数控机床的数字化

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高精度位置控制是发展高精度数控机床的关键技术。近年来,为了满足国内高精度数控机床发展的需要,我们研究了数字全闭环高精度位置控制技术,并在此基础上开发了一种新型数字全闭环位置控制系统,该系统已应用于国内各种数控机床,在复杂精密零件的加工中取得了良好的效果。进一步介绍了该新系统的基本组成、动态结构、控制器设计及应用。

一、常规数字位置控制

目前,数字交流伺服系统正广泛应用于数控机床中。机械零件加工位置控制系统的基本组成如图1所示。图中数字伺服驱动模块和伺服电机共同构成高精度角度闭环伺服系统,其输入为数控系统给出的指令脉冲,输出为电机角度。在以光学编码器为反馈环节的闭环控制下,电机轴的转角将严格跟随指令值的变化。通过齿轮副和丝杠螺母副的传动,将电机的角位移转化为工作台所需的直线位移。

从图中可以看出,以转角为输出的数字伺服系统虽然是闭环系统,但从机床工作台位移是最终被控制量的角度来看,由其组成的位置控制系统是开环系统(或半闭环系统)。因此,其位置控制精度不仅与控制系统的性能有关,而且在很大程度上取决于机床的机械结构。这样,信息传递环节的误差、机械传递环节的误差以及系统中的各种非线性因素都会导致工作台的位移偏离指令值,开环系统无法进行有效的修正,从而使得常规的数控机床和床身即使采用高性能的数字伺服系统,也很难达到高的加工精度。

二、数字全闭环位置控制系统的组成

为了解决上述问题,本文提出了一种数字化全闭环位置控制方法,其基本思想是:在数字化驱动机床运动部件的基础上,引入直接检测运动部件最终位移的数字化测量环节,充分获取和利用系统信息,从反馈控制的角度数字化控制机床各坐标的运动,从而形成包含各种误差源和非线性环节的数字化全闭环系统。这样,系统不仅可以使运动部件的定位精度由检测环节的测量精度决定,而且可以有效地动态修正各种扰动和非线性因素对运动部件位移的影响,使运动部件的实际位移始终严格跟随指令值在任意时刻的变化,从而保证机床各坐标的运动具有较高的动态和稳态精度。

基于上述思想的数字全闭环位置控制系统的基本组成如图2所示。该系统采用光栅作为直线位移检测装置,直接获取机床工作台的位移信息。在对该信息进行预处理之后,获得相位差为90度的两个位移脉冲信号。频率与工作台位移速度成正比,数字是工作台实际位移除以脉冲当量。位移脉冲送到可逆计数器进行计数,计数器中的计数值表示工作台当前的实际位置。系统中位置控制器的作用是根据位置给定值和位置反馈值的差值,按照预先设计的数字控制规律,控制整个系统的运行,以保证工作台的位移严格跟随指令值的变化。

第三,系统的动态结构和控制器设计

图2中系统的动态结构如图3所示,包括数字位置控制器、广义对象和反馈通道。广义对象由零阶保持器、脉冲发生器、数字交流伺服系统、机械运动部件等组成。其中,零阶保持器起到了连接离散链路(数字控制器)和连续链路的桥梁作用。脉冲发生器的任务是根据位置控制器给出的控制信号产生命令脉冲来控制交流伺服系统的运行,所以这个环节是一个比例环节。

交流伺服系统是系统中的数字驱动装置。从宏观上看,伺服电机的转角与指令脉冲频率F之间存在积分关系,但从微观上看,与F之间的惯性特性需要进一步考虑。机械运动部件的作用是将电机的转角转化为工作台的直线位移。如果将传动误差和非线性因素的影响视为对系统的动态扰动,则该环节也可视为比例环节。这样,经过适当的处理,广义对象的传递函数可以表示为一个反馈通道,它包括检测装置、预处理、信息传递、可逆计数等多个环节,涉及到一个更为复杂的信息处理过程。

但从以工作台的实际位置为输入,位置反馈值(可逆计数器中的计数值乘以脉冲当量)为输出的角度来看,反馈通道可以看作是一个比例环节,经过适当的设计,其传递函数GF (s)=L。考虑到广义对象是一个具有积分环节的三阶系统,为了使由其组成的闭环系统在跟踪斜坡输入时具有快速的动态性能和无稳态误差,采用PID调节器作为位置控制器,其实现算法如下:

在公式中,控制器在kt采样周期的输出为ek——,系统在kt采样周期的输出与输入之间的如下误差kp——,比例系数Ti3354,积分时间常数td3354,微分时间常数,经过PID控制后,系统成为e型系统。在实际调试过程中,发现系统动态过程的超调往往

很大,有时甚至不能正常工作。为解决此问题,对(2)式中的积分作用进行分离控制。东莞高速电脑锣加工即当系统处于过渡过程,跟踪误差较大时,取消积分控制,使系统为 I型系统,以保证稳定工作。当系统进入稳态跟踪过程时,加入积分控制使系统变为K型系统,以保证跟踪斜坡输入的稳态误差为零。由此得到的控制算法为式中 Δ——稳态跟踪区间为进一步改善控制性能,可利用计算机实现数字算法的灵活性,在(3)式基础上进行变参数控制,即根据系统运行的不同阶段,对算法中的参数KP、Ki、Kd分别取不同的值,以获得更优的控制效果。

四、实验与应用

系统样机完成后,在一台SK8140数控铣床上进行了运动实验。该机床X、Y、Z工作台均由数字式交流伺服系统驱动,并装有分辨率为0.005mm的光栅尺作为位移检测装置。实验时以50mm为间距在各工作台行程全长上确定一定数量的测试点,然后让工作台在本系统的驱动控制下在这些点上进行定位,每一点定位6次,每定位一次进行一次测量。测试结果为:

每点上的所有测量值与指令值之差均不超过0.01mm。这表明数字化全闭环位置控制系统具有良好的位置控制精度。到目前为止,所开发的数字化全闭环位置控制系统已在数十台国产数控机床上进行了应用。

由此构成的新型全闭环数控机床的加工精度明显提高,并且精度保持性很好,在复杂模具零件和精密孔系零件加工方面均取得了良好效果。

五、结论

针对发展国产高精度数控机床的需求,对新型数字化全闭环位置控制系统进行了研究,主要结果如下:

(1)对机床运动部件进行数字化驱动,不仅可有效消除温漂、零漂等的影响,而且可使被控对象具有较理想的动态结构,使由此构成的数字化全闭环系统的动态性能有了基本保证。

(2)对运动部件的最终位移进行数字化检测,可实时获取运动部件精确位置信息,为通过全闭环控制有效抑制机械传动误差和非线性因素对机床坐标运动的精度的影响奠定了基础。

(3)利用计算机构成数字位置控制器,东莞机械零件加工可用软件实现带逻辑切换的复杂控制规律,使全闭环位置控制系统具有优良的动、稳态性能,从而有效提高了数控机床的轮廓加工精度。

(4)实际应用证明,由数字化全闭环位置控制系统控制的数控机床在复杂精密零件加工方面具有良好效果。

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