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數控機床的數字化全閉環控製

點擊數14522016-04-11 15:32:23　來源: 惠州市益拓工業自動化設備 | 科諾斯精密五金製品廠 | 惠州最大電腦鑼


 高精度位置控製是開發高精度數控機床的關鍵技術近年來♤猫咪段子ios針對發展國產高精度數控機床的需求♤對數字化全閉環高精度位置控製技術進行了研究♤以此為基礎開發出新型數字化全閉環位置控製係統♤並在多種國產數控機床上進行了應用♤在複雜精密零件加工方麵取得了良好效果下麵對這種新型係統的基本組成、動態結構、控製器設計、應用情況等作進一步介紹


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一、常規數字式位置控製


係統存在的問題目前♤數字式交流伺服係統在數控機床中正得到越來越廣泛的應用由其構成的位置控製係統的基本組成如圖1所示圖中♤數字式伺服驅動模塊與伺服電機等共同組成一高精度角度閉環隨動係統♤其輸入為數控係統給出的指令脈衝♤輸出為電機轉角在以光碼盤等為反饋環節所實現的閉環控製下♤電機軸的轉角將嚴格跟隨指令值變化通過齒輪副和絲杠螺母副傳動♤電機的角位移被轉換為所需的工作台直線位移


由圖可見♤雖然以轉角為輸出的數字式伺服係統本身是一閉環係統♤但從以機床工作台位移為最終被控量的角度看♤由其構成的位置控製係統卻是一開環係統(或稱半閉環係統)因此♤其位置控製精度不但與控製係統的性能有關♤而且還在很大程度上取決於機床的機械結構這樣♤係統中信息傳遞環節的誤差、機械傳動環節的誤差以及各種非線性因素的影響♤都會使工作台位移偏離指令值♤而開環係統又無法對其進行有效校正♤因而使得常規數控機♤床即使使用了高性能的數字式伺服係統也難以達到高的加工精度


二、數字式全閉環位置控製係統的組成


為解決上述問題♤本文提出一種數字化全閉環位置控製方法♤其基本思想是在對機床運動部件進行數字式驅動的基礎上♤引入直接檢測運動部件最終位移的數字式測量環節♤以充分獲取和利用係統信息♤從反饋控製的角度對機床各坐標的運動進行數字化控製♤由此構成包含各種誤差源和非線性環節的數字化全閉環係統這樣♤該係統不但可使運動部件的定位精度由檢測環節的測量精度決定♤而且可對各種幹擾和非線性因素對運動部件位移產生的影響進行有效的動態校正♤使任何時刻運動部件的實際位移總是嚴格跟隨指令值變化♤從而保證機床各坐標的運動具有很高的動、穩態精度


根據上述思路構成的數字化全閉環位置控製係統的基本組成如圖2所示該係統采用光柵作為線位移檢測裝置直接獲取機床工作台的位移信息♤此信息經過前置處理後得到相位差90度的兩路位移脈衝信號♤其頻率與工作台位移速度成正比♤其數量為工作台實際位移量除以脈衝當量位移脈衝被送入可逆計數器進行計數♤該計數器中的計數值即表示了工作台的當前實際位置係統中位置控製器的作用是♤根據位置給定值與位置反饋值之差♤按預先設計的數字化控製規律控製整個係統的運行♤以保證工作台位移嚴格跟隨指令值變化


三、係統的動態結構與控製器設計


圖2係統的動態結構如圖3所示♤包括數字位置控製器、廣義對象和反饋通道3部分廣義對象由零階保持器、脈衝發生器、數字式交流伺服係統、機械運動部件等組成其中♤零階保持器起著聯接離散環節(數字控製器)與連續環節的橋梁作風脈衝發生器的任務是根據位置控製器給出的控製信號產生控製交流伺服係統運行的指令脈衝♤因此該環節為一比例環節


交流伺服係統是係統中的數字式驅動裝置♤從宏觀上看♤伺服電機的轉角θ與指令脈衝頻率F之間成積分關係♤但從微觀上應進一步考慮θ與F間的慣性特性機械運動部件的作用是將電機轉角轉換為工作台直線位移♤如果將傳動誤差和非線性因素的影響作為對係統的動態擾動來處理♤也可將該環節看作為一比例環節這樣♤經過適當處理♤可將廣義對象的傳遞函數表示為反饋通道雖然包括檢測裝置、前置處理、信息傳遞、可逆計數等諸多環節♤涉及較複雜的信息處理過程


但從以工作台實際位置為輸入♤位置反饋值(可逆計數器中的計數值乘以脈衝當量)為輸出的角度看♤可將反饋通道看作為一比例環節♤經過適當設計可使其傳遞函數Gf(s)＝l考慮到廣義對象為包含一積分環節的3階係統♤為使由其構成的閉環係統具有較快的動態性能.並且跟蹤斜坡輸入無穩態誤差♤采用PID調節器作為位置控製器♤其實現算法為


式中uk——第k采樣周期控製器的輸出ek——第k采樣周期係統輸出與輸入間的跟隨誤差kp——比例係數Ti——積分時間常數Td——微分時間常數采用PID控製後係統變為E型係統♤實際調試時發現♤係統動態過程的超調往往很大♤有時甚至不能正常工作為解決此問題♤對(2)式中的積分作用進行分離控製即當係統處於過渡過程♤跟蹤誤差較大時♤取消積分控製♤使係統為 I型係統♤以保證穩定工作當係統進入穩態跟蹤過程時♤加入積分控製使係統變為K型係統♤以保證跟蹤斜坡輸入的穩態誤差為零由此得到的控製算法為式中 Δ——穩態跟蹤區間為進一步改善控製性能♤可利用計算機實現數字算法的靈活性♤在(3)式基礎上進行變參數控製♤即根據係統運行的不同階段♤對算法中的參數KP、Ki、Kd分別取不同的值♤以獲得更優的控製效果


四、實驗與應用


係統樣機完成後♤在一台SK8140數控銑床上進行了運動實驗該機床X、Y、Z工作台均由數字式交流伺服係統驅動♤並裝有分辨率為0.005mm的光柵尺作為位移檢測裝置實驗時以50mm為間距在各工作台行程全長上確定一定數量的測試點♤然後讓工作台在本係統的驅動控製下在這些點上進行定位♤每一點定位6次♤每定位一次進行一次測量測試結果為


每點上的所有測量值與指令值之差均不超過0.01mm這表明數字化全閉環位置控製係統具有良好的位置控製精度到目前為止♤所開發的數字化全閉環位置控製係統已在數十台國產數控機床上進行了應用


由此構成的新型全閉環數控機床的加工精度明顯提高♤並且精度保持性很好♤在複雜模具零件和精密孔係零件加工方麵均取得了良好效果


五、結論


針對發展國產高精度數控機床的需求♤對新型數字化全閉環位置控製係統進行了研究♤主要結果如下


(1)對機床運動部件進行數字化驅動♤不僅可有效消除溫漂、零漂等的影響♤而且可使被控對象具有較理想的動態結構♤使由此構成的數字化全閉環係統的動態性能有了基本保證


(2)對運動部件的最終位移進行數字化檢測♤可實時獲取運動部件精確位置信息♤為通過全閉環控製有效抑製機械傳動誤差和非線性因素對機床坐標運動的精度的影響奠定了基礎


(3)利用計算機構成數字位置控製器♤可用軟件實現帶邏輯切換的複雜控製規律♤使全閉環位置控製係統具有優良的動、穩態性能♤從而有效提高了數控機床的輪廓加工精度


(4)實際應用證明♤由數字化全閉環位置控製係統控製的數控機床在複雜精密零件加工方麵具有良好效果
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