數(shù)控機(jī)床伺服傳動最少拍控制

【摘要】文章介紹了差拍控制的基本原理，分析了數(shù)控機(jī)床伺服傳動過程產(chǎn)生差拍控制的一些因素，并介紹了數(shù)控機(jī)床在設(shè)計和制造過程中，實現(xiàn)伺服進(jìn)給傳動最少拍控制的一些方法，對從事數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的設(shè)計研究人員有一定參考價值和實用意義。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控機(jī)床；伺服傳動；最少拍控制

CNC machine tool servo driving with least beat control

Jiamusi Coal Mining Machinery Co.， LTD

Jiao Xilai

（Jiamusi Heilongjiang， postcode 154002）

Abstract： This paper introduces the basic principle of beat control and analyzes the beat control factors of CNC machine tool servo driving produced， and introduces the way to design and manufacturing of CNC machine tool， realizing servo feed driving with least beat control.

It has significance and some reference for the designers on the control system of CNC machine tool.

Keyword： CNC machine tools； Servo driving； least beat control

1、引言

在現(xiàn)代機(jī)械制造和裝配制造企業(yè)中，數(shù)控機(jī)床已是主要的不可缺少的設(shè)備了，它是保證提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的重要手段之一。由于計算機(jī)技術(shù)與自動控制技術(shù)相結(jié)合及其在數(shù)字控制中的應(yīng)用，更推進(jìn)了數(shù)字控制機(jī)床的控制系統(tǒng)的發(fā)展和進(jìn)步。在數(shù)字控制技術(shù)中少差拍控制問題已被許多學(xué)者和設(shè)計人員的重視。本文僅就少差拍控制理論與數(shù)控機(jī)床伺服傳動控制技術(shù)中應(yīng)用做初淺分析。

2、差拍問題簡介

大家知道對于一個閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，是由輸入、輸出、控制、執(zhí)行及反饋檢測等主要部分組成，可簡化圖1的結(jié)構(gòu)圖：

圖1給出一個閉環(huán)采樣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖，本圖中函數(shù)r（t）為輸入給定，c（t）為系統(tǒng)的輸出，G（S）為系統(tǒng)前向傳遞函數(shù)，即保持器，控制對象等控制調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，H（S）為測量反饋環(huán)節(jié)，S為系統(tǒng)采樣開關(guān)，該開關(guān)對系統(tǒng)的給定信號r（t） 與反饋信號r（f）之差e（t）進(jìn)行采樣，采樣后之離散信號e*（t）為一脈沖，序列作用在系統(tǒng)上。若某一時刻K輸入的采樣脈沖信號為rk（tk），由于系統(tǒng)具有延時（慣性），則反饋回來的信息不一定是rk（tk）作用結(jié)果的響應(yīng)值cK（tk），很可能是在其早其早一時刻的輸入（k-1）t作用下的響應(yīng)cr（k-1）（t），也就是系統(tǒng)的輸出與輸入之間存在延時，而不是同步的。對于采樣控制系統(tǒng)，通常按一個采樣周期為一拍，如果在典型輸入的作用下，經(jīng)過最小采樣周期后，若使輸出序列在各采樣時刻的穩(wěn)態(tài)誤差為零，達(dá)到完全跟蹤，使輸出與輸入同步，這在工程實踐中是很難辦到的。只能存在差拍，所以說采樣系統(tǒng)差拍是必然現(xiàn)象，人們的控制方法只能實現(xiàn)最少拍或有限拍，通常差拍數(shù)或差拍的時間愈接近系統(tǒng)的時間常數(shù)，則控制誤差愈小，控制精度愈高，一般差拍控制應(yīng)以反饋回之參數(shù)值不致影響系統(tǒng)的控制精度要求為準(zhǔn)。

3、最少拍控制的實現(xiàn)

為了提高系統(tǒng)的控制精度，在數(shù)控機(jī)床的設(shè)計和制造過程中，就要注意到設(shè)法減少控制系統(tǒng)的時間常數(shù)，除了常規(guī)的減少電氣自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的電氣時間常數(shù)外，還要關(guān)切和重視機(jī)床的電力拖動和機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)時間常數(shù)，應(yīng)使其降到最小，已達(dá)到使系統(tǒng)的輸出盡量跟蹤給定信息的指令，減少差拍實現(xiàn)最少拍控制的目的，對此我們做如下分析。

大家知道電力拖動系統(tǒng)的最基本方程為：

……（1）

式中MD-拖動電動機(jī)輸出扭矩

MF-折算到電機(jī)軸頭的負(fù)載轉(zhuǎn)矩

GD2-為電動機(jī)軸上總飛輪轉(zhuǎn)矩

dn/dt-電動機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)對時間的微分，即加速度

公式（1）描繪了電氣傳動系統(tǒng)電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩MD、負(fù)載轉(zhuǎn)矩MF以及傳動系統(tǒng)飛輪慣量GD2同電動機(jī)加速度dn/dt之間的關(guān)系，從公式（1）可導(dǎo)出電動機(jī)加速度的表達(dá)式為：

……（2）

以（2）可看出，欲加大電動機(jī)的加速度dn/dt，也就是要降低傳動系統(tǒng)的時間常數(shù)，顯然要做到：

1）要盡量降低系統(tǒng)的飛輪慣量GD2，這要求設(shè)計者在結(jié)構(gòu)設(shè)計時要考慮到傳動零件諸如齒輪、軸等轉(zhuǎn)動部件的材料選用，幾何尺寸計算等，既滿足機(jī)床輸出功率的要求，又要盡量使GD2為小，當(dāng)然在選用電動機(jī)時應(yīng)考慮到轉(zhuǎn)子最小慣量為佳。

2）要使負(fù)載轉(zhuǎn)矩MF減到最小，則可使加速度dn/dt為大。公式（2）中的負(fù)載轉(zhuǎn)矩MF可由兩部分組成

MF=M切+M附 ……（3）

公式（3）中

M切-為加工過程中工具和工件之間的切削阻力

M附-為切削阻力外的其他阻力，諸如滑動及轉(zhuǎn)動部件的摩擦阻力等

公式（3）中的切削阻力是加工件主要的能量消耗，對一定的切削精度和生產(chǎn)效率是不易減少的，為降低切削阻力，主要要選擇傳動工藝切削參數(shù)，如切削用量、主軸轉(zhuǎn)速、走刀速度、合理選擇刀具材質(zhì)、切削角度及刀具刃磨、冷卻諸因素，而公式（3）中的M附則應(yīng)考慮到各轉(zhuǎn)動移動環(huán)節(jié)的摩擦力，改善潤滑方式、合理選擇潤滑油及傳動方式，為了減少附加轉(zhuǎn)矩，還要注意到提高零件的加速精度及裝配、配合精度以降低傳動過程中的間隙非線性等因素影響。

3）從上式（2）可看出增加電動機(jī)的輸出扭矩MD也就是加大執(zhí)行電動機(jī)的容量，也是提高加速度dn/dt，減少時間常數(shù)的一個因素，不過這要進(jìn)行綜合分析，要注意到能量消耗，電動機(jī)利用系數(shù)，設(shè)備重量等經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，合理選擇伺服電動機(jī)的功率及型號，不可一味加大，近年來有的學(xué)者提出采用直線電機(jī)作為數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動，實現(xiàn)所謂零傳動鏈直接傳動，取消中間的直接傳動環(huán)節(jié)，這將使機(jī)械時間常數(shù)大大減少，對實現(xiàn)最小拍控制大有益處，為數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動指出了新的方向，是實現(xiàn)最少拍控制的好辦法。

結(jié)語

數(shù)控機(jī)床的伺服傳動，關(guān)系到保證零件加工的質(zhì)量精度和提高生產(chǎn)效率的主要環(huán)節(jié)，由于具有較大的機(jī)械慣性和間隙等非線性等不利因素，致使時間常數(shù)加大，使控制系統(tǒng)的輸出與輸入出現(xiàn)差拍是不可避免的。這就要求設(shè)計人員在設(shè)計和制造過程中要從多方向深入分析，以實現(xiàn)最少拍控制。本文所提出的一些看法，可供從事這方面設(shè)計研究和加工制造方面的科學(xué)技術(shù)人員進(jìn)行參考，當(dāng)然對于在工廠企業(yè)從事數(shù)控機(jī)床運行維護(hù)人員也有一定的實用意義。