µm时,电机每转动1周(5mm)所需的脉冲数为5000,因此根据(式3),
注:CNC内部自动将编码器的每转脉冲数N折算成1000000脉冲/转(不考虑编码器的实际分辨率)。
F·FG在SERVO SETTING画面(如图4所示)中以分子和分母的形式设置(=N/M),也可在参数PRM No.2084和No.2085中分别设定N和M。
友情提醒:SERVO SETTING画面中的N和M仅表示分子和分母,与(式3)中的N(指编码器的每转脉冲数)是两码事,不可混淆。
F·FG是伺服初始化设定(SERVO SETTING)画面中最重要的参数,若F·FG设置错误,机床就不能走出正确的位移,直接影响零件尺寸。
电子齿轮比是数控机床最重要的参数,关系着数控机床上机械与电气的匹配。有兴趣的朋友,或是外国粉丝可以观看以下关于电子齿轮比的视频