关键词：全闭环控制；半闭环控制；开环控制；检测装置

1 引言

用户在购买机床时，可根据加工工件的需求不同，对机床稳定性、精度、刚性等关注的侧重点会有所不同，对精度有特殊要求的用户经常会提到全闭环控制，但很多人对全闭环控制和半闭环控制缺乏全面的了解，盲目的认为全闭环控制机床就是比半闭环控制机床的好，这是非常片面的观点，下面就全闭环控制和半闭环控制的机床进行简单的介绍和对比。

2 原理介绍

数控机床运动链包括数控装置→伺服编码器→伺服驱动器→电机→丝杠→移动部件，根据位置检测装置安装位置的不同，分为全闭环控制、半闭环控制、开环控制。

2.1 全闭环控制进给伺服系统

将位置检测装置（如光栅尺、直线感应同步器等）安装在机床运动部件（如工作台、拖板）上，并对移动部件位置进行实时的反馈，通过数控系统处理后将机床的位置状态告知伺服电机，伺服电机通过系统指令自动进行运动误差的补偿即位置的补偿。但由于它将丝杠、螺母副及机床工作台这些大惯性环节放在闭环内，调试时，其系统的稳定状态调试就非常麻烦。另外像光栅尺、直线感应同步器这类高精度的测量装置其价格较高，安装复杂，很有可能引起振荡，所以一般机床不使用全闭环控制。下图为发那科全闭环控制示意图。

2.2 半闭环控制进给伺服系统

将位置检测装置安装在伺服电机的端部或是丝杆的端部（主要是以安装在伺服电机的端部为主），用来检测丝杠的回转角，间接测出机床运动部件的实际位置，经反馈送回控制系统。由于机械制造水平的提高及速度检测元件和丝杆螺距精度的提高，半闭环数控机床已能达到相当高的进给精度和定位精度。所以大多数的机床厂家广泛采用了半闭环数控系统来控制运动部件的定位。

3 实际应用

3.1 全闭环控制系统

位置检测装置（如光栅尺、直线感应同步器等）有不同精度等级（±0.02mm、±0.01mm、±0.005mm、±0.001mm、±0.0005mm），所以全闭环控制也会有误差，定位精度高低受精度等级影响，而且精度等级越高价格越贵。位置检测装置热性能（热变形），测量装置一般是非金属材料，热膨胀系数与机床各部件不一致，它是机床工作精确度的关键环节，所以必须要解决机床加工过程中的发热问题，以克服由于温度引起的热变形。高端机床会采用各种方式，如丝杠中空冷却、导轨润滑、切削液恒温冷却等方式来降低机床加工过程中的热变形。位置检测装置安装也十分重要，理论上，，越靠近驱动轴线（丝杠副），测量越准确。由于受结构空间限制，光栅尺的安装方式只有两种，一种是安装在近丝杠副侧，另一种是安装在导轨外侧。推荐尽可能选取第一种安装方式，但给检修和维护带来了不方便。反之，即使选择了高精度的光栅尺，而实际并不能达到数控机床所要求的精度。即使第一种情况，光栅尺的安装位置比较靠近驱动轴线，但是安装位置毕竟与驱动轴线有一定距离，这一点距离和驱动时物体的摆动相结合后，对光栅尺的检测控制带来了很大的麻烦。当驱动物体向光栅尺安装侧摆动时，光栅尺在检测时误认为移动速度不足，系统则给出加速信号，而驱动物体马上向另一侧摆动，光栅尺在检测时又误认为移动速度太快，系统则给出减速信号，这样反反复复运行，这样不但没有改善数控机床各线性坐标轴的控制，反而加剧了驱动物体的振动，导致了全闭环不如半闭环的奇特现象。

生产环境影响：

一般机械加工工厂环境比较恶劣，灰尘、振动是常见现象，但光栅尺、直线感应同步器属于精密元器件，工作原理是靠光的反射来测量相对移动位置，灰尘、振动恰恰是影响测量精度的最大因素。另外，机床在加工工件时，切削油雾、水雾相对比较严重，对光栅尺、直线感应同步器影响非常大。所以要使用全闭环控制系统，除了做好安装密封外，一定要提高生产加工环境。否则，就会出现这种现象，刚买的新机床精度不错，但用了不到一年，精度不但下降，机床还经常报警，使机床无法正常加工工件。

3.2 半闭环控制系统

由于将测量装置直接安装在伺服电机上，这样就比较容易密封，所以对环境没有什么特殊的要求。半闭环控制系统的精度误差主要取决于丝杠的正反向间隙和丝杠的本身加工精度。随着机械加工工艺的提高，目前进口丝杠的制造工艺水平较高，高精度的丝杠副配合基本消除了正反向间隙。另外在装配环节，丝杠副采用双列反向滚珠丝杠副，可以完全消除正反向间隙。另外，很多机床厂，在机床装配时，将丝杠采用预拉伸方式，消除了机床热变形对丝杠传动精度的影响。所以目前半闭环控制系统已经能够保证机床达到很高的精度。

4 关于机床精度

数控机床的加工精度最终要靠机床本身的精度来保证，数控机床精度包括几何精度、定位精度、重复定位精度和切削精度。几何精度，又称静态精度，是综合反映数控机床关键零部件经组装后的综合几何形状误差。定位精度，是表明所测量的机床各运动部位在数控装置控制下，运动所能达到的精度。根据实测的定位精度数值，可以判断出机床自动加工过程中能达到的最好的工件加工精度。工件加工精度是指零件或刀具等实际位置与标准位置（理论位置、理想位置）之间的差距，差距越小，说明精度越高。定位精度高是零件加工精度得以保证的前提。重复定位精度，是指在数控机床上反复运行同一程序代码所得到的位置精度的一致程度。是在相同条件下（同一台数控机床上，操作方法不同，应用同一零件程序）加工一批零件所得到的连续测量结果的一致程度。切削精度，是对机床的几何精度和定位精度在切削加工条件下的一项综合检查。 由上述可见，数控机床精度的高低分机械和电气两个方面，机械方面如主轴精度，如跳动、母线等；丝杠的精度；加工时夹具的精度，机床的刚性等等。电气方面则主要是控制方式如半闭环，全闭环等，还有反馈和补偿方式、加工时的插补精度等。所以机床精度高低并不取决于机床是不是全闭环控制。

5 结论

根据以上所述可以看出，在理论上，如果不考虑外部的一切因素，全闭环控制比半闭环控制可能会提高基础的定位精度。但如果不能很好的解决机床发热、环境污染、温升、振动、安装、机床零部件的保持性等因素，会出现全闭环不如半闭环的现象。短时间内可能会有效果，但时间一长，灰尘、温度变化对光栅尺的影响，将严重影响测量反馈数据，从而失去作用。同时光栅尺出现问题后，会产生报警，造成机床不能工作。中低端机床，由于考虑生产成本和竞争力，在全闭环控制的配套上都进行了简化，例如密封、温升控制等没有很好的保障。在这种条件下，花较大的成本，单纯的配置光栅尺并不能提高机床的精度。

6 建议

购买机床时，应综合考虑，不应单纯的追求精度，要求全闭环。从上述依据可以看出，增加全闭环同时也意味着增加了安全调试风险和生产成本。所以，建议选购机床时，本着实用的原则为基础。不盲目追求一些华而不实的配置，不要人云亦云，应根据生产需求和客观情况来选择配置。