伺服控制技術(shù)在數(shù)控加工中的應(yīng)用價(jià)值與提升方向

單 煒

(江蘇省惠山中等專業(yè)學(xué)校,江蘇 惠山 214151)

0 引言

機(jī)械加工是國家機(jī)械工業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵行業(yè),機(jī)械加工的生產(chǎn)力受到技術(shù)條件和設(shè)備先進(jìn)性的明顯制約。數(shù)控技術(shù)作為制造業(yè)向現(xiàn)代化發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù),在機(jī)床產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛。近年來,我國數(shù)控機(jī)床的普及程度持續(xù)提高,改善了機(jī)械化生產(chǎn)效率,但從國際范圍看,我國自主研發(fā)的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品和配套技術(shù)仍有較大提升空間,國內(nèi)機(jī)床企業(yè)現(xiàn)階段生產(chǎn)的產(chǎn)品自主研發(fā)能力不足,對于伺服控制技術(shù)的深度應(yīng)用、參數(shù)探究、性能分析不足,導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床在加工精度、工作效率、穩(wěn)定性等方面與國際一線品牌產(chǎn)品存在較大技術(shù)差距,通過積極利用和深入研究數(shù)控機(jī)床伺服控制技術(shù)體系來改善機(jī)械制造質(zhì)量,已成為現(xiàn)階段我國機(jī)械加工行業(yè)發(fā)展的重要工作之一。

1 機(jī)床數(shù)字控制技術(shù)特征

數(shù)字控制技術(shù)(Numerical Control,NC)是數(shù)控機(jī)床自動(dòng)運(yùn)行的基礎(chǔ),其原理是通過建立數(shù)學(xué)控制公式配合程序指令實(shí)現(xiàn)對電氣可控設(shè)備的自動(dòng)控制,是計(jì)算機(jī)技術(shù)與電氣技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。國內(nèi)在機(jī)床上開展了數(shù)字控制技術(shù)的相關(guān)研究,通過科研人員的不懈努力,目前國內(nèi)的數(shù)控機(jī)床技術(shù)已逐步接近國際先進(jìn)水平,使我國機(jī)械制造業(yè)也呈現(xiàn)出自動(dòng)化、柔性化和集成化的發(fā)展趨勢。機(jī)床數(shù)字控制技術(shù)現(xiàn)階段已與機(jī)械行業(yè)有效融合,實(shí)現(xiàn)了兼容CAD、CAM,并發(fā)展成整合FMS、CIMS特征的新機(jī)械加工制造體系[1]。

2 伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值

伺服控制系統(tǒng)是電氣化自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要分類之一,由控制器、驅(qū)動(dòng)元件、被控對象和檢測裝置組成,能通過控制指令實(shí)現(xiàn)對相對運(yùn)動(dòng)的控制,該技術(shù)在機(jī)械相關(guān)產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛。伺服控制與傳統(tǒng)控制過程相對比,特征在于伺服控制系統(tǒng)能夠按照人們的意愿進(jìn)行精準(zhǔn)控制,同時(shí)對控制質(zhì)量進(jìn)行跟蹤和修正,應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)加工中,實(shí)現(xiàn)智能控制。伺服控制系統(tǒng)按照數(shù)控編程指令和程序修正功能,精確控制工作臺與主軸刀具和被切割工件的相對位置,實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵加工器具的規(guī)律運(yùn)動(dòng),更容易保證機(jī)械加工質(zhì)量,該系統(tǒng)具有穩(wěn)定、靈活、方便、快速、準(zhǔn)確等特性[2-3]。

伺服控制系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用價(jià)值體現(xiàn)在以下幾方面:一是有效提升數(shù)控機(jī)床的加工精度,能通過精確控制和邏輯分析與判斷實(shí)現(xiàn)精確加工與制造;二是有效提高自動(dòng)化程度,減少人工參與過程,降低勞動(dòng)強(qiáng)度;三是有效縮短生產(chǎn)制造周期,實(shí)現(xiàn)多道工序的連續(xù)加工,降低不同工序加工誤差累積,提高零件制造合格率,降低廢品率,尤其適合精密零件的生產(chǎn)制造;四是隨著伺服控制系統(tǒng)進(jìn)入全數(shù)字化和交流化時(shí)代,利用軟件優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)性能升級[4]。

3 技術(shù)體系組成與原理

3.1 基礎(chǔ)組成及功能

伺服控制系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用,主要包括3個(gè)功能分類,分別為控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)裝置和位置檢測系統(tǒng),其工作原理如圖1所示。控制系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的“大腦”,能夠接收和利用檢測系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對加工程序和修正程序的調(diào)取,根據(jù)加工實(shí)施狀態(tài)進(jìn)行判斷調(diào)整,通過計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)運(yùn)算形成指令,并發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)裝置;伺服驅(qū)動(dòng)裝置是數(shù)控機(jī)床的“軀干”,是機(jī)械加工的執(zhí)行主體能夠根據(jù)控制系統(tǒng)制定的執(zhí)行動(dòng)作,主要由驅(qū)動(dòng)元件、機(jī)械傳動(dòng)部件和末端執(zhí)行件等組成;位置檢測系統(tǒng)由多種傳感器和通訊設(shè)備組成,能夠?qū)崿F(xiàn)對機(jī)械部件實(shí)際位移量的檢測,并能將檢測結(jié)果反饋給控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、位置檢測系統(tǒng)之間形成循環(huán)配合。目前,數(shù)控機(jī)床伺服控制技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入智能化控制階段,先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床能夠利用控制系統(tǒng)自主運(yùn)算、自主控制并發(fā)送指令,驅(qū)動(dòng)機(jī)床部件自動(dòng)加工制造零件,隨著機(jī)床技術(shù)的發(fā)展,數(shù)控機(jī)床伺服控制功能也進(jìn)一步向集成化、人性化方向發(fā)展。

圖1 數(shù)控機(jī)床伺服控制技術(shù)工作原理

3.2 控制系統(tǒng)

數(shù)學(xué)控制模型是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵邏輯基礎(chǔ),伺服控制系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用的廣泛控制方法為PID控制(Proportion Integration Differentiation),其技術(shù)原理如圖2所示。PID控制主要由比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)組成,該控制可形成一個(gè)具有執(zhí)行反饋循環(huán)功能的可控回路系統(tǒng),通過比較收集數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)值之間的差值,調(diào)整控制過程中的執(zhí)行量,以保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性,尤其適用于數(shù)控機(jī)床這一類具有穩(wěn)定誤差和批量反復(fù)加工統(tǒng)一零件的條件中,PID控制能充分發(fā)揮其穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的優(yōu)勢[5]。

圖2 PID控制技術(shù)原理

PLC可編程邏輯控制器控制模型(Programmable Logic Controller)是數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用的一種成熟的控制模型,能使電氣線路布線更加簡潔,而且能實(shí)現(xiàn)常規(guī)控制電路不能實(shí)現(xiàn)的特殊控制功能。其在機(jī)械加工行業(yè)中已發(fā)展成為相對成熟的電子控制系統(tǒng),并配備有專用的可編程存儲器,通過快捷選擇功能和自主編程,實(shí)現(xiàn)對機(jī)床驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)的控制、運(yùn)行邏輯運(yùn)算,以及時(shí)間、空間相對關(guān)系的調(diào)整。其軟件控制的實(shí)現(xiàn)需要依托電源、中央處理單元、存儲器、輸入單元、輸出單元等硬件支持。近年來,PLC控制技術(shù)在數(shù)控機(jī)床方面也實(shí)現(xiàn)了快速優(yōu)化調(diào)整,其功能由傳統(tǒng)的編程控制逐漸向邏輯控制、時(shí)序控制、模擬控制等自主控制方向轉(zhuǎn)型,逐漸實(shí)現(xiàn)控制功能的優(yōu)化。

3.3 伺服驅(qū)動(dòng)裝置

伺服驅(qū)動(dòng)根據(jù)技術(shù)特征和發(fā)展時(shí)期可分為直流伺服驅(qū)動(dòng)和交流伺服驅(qū)動(dòng)兩種。直流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用較早,主要驅(qū)動(dòng)裝置是制動(dòng)電機(jī),通過對直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制實(shí)現(xiàn)對機(jī)床加工制造狀態(tài)的調(diào)整,直流驅(qū)動(dòng)裝置能適應(yīng)機(jī)械加工中高負(fù)載加工需求,實(shí)現(xiàn)大扭矩輸出下的精確控制。交流伺服驅(qū)動(dòng)在現(xiàn)階段數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用更為廣泛,屬于新興伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù),其能夠通過變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)對交流電機(jī)的精確控制,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)機(jī)床主軸及刀具實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)加工。交流伺服驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢在于驅(qū)動(dòng)控制過程能夠?qū)崟r(shí)與旋轉(zhuǎn)編碼器速度測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比控制,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)修正[6]。

3.4 位置檢測系統(tǒng)

位置檢測系統(tǒng)是對數(shù)控機(jī)床伺服控制原始環(huán)境、執(zhí)行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取與處理的功能系統(tǒng),其主要功能裝置為傳感器。隨著傳感器技術(shù)的快速發(fā)展,傳感器的種類和型號也持續(xù)增加,能夠?qū)崿F(xiàn)對位置、距離、轉(zhuǎn)速、壓力等多種參數(shù)的快速準(zhǔn)確獲取,輔助機(jī)床實(shí)現(xiàn)功能關(guān)系的客觀判斷。

傳感器主要通過敏感元件技術(shù)實(shí)現(xiàn)檢測功能,常用的傳感器包括位移傳感器、加速度傳感器、荷重傳感器和溫度傳感器等[7]。

4 伺服控制技術(shù)的提升方向

4.1 明確影響加工精度的因素

要提高數(shù)控機(jī)床的加工制造精度,應(yīng)從伺服控制的特征出發(fā),明確影響加工精度的重要因素。第一,控制原點(diǎn)的選擇是加工制造的基礎(chǔ)坐標(biāo)定位,實(shí)際加工中常因?yàn)樵c(diǎn)選擇不合理造成加工制造精度下降;第二,編程軌跡及數(shù)據(jù)處理不合理會造成外形輪廓和表面質(zhì)量的下降;第三,誤差補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用對于加工質(zhì)量和合格率也會產(chǎn)生直接影響;第四,檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性對于加工準(zhǔn)確程度會產(chǎn)生關(guān)鍵影響[8]。

4.2 合理選擇編程原點(diǎn)

編程原點(diǎn)需根據(jù)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)、待加工零件圖紙和生產(chǎn)加工工藝綜合考慮后進(jìn)行選擇,多工序加工制造時(shí)必須保證編程原點(diǎn)坐標(biāo)相同。同時(shí),編程原點(diǎn)的選擇應(yīng)保證加工過程的數(shù)學(xué)運(yùn)算盡量簡單,避免出現(xiàn)尺寸鏈反復(fù)換算、頻繁換算公差加工的情況,兼顧加工過程中刀具的運(yùn)行邏輯,盡量減少刀具空行時(shí)間,避免路徑重復(fù)和無效驅(qū)動(dòng)。

4.3 合理設(shè)計(jì)編程軌跡

首先,要結(jié)合零件加工工藝和機(jī)床結(jié)構(gòu)特征合理設(shè)計(jì)進(jìn)刀、退刀的路徑,降低進(jìn)刀接觸誤差和退刀切削影響表面質(zhì)量,減少進(jìn)刀和退刀作業(yè)過程中產(chǎn)生的刀痕;其次,應(yīng)合理選擇刀具行進(jìn)方向,對于硬度較大的原材料、表面經(jīng)特殊處理的原材料,需根據(jù)材料特征選擇合理的行進(jìn)路線;此外,對于不同的材料應(yīng)合理設(shè)計(jì)粗加工、精加工的單次切削量,設(shè)計(jì)是否可實(shí)現(xiàn)來回往復(fù)加工,在保證表面加工質(zhì)量的同時(shí)提高工作效率;最后,加工路線的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮零件和刀具的受力狀態(tài),避免突然受力造成加工質(zhì)量下降[9]。

4.4 合理應(yīng)用誤差補(bǔ)償

誤差補(bǔ)償?shù)姆绞椒椒ㄊ嵌喾N多樣的,傳統(tǒng)誤差補(bǔ)償多采用減少原始誤差、轉(zhuǎn)移原始誤差、均分原始誤差、均化原始誤差等方法實(shí)現(xiàn),隨著伺服控制技術(shù)的持續(xù)升級,系統(tǒng)對于原始誤差的處理方式更加智能化,能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)補(bǔ)償與修正。合理利用軟件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)硬件,使誤差補(bǔ)償?shù)倪^程更為精確且便捷。深入應(yīng)用在線檢測、在線誤差補(bǔ)償和偶件自動(dòng)配磨等新技術(shù),達(dá)到降低誤差的目的。以某一編程原點(diǎn)為基準(zhǔn),采取絕對式編程,實(shí)現(xiàn)零部件坐標(biāo)程序的應(yīng)用和循環(huán)程序加工指令運(yùn)用,達(dá)到提高加工精度的目的[10-11]。

4.5 優(yōu)化檢測系統(tǒng)功能

從伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度出發(fā),持續(xù)優(yōu)化傳感器硬件應(yīng)用合理性,科學(xué)引進(jìn)最新的傳感器設(shè)備和技術(shù),提高檢測精確度和數(shù)據(jù)反饋實(shí)效性,助力控制系統(tǒng)優(yōu)化判斷過程,提高伺服控制的整體調(diào)整能力。

5 結(jié)語

近年來,國產(chǎn)高端數(shù)控機(jī)床市場占有率穩(wěn)步提升,據(jù)機(jī)床產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示,我國2022年數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)規(guī)模超4 000億元。作為技術(shù)更復(fù)雜、精密的現(xiàn)代化機(jī)床,伺服控制技術(shù)在機(jī)床領(lǐng)域的應(yīng)用仍有很深的潛力可以挖掘,伺服控制技術(shù)能有效促進(jìn)機(jī)床產(chǎn)品向高度自動(dòng)化的方向發(fā)展,為我國制造業(yè)乃至工業(yè)發(fā)展提供重要基礎(chǔ)保證,未來還應(yīng)持續(xù)加強(qiáng)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)軟硬件升級研究,為機(jī)床技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展和應(yīng)用創(chuàng)造有利條件。