數(shù)控銑邊機(jī)全閉環(huán)控制及振蕩排除

孫潤(rùn)喜

數(shù)控銑邊機(jī)全閉環(huán)控制及振蕩排除

孫潤(rùn)喜

（陜西榮成智控機(jī)電科技有限公司，陜西 西安 710043）

介紹了數(shù)控機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)的構(gòu)成和功能配置，對(duì)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)、全閉環(huán)控制系統(tǒng)作了簡(jiǎn)述，闡述了將普通龍門(mén)刨床改造為全閉環(huán)數(shù)控龍門(mén)銑邊機(jī)的電氣控制原理，分析了在全閉環(huán)控制中引起系統(tǒng)振蕩的問(wèn)題和排除方法等。

數(shù)控技術(shù)；數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)控機(jī)床；開(kāi)環(huán)控制

1 數(shù)控機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的構(gòu)成和功能配置

數(shù)控技術(shù)是采用數(shù)字代碼形式的信息，按給定的工作程序、運(yùn)動(dòng)速度和軌跡，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)操作的一種技術(shù)。如果一種設(shè)備的控制過(guò)程是以數(shù)字形式來(lái)描繪的，其工作過(guò)程是可編程序的，并能在程序控制下自動(dòng)地進(jìn)行，那么這種設(shè)備就稱(chēng)為數(shù)控設(shè)備。采用數(shù)控技術(shù)的控制系統(tǒng)為數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成的設(shè)備為數(shù)控設(shè)備。數(shù)控機(jī)床是采用數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成的一種典型的數(shù)控設(shè)備。

數(shù)控機(jī)床通常由控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)用于數(shù)控機(jī)床的運(yùn)算、管理和控制，通過(guò)輸入介質(zhì)得到數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋和運(yùn)算并對(duì)機(jī)床產(chǎn)生作用；伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括主軸驅(qū)動(dòng)及進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，伺服系統(tǒng)根據(jù)控制系統(tǒng)的指令驅(qū)動(dòng)機(jī)床，使刀具和零件執(zhí)行數(shù)控代碼規(guī)定的運(yùn)動(dòng)；伺服系統(tǒng)的作用是把來(lái)自數(shù)控裝置的脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)換成機(jī)床移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)。

檢測(cè)系統(tǒng)用來(lái)檢測(cè)機(jī)床執(zhí)行件（工作臺(tái)、轉(zhuǎn)臺(tái)、滑板等）的位移和速度變化量，并將檢測(cè)結(jié)果反饋到輸入端，與輸入指令進(jìn)行比較，根據(jù)其差別調(diào)整機(jī)床運(yùn)動(dòng)；機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)是由進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)元件至機(jī)床執(zhí)行件之間的機(jī)械進(jìn)給傳動(dòng)裝置；輔助系統(tǒng)種類(lèi)繁多，如固定循環(huán)（能進(jìn)行各種多次重復(fù)加工）、自動(dòng)換刀（可交換指定刀具）、傳動(dòng)間隙補(bǔ)償（機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的間隙誤差）等等。

2 數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)及全閉環(huán)控制簡(jiǎn)述

數(shù)控系統(tǒng)按伺服系統(tǒng)工作原理可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和全閉環(huán)控制系統(tǒng)等。

開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)：采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件，沒(méi)有位置和速度反饋器件，所以控制簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，但它們的負(fù)載能力小、位置控制精度較差、進(jìn)給速度較低，主要用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置。

半閉環(huán)和閉環(huán)位置控制系統(tǒng)：采用直流或交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件，可以采用內(nèi)裝於電機(jī)內(nèi)的脈沖編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置/速度檢測(cè)器件來(lái)構(gòu)成半閉環(huán)位置控制系統(tǒng)，也可以采用直接安裝在工作臺(tái)的光柵或感應(yīng)同步器作為位置檢測(cè)器件，來(lái)構(gòu)成高精度的全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。

由于螺距誤差的存在，使得從半閉環(huán)系統(tǒng)位置檢測(cè)器反饋的絲杠旋轉(zhuǎn)角度變化量，還不能精確地反映進(jìn)給軸的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)位置。但是，經(jīng)過(guò)數(shù)控系統(tǒng)對(duì)螺距誤差的補(bǔ)償后，它們也能達(dá)到相當(dāng)高的位置控制精度。與全閉環(huán)系統(tǒng)相比，它們的價(jià)格較低，安裝在電機(jī)內(nèi)部的位置反饋器件的密封性好，工作更加穩(wěn)定可靠，幾乎無(wú)需維修，所以廣泛地應(yīng)用于各種類(lèi)型的數(shù)控機(jī)床。

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的迅速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床越來(lái)越多地被廣泛應(yīng)用，同時(shí)對(duì)數(shù)控機(jī)床定位精度、重復(fù)定位精度要求也日益提高，原先精密滾珠絲杠加編碼器式的半閉環(huán)控制系統(tǒng)已無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。半閉環(huán)控制系統(tǒng)無(wú)法控制機(jī)床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的傳動(dòng)誤差、高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生熱變形誤差以及加工過(guò)程中剛性傳動(dòng)系統(tǒng)磨損而產(chǎn)生的誤差，而這些誤差已經(jīng)嚴(yán)重影響到數(shù)控機(jī)床的加工精度及其穩(wěn)定性。

線(xiàn)性光柵尺對(duì)數(shù)控機(jī)床各線(xiàn)性坐標(biāo)軸進(jìn)行全閉環(huán)控制，消除上述誤差，提高機(jī)床的定位精度、重復(fù)定位精度以及精度可靠性，作為提高數(shù)控機(jī)床位置精度的關(guān)鍵部件日益受到用戶(hù)的青睞。

3 數(shù)控龍門(mén)銑邊機(jī)全閉環(huán)電氣控制

2008-03—2008-05，成功地將一臺(tái)進(jìn)口報(bào)廢的龍門(mén)刨床改造成全閉環(huán)控制的數(shù)控龍門(mén)銑邊機(jī)床，如圖1所示。龍門(mén)銑床包括床身、工作臺(tái)、橫梁、立刀架、立柱、龍門(mén)頂?shù)取Ｔ堥T(mén)刨床由于潤(rùn)滑問(wèn)題導(dǎo)致床身和工作臺(tái)面磨損嚴(yán)重，出現(xiàn)了精度降低、生產(chǎn)效率低等問(wèn)題，電氣部分采用K—F—D（發(fā)電機(jī)組電動(dòng)機(jī)）調(diào)速系統(tǒng)交流電機(jī)拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)再拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，由交磁放大機(jī)控制發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)，結(jié)合機(jī)械傳動(dòng)，達(dá)到20∶1的機(jī)電聯(lián)合調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速性差。改造成的數(shù)控銑邊機(jī)是以板類(lèi)零件的銑邊、倒角、切削為主的數(shù)控機(jī)床。具有重切削、高速高效銑削加工能力；數(shù)控系統(tǒng)安裝在采用懸掛可旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的操作箱上，可方便用戶(hù)在不同位置操作；自動(dòng)化程度高；采用光柵尺組成全閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高了機(jī)床的定位精度、重復(fù)定位精度以及精度可靠性。

圖1 數(shù)控龍門(mén)銑邊機(jī)床

全閉環(huán)數(shù)控龍門(mén)銑邊機(jī)電氣系統(tǒng)主要完成人機(jī)對(duì)話(huà)和對(duì)三坐標(biāo)機(jī)床坐標(biāo)的進(jìn)給、主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)以及機(jī)床的液壓、潤(rùn)滑、冷卻系統(tǒng)等的控制。該機(jī)床的3個(gè)坐標(biāo)采用法格直線(xiàn)光柵尺作為全閉環(huán)反饋方式，機(jī)床主軸為電主軸，使用超同步公司的交流伺服主軸驅(qū)動(dòng)器控制，針對(duì)該機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其電氣控制系統(tǒng)配置了華中數(shù)控系統(tǒng)“世紀(jì)星HNC-22MD”全數(shù)字?jǐn)?shù)控系統(tǒng)，伺服驅(qū)動(dòng)配置相應(yīng)的18D型數(shù)控式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

輔助設(shè)備的控制：通過(guò)外置的三菱PLC（FX1n-40MR）控制液壓系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及水冷卻系統(tǒng)的工作，同時(shí)與數(shù)控系統(tǒng)連鎖。外部輔助設(shè)備工作狀態(tài)由數(shù)控系統(tǒng)輸入接口XS10的第7腳X1.4、第19腳X1.5、第6腳X1.6監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)異常故障系統(tǒng)立刻急停報(bào)警。除了系統(tǒng)提供的故障信息查詢(xún)外，在控制柜上還安裝了更具體的聲光報(bào)警指示器，以方便、快捷、準(zhǔn)確地判斷處理故障。

系統(tǒng)特點(diǎn)：該銑邊機(jī)具有重切削、高速高效銑削加工能力；三軸聯(lián)動(dòng)，可以加工曲線(xiàn)圓弧；通過(guò)HSV-18D伺服驅(qū)動(dòng)器上連接的第一碼盤(pán)電機(jī)編碼器和第二碼盤(pán)光柵尺構(gòu)成雙反饋全閉環(huán)控制，有很高的定位精度和重復(fù)定位精度；除了標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)控制面板外，配置40路開(kāi)關(guān)量輸入和32路開(kāi)關(guān)量輸出接口、手持單元接口、主軸控制與編碼器接口。還可擴(kuò)展20路輸入/16路輸出；采用10.4′彩色液晶顯示器（分辨率為640×480），全漢字操作界面、故障診斷與報(bào)警、加工軌跡圖形顯示和仿真，操作簡(jiǎn)便，易于掌握和使用；具有小線(xiàn)段連續(xù)加工功能，特別適合于CAD/CAM設(shè)計(jì)的復(fù)雜模具零件加工；加工斷點(diǎn)保存/恢復(fù)功能，方便用戶(hù)使用；內(nèi)置RS232通訊接口，輕松實(shí)現(xiàn)機(jī)床數(shù)據(jù)通訊；通過(guò)USB接口方便將程序輸入到系統(tǒng)中；開(kāi)通的以太網(wǎng)接口，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊功能；可靠的外圍輔助設(shè)備控制報(bào)警系統(tǒng)，是本臺(tái)銑邊機(jī)高速高效切屑的保障。

連接調(diào)試：系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)之間的連接線(xiàn)均用電纜連接，電纜兩端是與接口匹配的插頭，電氣連接簡(jiǎn)單方便，接線(xiàn)很少。

將數(shù)控系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)器之間的、、三軸控制電纜連接好，再將驅(qū)動(dòng)器到對(duì)應(yīng)電機(jī)和光柵尺的電纜連接好，主軸驅(qū)動(dòng)器到數(shù)控系統(tǒng)和電機(jī)的連接電纜也連接好，各種輸入/輸出開(kāi)關(guān)量及信號(hào)連接正常，控制電壓接線(xiàn)正確，外圍輔助設(shè)備連接完成，檢查線(xiàn)路等沒(méi)有問(wèn)題時(shí)可以通電調(diào)試。在調(diào)試過(guò)程中對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在全閉環(huán)下，3個(gè)軸外部脈沖當(dāng)量分子和分母都設(shè)為“1”，其他參數(shù)根據(jù)各軸要求設(shè)置，不必設(shè)置的采用系統(tǒng)默認(rèn)的值。“定位誤差”設(shè)置很關(guān)鍵，如果該參數(shù)過(guò)小，系統(tǒng)容易達(dá)不到定位誤差而停機(jī)；如果過(guò)大，則會(huì)影響加工精度，因此，要根據(jù)機(jī)床定位精度及脈沖當(dāng)量確定，由于該銑邊機(jī)軸慣量很大，容易振蕩，“定位誤差”設(shè)為“200”；軸、軸慣量很小，“定位誤差”設(shè)為“60”。

解決各軸的振蕩爬行問(wèn)題是本銑邊機(jī)的難點(diǎn)，通過(guò)修改驅(qū)動(dòng)器參數(shù)“位置比例增益”“速度比例增益”“速度積分時(shí)間常數(shù)”等處理，此三項(xiàng)的默認(rèn)參數(shù)為“4 000”“2 000”“20”。經(jīng)過(guò)反復(fù)運(yùn)行調(diào)整，軸此3項(xiàng)參數(shù)為“750”“300”“20”時(shí)振蕩爬行現(xiàn)象消失，軸此3項(xiàng)參數(shù)為“600”“2 000”“40”時(shí)振蕩爬行現(xiàn)象消失，軸此3項(xiàng)參數(shù)為“1 500”“1 500”“60”時(shí)振蕩爬行現(xiàn)象消失。

調(diào)試完成后試切削，高速重切削下速度在2 500 mm/min以上沒(méi)有出現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)行各種圓弧、異型加工，精度很高，用戶(hù)反映良好，驗(yàn)收一致通過(guò)。

4 數(shù)控系統(tǒng)振蕩問(wèn)題的分析和排除方法

數(shù)控系統(tǒng)的振蕩現(xiàn)象已成為數(shù)控全閉環(huán)系統(tǒng)的共同性問(wèn)題，該問(wèn)題已經(jīng)成為影響數(shù)控設(shè)備正常使用的重要因素之一。

4.1 產(chǎn)生振蕩的原因

產(chǎn)生振蕩的原因有很多，除了機(jī)械方面存在不可消除的傳動(dòng)間隙、彈性變形、摩擦阻力等諸多因素外，伺服系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)的影響也是重要的一方面。引起伺報(bào)系統(tǒng)振動(dòng)的原因大致有4種，即位置環(huán)不良引起輸出電壓不穩(wěn)、速度環(huán)不良引起的振動(dòng)、伺服系統(tǒng)可調(diào)定位器過(guò)大引起電壓輸出失真、傳動(dòng)機(jī)械裝置（如絲桿）間隙過(guò)大。

這些控制環(huán)的輸出參數(shù)量失真或機(jī)械傳動(dòng)裝置間隙過(guò)大都是引起振動(dòng)的主要因素，它們都可以通過(guò)伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

4.2 消除振動(dòng)的基本方法

有些數(shù)控伺服系統(tǒng)采用的是半閉環(huán)裝置，而全閉環(huán)伺服系統(tǒng)必須是在期局部半閉環(huán)系統(tǒng)不發(fā)生振動(dòng)的前提下進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，所以?xún)烧叽笸‘悾旅嬗懻撊]環(huán)情況下的參數(shù)優(yōu)化方法。

4.2.1 降低位置環(huán)增益

在伺服系統(tǒng)中有參考的標(biāo)準(zhǔn)值，例如FANUCO-C系列為3 000，西門(mén)子3系統(tǒng)為1 666，華中HSV-18D系列的為 4 000，出現(xiàn)振蕩可適當(dāng)降低增益，但不能降過(guò)多，因?yàn)橐ＷC系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

4.2.2 降低負(fù)載慣量比

負(fù)載慣量比一般設(shè)置在發(fā)生振動(dòng)時(shí)所示參數(shù)的70%左右，如果不能消除故障，則不宜繼續(xù)降低該參數(shù)值。

4.2.3 加入比例微積分器（PID）

比例微積分器是一個(gè)多功能控制器，它不僅能有效地對(duì)電流電壓信號(hào)進(jìn)行比例增益，同時(shí)可調(diào)節(jié)輸出信號(hào)滯后或超前的問(wèn)題，振蕩故障有時(shí)因輸出電流電壓發(fā)生滯后或超前情況而產(chǎn)生，這時(shí)可通過(guò)PID來(lái)調(diào)節(jié)輸出電流電壓相位。

4.2.4 采用高頻抑制功能

以上討論的是有關(guān)低頻振蕩時(shí)參數(shù)優(yōu)化方法，而有時(shí)數(shù)控系統(tǒng)會(huì)因機(jī)械上某些振蕩原因使反饋信號(hào)中含有高頻諧波，這使輸出轉(zhuǎn)矩量不恒定，從而產(chǎn)生振動(dòng)。

對(duì)于這種高頻振蕩情況，可在速度環(huán)上加入一階低通濾波環(huán)節(jié)，即為轉(zhuǎn)矩濾波器。速度指令與速度反饋信號(hào)經(jīng)速度控制器轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩信號(hào)，轉(zhuǎn)矩信號(hào)通過(guò)一階濾波環(huán)節(jié)將高頻成分截止，從而得到有效的轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)。通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)可將機(jī)械產(chǎn)生的100 Hz以上的頻率截止，從而達(dá)到消除高頻振蕩的效果。

4.2.5 采用雙位置反饋功能

雙反饋是一種改變控制方式的方法，可在同一個(gè)系統(tǒng)選擇半閉環(huán)或全閉環(huán)方式。雙位置反饋功能是一種比較靈活的誤差修正方式，在系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中有很好的參數(shù)優(yōu)化和保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的功能。

4.2.6 采用機(jī)械反饋功能

在保證半閉環(huán)穩(wěn)定性后，使用全閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)調(diào)整系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)。如果是因機(jī)械環(huán)節(jié)引起的彈性振蕩故障，需采用機(jī)械反饋環(huán)節(jié)來(lái)調(diào)整參數(shù)，可達(dá)到很好的效果。電機(jī)與工作臺(tái)之間的彈性機(jī)械裝置可能產(chǎn)生變形，而位置檢測(cè)主要來(lái)自位置編碼器，速度反饋直接來(lái)自電機(jī)編碼器。從整個(gè)全閉環(huán)過(guò)程來(lái)看，因機(jī)械彈性裝置的形變產(chǎn)生全閉環(huán)中位置反饋滯后于其他速度環(huán)節(jié)，進(jìn)而引起系統(tǒng)振蕩。

如果加入機(jī)械速度反饋環(huán)節(jié)，使機(jī)械速度滯后得到補(bǔ)償，從而達(dá)到消除振蕩的效果。

5 總結(jié)

以上主要討論了幾種消除數(shù)控系統(tǒng)振蕩故障的基本方法，根據(jù)不同系統(tǒng)可選擇不同的方式進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。關(guān)鍵是要分析引起振蕩的原因，采取相應(yīng)的消除方式進(jìn)行調(diào)整，不可以盲目進(jìn)行參數(shù)修改，以免影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

6 結(jié)束語(yǔ)

在整個(gè)機(jī)床的改造過(guò)程中涉及到了許多測(cè)試、調(diào)試的問(wèn)題，在硬件設(shè)備安裝好后又要進(jìn)行許多調(diào)試工作，才能使所改造的設(shè)備處于最佳的工作狀態(tài)。對(duì)于各種不同的數(shù)控系統(tǒng)需要采用不同的診斷方法，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)制訂有效的故障排除措施，提高生產(chǎn)運(yùn)行能力，保證加工效率。對(duì)于普通機(jī)床，特別是大、中型關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行數(shù)控改造，可有效地提高原機(jī)床的加工精度和效率，拓展原機(jī)床的功能，延長(zhǎng)原機(jī)床的生命周期，增強(qiáng)企業(yè)在市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

［1］孫志永，趙硯江.數(shù)控與電控技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

TG54

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.02.018

2095－6835（2020）02－0059－03

孫潤(rùn)喜（1968—），男，陜西岐山人，大專(zhuān)，工程師，主要從事電子電氣新技術(shù)研發(fā)設(shè)計(jì)、工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)調(diào)試及智能化控制系統(tǒng)應(yīng)用等工作。

〔編輯：張思楠〕