自動控制理論在數控機床維修中的應用探討

徐峰

摘要：現代社會，對精密加工有極高要求，數控機床有著眾多且復雜的零部件，生產精度要求極高，作業周期本身比較短，面對數控時代的到來，我國很多產業都有推進工業改革。現如今數控機床在維修的時候，已經有普遍使用自動控制這一理論，獲得非常不錯的實踐效果。本文將結合實際，做數控機床在維修中對自動控制理論的使用研究，旨在最大化效益。

關鍵詞：自動控制理論;數控機床;維修

前言：在科技不斷成熟的今天，數控機床憑借著密切的關聯性，也獲得了進步。如今工廠生產中，數控機床是很常見的設備。在自動控制中，自控理論是核心中的核心。以有沒有反饋，可以把自控系統分為閉環控制與開環控制兩個類型。依靠自動控制的理論和概念，平衡與把握輸入輸出關系。只要自控系統能夠時刻保持穩定，就能夠合理把握自動控制的系統。另外自控系統的輸出量觀測是比較方便的，能夠直接掌握系統當前運行情況、運行狀態。為了讓工藝生產中能夠更好地展現數控機床價值和優勢，就需要做好對自動控制理論研究，解決故障、分析問題，提高生產質量。

一、伺服系統構成

以伺服控制的角度來看，數控機床總共有三種類型，分別是開環、閉環與半閉環，當然不論是哪一種，其都依靠反饋控制理論運行。也就是根據反饋位置比較NC系統指令值，最后得出的結果，用控制伺服電機做誤差方向旋轉，最后就能夠獲得需要的運行結果和目標。比如X軸的閉環控制系統，其伺服系統實際上就是對內、外兩種環控制位置的跟隨，其結果如圖1所示，數學模型如圖2.

? 其中，圖2里面的Xi是輸入信號，Kp是控制器軟件增益，能夠根據系統情況調整位置，是開環增益。Kdu是轉換數模的系數。K q是電機力矩的常數，Re是電樞的回路電阻。J是轉動慣量、Kφ是反電勢常數，Kn是速度反饋數。將其模型變成公式可以得到： 這里面的Km對應的是單個伏的電壓電機轉速，Km= ? 說的是時間常數 ?為 ?。

隨后是閉環控制開環的增益，K=KpKduKmKe.假設此時不去考慮閉環模型的時間常數和速度 ，那么此時的位置控制傳遞函數開環Gk=K/S，此時閉環的傳遞函數就成為了一階模型，也就是G（s）= 這里的T=1/K，假設這一次考慮時間 ，那么此時的位置控制開環傳遞模型的函數就變成了Gk= 。此時的閉環函數屬于二階模型，G（s）= ，然后這里面的 。從這一系列的數據可以看到的是，數控機床伺服系統本身由速度控制系統與位置控制系統這兩部分構成，也就是一階非周期與二階振蕩。之所以會出現這種情況，是因為一階非周期無法工作，存在很大的靜態誤差。計算機控制和計算即便再準確也沒辦法。二階振蕩控制在數控機床上，沒有足夠的實用性。這和數控機床最終控制對象是位置有關系。通常一階非周期與二階振蕩一起合作才能夠運行，保障工作質量。正因為有了二階振蕩環節，所以才能夠有效縮短系統的控制響應時間，提高靈敏度，保障系統控制效果。對于靜態的誤差控制，可以將其調整的小一些，不發散機床的振蕩，同時也不讓執行機構變得那么滯后，提高了精準性、位置準確度。現如今數控系統在二階振蕩控制中，大多都會用到軟件，在維修調試中，顯得比較方便。

二、常規機床與數控起床

這里數控機床主要由5部分構成。首先是第一個部分，主機設備，該設備是數控機床自己的本體，用處在于處理加工切削操作要求。第二個部分是數控裝置，主要作用就是把各種數字程序輸入、存儲器當中，將數字變成對應的控制功能。第三個部分驅動裝置，用途為控制機床實際工作內容。第四個部分輔助裝置，用途為確保數控機床得以有效、安全運行。最后是第五個部分，編程附屬裝備，用途為編制與存儲機床以外的各個部件，其構成如圖3所示。

在常規機床的基礎上，使用自控理論的就是數控機床，依靠數字信息操作運行機床。能夠將工件的移動信息和數字代碼詳細轉存到程序當中[1]。這些數字信息進入到機床系統以后，使用科學計算辦法，負責對整個機床系統運轉的操作。數控機床這時候就會按照之前的程序做產品加工與處理。常規機床生產的時候，需要用人力輔助加工。而數控機床則不需要，不僅提高了生產效率，還有許多附加功能，簡化了不必要步驟，控制了生產投入。數控機床能夠用多方位的工作模式，做產品加工[2]。當然 數控機床本身有著很高的自動化水平，可以有效減少人員的工作強度。另外，數控機床在操作中，對人員素質有著較高要求，尤其是維修技術要求。所以多零件加工，精度要求高的生產很適合用數控機床。從另一個角度不難發現，因為數控機床功能多，所以在自控理論不斷發展以后，其變化也十分多。

三、數控機床維修對自動控制理論的應用

（一）伺服系統

按照控制方式，數控機床有三種類型，為開環、閉環與半閉環。其由兩部分構成，為位置控制、速度控制，即一階非周期與二階振蕩。僅僅依靠位置控制系統并不合理，也不現實。這和位置靜態系統誤差大有很大管理，即便計算的再精準也無法達到對應不表[3]。數控機床最大的目標和工作方向就是明確方位，要做好位置控制與速度控制混合、配合，才能夠有效提高精度，并減少誤差。

（二）影響系統性能的要素

現如今，目前市面所用的大部分數控機床，其脈沖量都能夠達成0.001mm，有著很高的控制精度。在操控多軸聯動數控機床的時候，也可以看到配合效果十分好，沒有出現表面粗糙、加工精度和加工效率方面的問題。如果軸動作本身比較慢，對時序規定時間造成了影響，就會導致機床無法正常運行。就好像其他的控制系統一樣，判斷中，數字伺服的性能衡量有這樣三個點是很重要的指標，即靜態誤差、超調量、動態過渡時間。

首先是靜態偏差。這里的靜態偏差說的是在控制系統中，當執行機構漸漸靠近目標位置，此時的靜態位置就會偏移一定給定值，該數值便宜的越大，那么執行機構就會因為無法到達預期設定的目標，選擇停機報警。

其次是超調量，其說的就是系統輸出達到最大響應值以后，此時超出了穩態值和穩態值部分的比。如果超調量過大，那么機床就會在給定部位不停擺動，此時如果沒有保障編碼器的檢測效果，沒有達到指定目標，那么機床就會停機與報警，無法讓后續的動作操作。

最后是動態過渡時間。這里說的是，階躍響應達到終值±5%的誤差，此時需要用的最短時間。因為數控系統采用的是總線控制模式，也就是控制總線、地址、數據分時公用，需要按照之前編寫好的程序流程工作，每個零部件有多少程序段，那么這個機器系統就能夠完成多少個操作。多個過度時間段的上一個動作如果沒有完成，則后面的動作也不會出現。正因如此，絕不能讓過渡時間停留過長，否則會對加工速度造成干擾和影響。

結語：在我國科技水平全面發展、快速進步的今天，國內的數控技術已經非常全面。本文簡要說明了在維修數控機床過程中，自動控制理論的使用思路，基于自控理論出發，闡述伺服控制辦法。并討論了故障原因，提出了筆者的經驗和應對辦法。可以說數控機床在維修中，自控理論的作用是非常顯著的。

參考文獻：

[1]彭博涵，朱慧珠，李玉潔等.基于STM單片機的平衡車設計研究——以PID算法為主[J].無線互聯科技，2020，17（04）：78-79.

[2]張鵬，王博思，張婉馨.基于模糊理論的中央空調水自動控制系統設計[J].自動化與儀器儀表，2020（01）：122-125.

[3]陳亞凱.自動控制理論在火電廠熱工自動化中的有效運用分析[J].科學技術創新，2019（34）：195-196.