數(shù)控機床雙軸驅(qū)動同步控制方法的探討

許晶

摘? 要：在數(shù)控機床雙軸驅(qū)動系統(tǒng)工作過程中，因為工作臺與滑臺的質(zhì)量重心沒有重合，導(dǎo)致兩根滾珠絲杠的位置或轉(zhuǎn)速出現(xiàn)一定的誤差，從而影響了數(shù)控機床的加工精度。所以，可以說，兩根驅(qū)動軸的同步控制精度是衡量數(shù)控機床工作性能的重要指標(biāo)。數(shù)控機床雙軸驅(qū)動同步控制方法變成了數(shù)控加工中的一個難題。為了有效地解決這一難題，該文把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與傳統(tǒng)PID控制進行了有機結(jié)合，提出了一種基于神經(jīng)元PID的控制方式，同時采用交叉耦合控制方法實時改變神經(jīng)元的連接權(quán)重，從而實現(xiàn)PID控制參數(shù)的在線整合，仿真結(jié)果表明，該方法能有效減小同步誤差，提高工件加工精度，在實踐中有一定的可推廣性與實際應(yīng)用性。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機床? 加工精度? 同步控制? 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)? PID控制

中圖分類號：TG659 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）09（b）-0048-02

雙軸驅(qū)動控制廣泛應(yīng)用于數(shù)控加工設(shè)備中，由于兩套驅(qū)動系統(tǒng)存在制造方面和裝配方面的雙重誤差，當(dāng)電機輸入相同指令時，會引起輸出軸速度或位置產(chǎn)生很大偏差;同時，當(dāng)工作臺位置不在兩根軸的中心線上時，作用到各軸上的負(fù)載力不同，再加上兩根軸在高速進給時存在一定的耦合關(guān)系，這就會影響雙軸驅(qū)動的控制精度，使數(shù)控機床的工作性能大大下降。因此，采用何種控制方法，提高雙軸同步控制精度，是研究人員普遍關(guān)注的問題。也是我們業(yè)內(nèi)研究的重要課題。

該文對數(shù)控機床雙軸同步系統(tǒng)的工作原理及相關(guān)問題進行了深入研究，分析了影響同步控制精度的因素，并制定神經(jīng)元PID控制策略用于雙軸同步驅(qū)動控制系統(tǒng)中。同時，把兩根驅(qū)動軸的位置誤差、轉(zhuǎn)速誤差以及電機的電流作為控制的有效變量，實踐中采用交叉耦合控制的方式進行系統(tǒng)地分析。實驗結(jié)果表明，所采用控制方式能很好地減小雙軸驅(qū)動系統(tǒng)在工作過程中產(chǎn)生的同步誤差，并可以將此誤差控制在一個允許的范圍內(nèi)，大大提高了機床控制精度，為數(shù)控機床雙軸同步控制系統(tǒng)的研究開辟了新的局面。

1? 數(shù)控機床理論研究

數(shù)控機床雙軸驅(qū)動系統(tǒng)主要由工作臺、交流伺服電機、數(shù)控裝置、位置反饋機構(gòu)、滾珠絲杠部件等部分組成。滾珠絲桿由兩個相對獨立的伺服電機驅(qū)動轉(zhuǎn)動，同時兩個電機驅(qū)動運動滑臺左右移動，工作臺在運動滑臺與本身電機的復(fù)合運動下，進行曲線運動，完成對工件的加工。

機床在實現(xiàn)同步控制過程中，控制的方式有兩種：

一是同等方式。這里所說的同等方式是指采用結(jié)構(gòu)完全相同的兩套驅(qū)動軸同時運行，同時以一個理想的輸入信號為目標(biāo)，進行跟蹤輸出，從而實現(xiàn)位置或速度同步的控制方法。由于兩驅(qū)動軸間相互獨立，沒有相互作用，當(dāng)某一軸受到干擾而運動時，將會產(chǎn)生無法消除的同步偏差，極大地降低了整個系統(tǒng)的控制精度，難以滿足高精度數(shù)控機床中的雙軸同步控制的精度要求。

二是交叉耦合方式。交叉耦合控制是在同等控制的基礎(chǔ)上，比較兩組輸出結(jié)果，同時把產(chǎn)生的偏差信號亦作為一個附加的信號進行信號反饋，實現(xiàn)調(diào)節(jié)和補償軸間位置偏差以及控制交叉耦合的方式，從而達(dá)到同步控制的良好效果。這種控制方式具有響應(yīng)的時速快的特點，也具有很準(zhǔn)確地反映出每個負(fù)載的時時變化情況的優(yōu)點。

2? 雙軸同步系統(tǒng)運動特性分析

兩個同步電機驅(qū)動滑臺能夠在水平方向沿X軸進行運動，工作臺可以在垂直方向沿Y軸進行運動，整個控制系統(tǒng)是一個在X軸和Y 軸方向進行運動的組合體。

3? 以神經(jīng)元PID為基本理念的同步控制方式的研究

神經(jīng)元控制是基于對人體大腦功能的實際模擬而有創(chuàng)新性提出來的一種控制方式，它一種從多輸入到單輸出，具有一定的對應(yīng)關(guān)系，能表達(dá)出任意形式的非線性函數(shù)，能實現(xiàn)自我學(xué)習(xí)效能，它是智能控制的一個全新理念和重要分支。

把神經(jīng)元與傳統(tǒng)PID控制相互結(jié)合，利用神經(jīng)元自我學(xué)習(xí)的功能，使其連接權(quán)重與PID控制參數(shù)相融合，通過與其對應(yīng)的學(xué)習(xí)規(guī)則，及時對PID參數(shù)進行在線整合。神經(jīng)元PID控制方法不僅保持了傳統(tǒng)PID操作簡便、功能易實現(xiàn)的特點，還能適應(yīng)外部環(huán)境的不同變化，更具有較強的預(yù)見性和智能性。在業(yè)內(nèi)有一定的推廣性。

4? 實驗結(jié)果的驗證

實驗中，我們將數(shù)控加工機床的兩根驅(qū)動軸的位置偏差、轉(zhuǎn)速偏差以及伺服電動機輸入電流的偏差作為實際信號，在得到反饋后，經(jīng)轉(zhuǎn)換后作為神經(jīng)元PID控制器的輸入，同時連接權(quán)重采用有監(jiān)督Delta學(xué)習(xí)規(guī)則進行調(diào)整;再采用加速度為梯形的S形速度指令作為電機輸入，在Matlab軟件中進行仿真驗證，驗證過程中取驅(qū)動軸位置偏差和伺服電機反饋電流作為研究對象，并把神經(jīng)元PID控制策略與傳統(tǒng)PID相對比。

從仿真結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)PID控制相比較，神經(jīng)元PID控制策略非常有效地縮小了兩驅(qū)動軸間的同步誤差，提高數(shù)控機床的加工精度，所用控制方法具有實效性。

5? 結(jié)語

數(shù)控加工機床在設(shè)計、制造過程中，由于各種因素影響總會存在誤差，雙軸同步驅(qū)動在機械方面上也存在強耦合性，尤其是在機械加工運行中存在負(fù)載的不確定性和不平衡性等誤差，導(dǎo)致雙軸驅(qū)動系統(tǒng)的同步控制精度下降，造成被加工工件尺寸精度和形狀精度降低，甚至出現(xiàn)機床被損壞的不良后果?；诖耍撐陌焉窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與PID控制相結(jié)合，提出了神經(jīng)元PID控制策略，同時運用交叉耦合方法對兩根驅(qū)動軸的位置誤差和電機電流進行研究，研究結(jié)果表明所用方法能有效解決數(shù)控機床雙軸同步控制系統(tǒng)中存在的問題，達(dá)到設(shè)計預(yù)期。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫藝標(biāo).基于加速度補償式的顆粒移動銑床雙直線電機滑模解耦控制研究[J].中國機械工程學(xué)報，2002（12）：75.

[2] Jing Chen.一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的同步驅(qū)動控制方案，2007年度自動化和物流問題國際會議記錄.

[3] 中村，Masatoshi.雙模同步定位與開關(guān)主從軸使用扭矩信號的輪廓控制關(guān)節(jié)機器人手臂[J].日本電氣工程，2002（1）：72-81.

[4] Nobuhiro Kyura.技術(shù)伺服系統(tǒng)控制：工業(yè)中的問題及其理論解決方案[J].2004年控制和信息科學(xué)課堂講稿，2004（300）：149-168.

[5] 三好，Takanori.多軸伺服系統(tǒng)在時變性能指標(biāo)方面的最佳同步控制.iecon議事錄：工業(yè)電子會議，2000.