孫潤喜

數(shù)控銑邊機全閉環(huán)控制及振蕩排除

孫潤喜

（陜西榮成智控機電科技有限公司，陜西 西安 710043）

介紹了數(shù)控機床、數(shù)控系統(tǒng)的構(gòu)成和功能配置，對開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)、全閉環(huán)控制系統(tǒng)作了簡述，闡述了將普通龍門刨床改造為全閉環(huán)數(shù)控龍門銑邊機的電氣控制原理，分析了在全閉環(huán)控制中引起系統(tǒng)振蕩的問題和排除方法等。

數(shù)控技術(shù)；數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)控機床；開環(huán)控制

1 數(shù)控機床數(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、運動速度和軌跡，對被控對象進(jìn)行自動操作的一種技術(shù)。如果一種設(shè)備的控制過程是以數(shù)字形式來描繪的，其工作過程是可編程序的，并能在程序控制下自動地進(jìn)行，那么這種設(shè)備就稱為數(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)控機床通常由控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)用于數(shù)控機床的運算、管理和控制，通過輸入介質(zhì)得到數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋和運算并對機床產(chǎn)生作用；伺服驅(qū)動系統(tǒng)包括主軸驅(qū)動及進(jìn)給驅(qū)動，伺服系統(tǒng)根據(jù)控制系統(tǒng)的指令驅(qū)動機床，使刀具和零件執(zhí)行數(shù)控代碼規(guī)定的運動；伺服系統(tǒng)的作用是把來自數(shù)控裝置的脈沖信號，轉(zhuǎn)換成機床移動部件的運動。

檢測系統(tǒng)用來檢測機床執(zhí)行件（工作臺、轉(zhuǎn)臺、滑板等）的位移和速度變化量，并將檢測結(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)整機床運動；機床傳動系統(tǒng)是由進(jìn)給伺服驅(qū)動元件至機床執(zhí)行件之間的機械進(jìn)給傳動裝置；輔助系統(tǒng)種類繁多，如固定循環(huán)（能進(jìn)行各種多次重復(fù)加工）、自動換刀（可交換指定刀具）、傳動間隙補償（機械傳動系統(tǒng)產(chǎn)生的間隙誤差）等等。

2 數(shù)控系統(tǒng)的開環(huán)、半閉環(huán)及全閉環(huán)控制簡述

數(shù)控系統(tǒng)按伺服系統(tǒng)工作原理可分為開環(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。

開環(huán)控制系統(tǒng)：采用步進(jìn)電機作為驅(qū)動部件，沒有位置和速度反饋器件，所以控制簡單、價格低廉，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作為驅(qū)動部件，可以采用內(nèi)裝於電機內(nèi)的脈沖編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置/速度檢測器件來構(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的光柵或感應(yīng)同步器作為位置檢測器件，來構(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)給軸的直線運動位置。但是，經(jīng)過數(shù)控系統(tǒng)對螺距誤差的補償后，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，它們的價格較低，安裝在電機內(nèi)部的位置反饋器件的密封性好，工作更加穩(wěn)定可靠，幾乎無需維修，所以廣泛地應(yīng)用于各種類型的數(shù)控機床。

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的迅速發(fā)展，數(shù)控機床越來越多地被廣泛應(yīng)用，同時對數(shù)控機床定位精度、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)已無法滿足用戶的需求。半閉環(huán)控制系統(tǒng)無法控制機床傳動機構(gòu)所產(chǎn)生的傳動誤差、高速運轉(zhuǎn)時傳動機構(gòu)所產(chǎn)生熱變形誤差以及加工過程中剛性傳動系統(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)控機床的加工精度及其穩(wěn)定性。

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

3 數(shù)控龍門銑邊機全閉環(huán)電氣控制

2008-03—2008-05，成功地將一臺進(jìn)口報廢的龍門刨床改造成全閉環(huán)控制的數(shù)控龍門銑邊機床，如圖1所示。龍門銑床包括床身、工作臺、橫梁、立刀架、立柱、龍門頂?shù)?。原龍門刨床由于潤滑問題導(dǎo)致床身和工作臺面磨損嚴(yán)重，出現(xiàn)了精度降低、生產(chǎn)效率低等問題，電氣部分采用K—F—D（發(fā)電機組電動機）調(diào)速系統(tǒng)交流電機拖動直流發(fā)電機再拖動直流電動機，由交磁放大機控制發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)，結(jié)合機械傳動，達(dá)到20∶1的機電聯(lián)合調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速性差。改造成的數(shù)控銑邊機是以板類零件的銑邊、倒角、切削為主的數(shù)控機床。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，可方便用戶在不同位置操作；自動化程度高；采用光柵尺組成全閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高了機床的定位精度、重復(fù)定位精度以及精度可靠性。

圖1 數(shù)控龍門銑邊機床

全閉環(huán)數(shù)控龍門銑邊機電氣系統(tǒng)主要完成人機對話和對三坐標(biāo)機床坐標(biāo)的進(jìn)給、主軸的運轉(zhuǎn)以及機床的液壓、潤滑、冷卻系統(tǒng)等的控制。該機床的3個坐標(biāo)采用法格直線光柵尺作為全閉環(huán)反饋方式，機床主軸為電主軸，使用超同步公司的交流伺服主軸驅(qū)動器控制，針對該機床的結(jié)構(gòu)特點，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)動配置相應(yīng)的18D型數(shù)控式伺服驅(qū)動系統(tǒng)。

輔助設(shè)備的控制：通過外置的三菱PLC（FX1n-40MR）控制液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及水冷卻系統(tǒng)的工作，同時與數(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，出現(xiàn)異常故障系統(tǒng)立刻急停報警。除了系統(tǒng)提供的故障信息查詢外，在控制柜上還安裝了更具體的聲光報警指示器，以方便、快捷、準(zhǔn)確地判斷處理故障。

系統(tǒng)特點：該銑邊機具有重切削、高速高效銑削加工能力；三軸聯(lián)動，可以加工曲線圓??；通過HSV-18D伺服驅(qū)動器上連接的第一碼盤電機編碼器和第二碼盤光柵尺構(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路開關(guān)量輸入和32路開關(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、故障診斷與報警、加工軌跡圖形顯示和仿真，操作簡便，易于掌握和使用；具有小線段連續(xù)加工功能，特別適合于CAD/CAM設(shè)計的復(fù)雜模具零件加工；加工斷點保存/恢復(fù)功能，方便用戶使用；內(nèi)置RS232通訊接口，輕松實現(xiàn)機床數(shù)據(jù)通訊；通過USB接口方便將程序輸入到系統(tǒng)中；開通的以太網(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)備控制報警系統(tǒng)，是本臺銑邊機高速高效切屑的保障。

連接調(diào)試：系統(tǒng)與驅(qū)動器、驅(qū)動器與電機之間的連接線均用電纜連接，電纜兩端是與接口匹配的插頭，電氣連接簡單方便，接線很少。

將數(shù)控系統(tǒng)與驅(qū)動器之間的、、三軸控制電纜連接好，再將驅(qū)動器到對應(yīng)電機和光柵尺的電纜連接好，主軸驅(qū)動器到數(shù)控系統(tǒng)和電機的連接電纜也連接好，各種輸入/輸出開關(guān)量及信號連接正常，控制電壓接線正確，外圍輔助設(shè)備連接完成，檢查線路等沒有問題時可以通電調(diào)試。在調(diào)試過程中對數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在全閉環(huán)下，3個軸外部脈沖當(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)過小，系統(tǒng)容易達(dá)不到定位誤差而停機；如果過大，則會影響加工精度，因此，要根據(jù)機床定位精度及脈沖當(dāng)量確定，由于該銑邊機軸慣量很大，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題是本銑邊機的難點，通過修改驅(qū)動器參數(shù)“位置比例增益”“速度比例增益”“速度積分時間常數(shù)”等處理，此三項的默認(rèn)參數(shù)為“4 000”“2 000”“20”。經(jīng)過反復(fù)運行調(diào)整，軸此3項參數(shù)為“750”“300”“20”時振蕩爬行現(xiàn)象消失，軸此3項參數(shù)為“600”“2 000”“40”時振蕩爬行現(xiàn)象消失，軸此3項參數(shù)為“1 500”“1 500”“60”時振蕩爬行現(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以上沒有出現(xiàn)問題，進(jìn)行各種圓弧、異型加工，精度很高，用戶反映良好，驗收一致通過。

4 數(shù)控系統(tǒng)振蕩問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)的共同性問題，該問題已經(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，除了機械方面存在不可消除的傳動間隙、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。引起伺報系統(tǒng)振動的原因大致有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、伺服系統(tǒng)可調(diào)定位器過大引起電壓輸出失真、傳動機械裝置（如絲桿）間隙過大。

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

4.2 消除振動的基本方法

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)生振動的前提下進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，所以兩者大同小異，下面討論全閉環(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，但不能降過多，因為要保證系統(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)生振動時所示參數(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多功能控制器，它不僅能有效地對電流電壓信號進(jìn)行比例增益，同時可調(diào)節(jié)輸出信號滯后或超前的問題，振蕩故障有時因輸出電流電壓發(fā)生滯后或超前情況而產(chǎn)生，這時可通過PID來調(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)低頻振蕩時參數(shù)優(yōu)化方法，而有時數(shù)控系統(tǒng)會因機械上某些振蕩原因使反饋信號中含有高頻諧波，這使輸出轉(zhuǎn)矩量不恒定，從而產(chǎn)生振動。

對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經(jīng)速度控制器轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩信號，轉(zhuǎn)矩信號通過一階濾波環(huán)節(jié)將高頻成分截止，從而得到有效的轉(zhuǎn)矩控制信號。通過調(diào)節(jié)參數(shù)可將機械產(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)來調(diào)整系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)。如果是因機械環(huán)節(jié)引起的彈性振蕩故障，需采用機械反饋環(huán)節(jié)來調(diào)整參數(shù)，可達(dá)到很好的效果。電機與工作臺之間的彈性機械裝置可能產(chǎn)生變形，而位置檢測主要來自位置編碼器，速度反饋直接來自電機編碼器。從整個全閉環(huán)過程來看，因機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。

如果加入機械速度反饋環(huán)節(jié)，使機械速度滯后得到補償，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，以免影響到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

6 結(jié)束語

在整個機床的改造過程中涉及到了許多測試、調(diào)試的問題，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)的特點制訂有效的故障排除措施，提高生產(chǎn)運行能力，保證加工效率。對于普通機床，特別是大、中型關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行數(shù)控改造，可有效地提高原機床的加工精度和效率，拓展原機床的功能，延長原機床的生命周期，增強企業(yè)在市場的競爭力。

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

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10.15913/j.cnki.kjycx.2020.02.018

2095－6835（2020）02－0059－03

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

〔編輯：張思楠〕