變寬度圓盤剪切機(jī)控制方案的實(shí)驗(yàn)研究

張若青,史喆瓊

(北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100144)

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變寬度圓盤剪切機(jī)控制方案的實(shí)驗(yàn)研究

張若青,史喆瓊

(北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100144)

以變寬度圓盤剪切機(jī)的滾珠絲杠副帶動(dòng)的平動(dòng)機(jī)構(gòu)以及蝸輪蝸桿副帶動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，在LabVIEW軟件平臺(tái)上構(gòu)建了驅(qū)動(dòng)兩類執(zhí)行機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)的開環(huán)、半閉環(huán)及全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了3種不同控制方式下系統(tǒng)的定位精度和過渡過程特性，得出當(dāng)高精度電機(jī)配合高精度的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，采用半閉環(huán)控制加傳動(dòng)精度補(bǔ)償?shù)姆绞剑梢詫?shí)現(xiàn)高精度控制的結(jié)論，為剪切機(jī)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)控制方案的選擇提供依據(jù)。

開環(huán)控制；半閉環(huán)控制；全閉環(huán)控制；變寬度圓盤剪切機(jī)；伺服電機(jī)；運(yùn)動(dòng)控制

0 引言

近年來，我國(guó)工業(yè)技術(shù)進(jìn)入了高速發(fā)展階段，對(duì)產(chǎn)品的制造精度、可靠性、強(qiáng)度、剛度等也提出了更高的要求，其中制造精度是國(guó)家的制造水平最主要的衡量因素[1-2]。對(duì)于制造設(shè)備而言，傳統(tǒng)的控制理論認(rèn)為，開環(huán)控制系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但控制精度較低，主要用于精度不太高的經(jīng)濟(jì)型機(jī)床；閉環(huán)控制系統(tǒng)的定位精度高，但對(duì)于慣性較大的工作臺(tái)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不易控制，被廣泛應(yīng)用于各種中高檔數(shù)控機(jī)床[3-5]。

但是近年來，隨著伺服電機(jī)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得控制精度不斷提高，開環(huán)控制系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越多，例如HP公司的數(shù)控繪圖機(jī)、德國(guó)和英國(guó)的線切割機(jī)床、丹麥MAPE公司的高精度印制板數(shù)控鉆床等都采用開環(huán)控制，它們的精度、工作效率和可靠性都不比閉環(huán)系統(tǒng)的差，特別是系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可維護(hù)性都要比閉環(huán)系統(tǒng)要好，而且價(jià)格便宜。

北方工業(yè)大學(xué)的冷彎研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的變寬度圓盤剪切機(jī)，實(shí)現(xiàn)了變寬度板材的加工。剪切加工是冷彎成型的第一道工序，剪切板材的尺寸精度對(duì)后序工序產(chǎn)品的精度有重要影響。為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜軌跡的剪切，對(duì)剪刀盤運(yùn)動(dòng)過程中的位置精度和速度響應(yīng)均提出了較高的要求。合理選擇剪刀盤的控制方式，是實(shí)現(xiàn)高精度剪切的重要前提。

本文采用實(shí)驗(yàn)研究的方法，以變寬度圓盤剪切機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，利用虛擬儀器LabVIEW軟件平臺(tái)，采用不同控制方案，分析各個(gè)控制方案下系統(tǒng)的位置控制精度與過渡過程特性，進(jìn)而確定圓盤剪切機(jī)的控制方案。

1 變寬度圓盤剪切機(jī)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的三自由度變寬度圓盤剪切機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。為實(shí)現(xiàn)變寬度剪切，剪刀盤不僅需要在X方向上的平動(dòng)，還需要Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)以及配合剪刀盤回轉(zhuǎn)半徑調(diào)整的Y方向的平動(dòng)。

圖1 變寬度圓盤剪切機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

如圖1所示，剪刀盤X、Y方向的平動(dòng)由伺服電機(jī)配合滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)，Z方向采用伺服電機(jī)配合蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)方向的轉(zhuǎn)變與減速，整個(gè)系統(tǒng)通過對(duì)5個(gè)伺服電機(jī)的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)任意軌跡的剪切[6-7]。

1.2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

剪刀盤系統(tǒng)采用NI運(yùn)動(dòng)控制器，在LabVIEW軟件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)5個(gè)伺服電機(jī)的控制。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 圓盤剪控制原理圖

計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)經(jīng)運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送至伺服驅(qū)動(dòng)器，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)減速器后通過滾珠絲杠副或蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)控制執(zhí)行對(duì)象的平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)將電機(jī)的位置信號(hào)反饋至輸入端構(gòu)成偏差控制信號(hào)，則稱為半閉環(huán)控制；控制對(duì)象的位置信號(hào)反饋至輸入端則稱為全閉環(huán)控制；若不反饋任何信號(hào)至輸入端，則為開環(huán)控制。若僅以控制對(duì)象參數(shù)是否反饋至控制端來判斷系統(tǒng)是否為閉環(huán)控制，半閉環(huán)也可以視為開環(huán)控制。

理論上，開環(huán)控制系統(tǒng)的精度取決于電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器至電機(jī)的控制精度以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度；由于將電機(jī)自身的編碼器信號(hào)反饋至控制信號(hào)輸入端，提高了電機(jī)控制精度，使得傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度成為影響半閉環(huán)控制精度的重要因素；當(dāng)將控制對(duì)象的位置信號(hào)饋送至輸入端時(shí)，電機(jī)控制誤差以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)誤差都將被消除，從而使整個(gè)系統(tǒng)的控制精度得到提高。值得注意的是，實(shí)現(xiàn)高精度全閉環(huán)控制的前提是反饋傳感器具有高于電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度，而這點(diǎn)常被忽略。

實(shí)際上，隨著電機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，在電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部引入了電流與速度反饋等環(huán)節(jié)，極大地提高了電機(jī)的控制精度，使得電機(jī)自身精度已符合大多數(shù)工況要求，控制精度的很多問題是出在機(jī)械部件的加工工藝及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度上。現(xiàn)代機(jī)械加工和測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，不僅使控制系統(tǒng)中的機(jī)械部件性能大為提高，價(jià)格也能被一般用戶接受。當(dāng)開環(huán)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)配以高精度的機(jī)械傳動(dòng)部件時(shí)，能夠使系統(tǒng)誤差足夠小，可以和閉環(huán)控制系統(tǒng)相當(dāng)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)采用高精度、高效率自帶13位的增量型編碼器的伺服電機(jī)SGMAH驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，采用分辨率為1 μm的高精度光柵尺測(cè)量平動(dòng)機(jī)構(gòu)的位移，采用分辨率為2 000 P/R的高精度增量式旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)了高精度的控制及測(cè)量。

此外，本系統(tǒng)以基于“圖形”化的編程語言NI LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)，利用其簡(jiǎn)潔的圖形化編程環(huán)境和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能將開發(fā)者的思路清晰呈現(xiàn)，不僅簡(jiǎn)化了編程，縮短了開發(fā)周期，更使得整個(gè)程序易操作、易擴(kuò)展、易維護(hù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)程序設(shè)計(jì)

為分析剪切機(jī)中的2種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用3種控制方案，需要在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上完成多點(diǎn)測(cè)試，因此考慮在滾珠絲杠副與蝸輪蝸桿副上采用等步長(zhǎng)取點(diǎn)，可以同時(shí)完成有效行程上的傳動(dòng)精度測(cè)試。

具體測(cè)試方法為：被控對(duì)象按i倍步長(zhǎng)為設(shè)定步長(zhǎng)正向進(jìn)給，到達(dá)設(shè)定終點(diǎn)后再以2i倍設(shè)定步長(zhǎng)反向運(yùn)行，到達(dá)行程終點(diǎn)后返回初始點(diǎn)并回零；被控對(duì)象再以i+1倍步長(zhǎng)重復(fù)以上運(yùn)動(dòng)，如此循環(huán)往復(fù)。運(yùn)動(dòng)過程中采集、記錄位移傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)，程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

以上測(cè)試中，控制方式分別采用開環(huán)、半閉環(huán)、全閉環(huán)。若以5 mm為步長(zhǎng)，40 mm有效行程內(nèi)共有8個(gè)測(cè)試點(diǎn)，實(shí)測(cè)軌跡如圖4所示。

圖4 實(shí)測(cè)軌跡圖

程序前面板如圖5所示。后臺(tái)程序框圖如圖6所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入matlab中，分析開環(huán)、半閉環(huán)、全閉環(huán)控制方式下系統(tǒng)的定位精度和過渡過程的特性，并給出傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度。

3.1 傳動(dòng)精度分析

3.1.1 平動(dòng)機(jī)構(gòu)

按照?qǐng)D3設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程，每種控制方式的實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，將所測(cè)數(shù)據(jù)求平均值并求定位誤差(設(shè)定值與定位值之差)，得到表1，將表1數(shù)據(jù)繪制成圖，得誤差分布圖7。

由圖7可以看出，開環(huán)控制方式定位誤差最大，全閉環(huán)控制方式誤差最小，即采用全閉環(huán)控制方式，無需考慮系統(tǒng)的傳動(dòng)精度，就可以基本上消除定位誤差。由前面分析可以知道，開環(huán)控制方式的誤差包含了電機(jī)位置控制誤差與滾珠絲杠副的傳動(dòng)誤差，半閉環(huán)控制則由于基本上消除了電機(jī)控制誤差，使得其誤差以滾珠絲杠副傳動(dòng)誤差為主。由圖7可以看出，誤差隨機(jī)性較強(qiáng)，基本上分布在-0.001 8 mm附近。

圖5 程序前面板

圖6 后臺(tái)程序框圖

表1 3種控制方式下平動(dòng)機(jī)構(gòu)的定位誤差 mm

圖7 3種控制方式下平動(dòng)機(jī)構(gòu)定位誤差分布圖

3.1.2 轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

按照前述實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)得蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在3種控制方式下的定位誤差分布,如圖8所示。

圖8 3種控制方式下轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)定位誤差分布圖

由圖8可以看出，仍然是全閉環(huán)控制方式定位精度最高，均值為0.007 6°。電機(jī)定位誤差與傳動(dòng)誤差相比較小，即開環(huán)與半閉環(huán)控制的定位誤差主要為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)誤差，且誤差隨著位置變化線性增加，表明該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)存在累積性誤差，經(jīng)計(jì)算比例系數(shù)約為0.06，即運(yùn)動(dòng)1°產(chǎn)生誤差0.06°。將該補(bǔ)償量引入半閉環(huán)控制，可以將控制精度大大提高。

3.2 過渡過程特性分析

分別采用開環(huán)、半閉環(huán)和全閉環(huán)3種控制方式控制被控對(duì)象以20 mm為單位往復(fù)運(yùn)行一個(gè)方波周期，得到滾珠絲杠副與蝸輪蝸桿副的過渡過程響應(yīng)特性如圖9、圖10所示。

從圖中可以看出，2種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的開環(huán)和半閉環(huán)過渡過程都具有良好的快速性和平穩(wěn)性，而全閉環(huán)控制因?yàn)镻ID參數(shù)的調(diào)整需要大量的時(shí)間和實(shí)驗(yàn)，很難得到合理的參數(shù)，獲得理想的過渡過程特性，對(duì)于有速度特殊要求的控制場(chǎng)合會(huì)產(chǎn)生一定影響。

(a)平動(dòng)過渡過程特性整體圖

(b)平動(dòng)過渡過程特性局部圖圖9 平動(dòng)機(jī)構(gòu)過渡過程特性

(a)轉(zhuǎn)動(dòng)過渡過程特性整體圖

(b)轉(zhuǎn)動(dòng)過渡過程特性局部圖圖10 轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)過渡過程特性

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，采用全閉環(huán)控制方式，基本上可以不考慮系統(tǒng)的傳動(dòng)誤差，就可以使系統(tǒng)具有較高的定位精度，若對(duì)響應(yīng)速度和平穩(wěn)性沒有特殊要求，或者簡(jiǎn)單閉環(huán)的場(chǎng)合，可以選擇全閉環(huán)控制方式；開環(huán)和半閉環(huán)控制方式定位精度依賴于電機(jī)的控制精度與機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的精度。若電機(jī)控制精度足夠高，則采用半閉環(huán)控制加傳動(dòng)精度補(bǔ)償?shù)目刂品绞骄湍軌驖M足一般加工精度的要求，響應(yīng)速度快且平穩(wěn)。

由圓盤剪切機(jī)剪切過程分析可知，當(dāng)剪刀盤與板材邊緣保持相切時(shí)，剪切才能夠順利進(jìn)行。因此實(shí)際控制時(shí)，既要保證剪刀盤移動(dòng)速度、板材送料速度與剪切邊緣曲率的匹配關(guān)系，又要控制剪刀盤轉(zhuǎn)角以保證與剪切板材垂直相切[8]，半閉控制系統(tǒng)具有的響應(yīng)速度快、平穩(wěn)性好、控制程序簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，是剪刀盤控制方式的較好選擇。同時(shí)，將實(shí)驗(yàn)時(shí)得到的傳動(dòng)精度引入半閉環(huán)控制補(bǔ)償中，可以明顯提高控制精度。

4 結(jié)論

數(shù)控加工設(shè)備控制方式的選擇對(duì)設(shè)備成本以及加工精度有重要影響。隨著伺服電機(jī)控制技術(shù)以及機(jī)械傳動(dòng)部件精度的不斷提高，傳統(tǒng)的閉環(huán)控制概念也不斷受到挑戰(zhàn)。本文采用實(shí)驗(yàn)研究的方法，對(duì)常用加工設(shè)備中2類伺服電機(jī)連接的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行3種控制方式下的定位精度分析。當(dāng)高精度電機(jī)配合高精度的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用半閉環(huán)控制加傳動(dòng)精度補(bǔ)償?shù)姆绞?，可以?shí)現(xiàn)高精度的控制。這樣既可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低系統(tǒng)成本、減小維修難度，還可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜軌跡控制，這一結(jié)論不僅為變寬度圓盤剪切機(jī)控制方式的選擇提供了依據(jù)，解釋了近年來開環(huán)以及半閉環(huán)控制系統(tǒng)的應(yīng)用廣泛的原因，對(duì)一般的數(shù)控加工系統(tǒng)控制方式的選擇也具有一定的意義。

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Experimental Study of Flexible Slitting Machine Control Scheme

ZHANG Ruo-qing, SHI Zhe-qiong

(College of Electromechanical Engineering of North China University of Technology, Beijing 100144, China)

Two kinds of transmission mechanism of the flexible slitting machine were used to construct position control systems of open-loop, semi-closed loop and closed-loop under the Labview platform. The mechanisms of translational ball screws and rotating worm and gear were all driven by servo motors. After analyzing the positioning accuracy and the transient characteristics of the three control systems based on a large amount of experiment data, the conclusion that the semi-closed loop control combined with transmission deviation compensation can achieve the highest precision, when the servo motor works with high-precision transmission mechanism, thus providing experimental basis for the choice of control schemes to complete complex trajectory motion control for the flexible slitting machine.

open-loop control; semi-closed loop control; closed loop control; flexible slitting machine; servo motor; motion control

2014-11-03 收修改稿日期：2015-03-24

TH273

A

1002-1841(2015)08-0068-05

張若青(1968—)，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)電控制。 E-mail：zhruoq@126.com 史喆瓊(1989—)，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)電控制。E-mail：18910135215@189.cn