全閉環(huán)控制系統(tǒng)在YHK250搖籃式工作臺中的應(yīng)用

張大麟 金朝鮮

摘要： YHK250搖籃式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺是高端數(shù)控銑床及加工中心上第4、第5回轉(zhuǎn)軸的關(guān)鍵配套零部件，可以解決零件的復(fù)雜曲面加工和多工序加工，提高產(chǎn)品加工質(zhì)量和效率。對于高精度的機(jī)床附件來說，精度是機(jī)械加工中的重中之重，全閉環(huán)控制系統(tǒng)可以很好的提高工作臺分度的定位精度和重復(fù)定位精度。此次研究主要完成了YHK250搖籃式工作臺全閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試，經(jīng)過反復(fù)測試使得控制精度達(dá)到了工作臺的設(shè)計(jì)要求。

Abstract： YHK250 cradle-type CNC rotary table is a key accessory part for the 4th and 5th rotary axis of high-end CNC milling machine and machining center. It can solve the complicated surface processing and multi-process processing of parts， and improve the quality and efficiency of product processing. For high-precision machine tool accessories， accuracy is the most important thing in machining. The full-closed-loop control system can improve the positioning accuracy and repeat positioning accuracy of the worktable indexing. This research mainly completed the design， installation and commissioning of the YHK250 cradle-type workbench full closed-loop control system. After repeated tests， the control accuracy reached the design requirements of the workbench.

關(guān)鍵詞： 全閉環(huán);機(jī)床附件;高精度;YHK250

Key words： fully closed loop;machine tool accessories;high precision;YHK250

中圖分類號：TG547? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）17-0094-02

1? 概述

1.1 YHK250搖籃式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺? YHK250搖籃式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺則采用了交流伺服電機(jī)驅(qū)動，雙導(dǎo)程精密蝸輪、蝸桿副傳動，電磁盤剎車夾緊，磁環(huán)檢測反饋，可實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制，從而提高轉(zhuǎn)臺分度的定位精度和重復(fù)定位精度。與同類型產(chǎn)品相比，該工作臺具有分度精度高，可控性好，電磁剎車夾緊可靠，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，改進(jìn)了液壓（或氣動）剎車夾緊方式的不方便和不穩(wěn)定性。該項(xiàng)目產(chǎn)品主要應(yīng)用于高端五軸聯(lián)動數(shù)控加工設(shè)備之上，性價(jià)比高、高效節(jié)能，在制造行業(yè)使用價(jià)值較高，市場前景很好，競爭潛力很大。

1.2 應(yīng)用全閉環(huán)控制系統(tǒng)的意義和目的? 機(jī)床的加工精度是數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)中最為重要的指標(biāo)，也是機(jī)床附件生產(chǎn)中所必須重視和保證的要素之一，現(xiàn)在的高端機(jī)床一般都采用64位高速度、高性能的CPU來提高基本運(yùn)算能力，由于高位處理器有更高的數(shù)據(jù)吞吐能力，因而大大減小了控制的采樣周期，可是控制環(huán)路得到較高的增益，提升系統(tǒng)在高速進(jìn)給下的插補(bǔ)誤差，從而有效保證了加工精度。YHK250搖籃式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)良好的保證了工作臺的剛度，為全閉環(huán)控制系統(tǒng)的精確控制提供了良好的必要條件。全閉環(huán)控制系統(tǒng)則為YHK250搖籃式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺提供了更精確的控制，使工作臺的分度定位精度和重復(fù)定位精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2? 半閉環(huán)控制系統(tǒng)

2.1 半閉環(huán)控制系統(tǒng)原理? 半閉環(huán)控制系統(tǒng)是在開環(huán)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)輸出量的反饋，通過比較系統(tǒng)計(jì)算控制行為（輸出量）與期望（給定值）的偏差，并消除偏差來達(dá)到控制系統(tǒng)的期望值（給定值）。對于數(shù)控系統(tǒng)的半閉環(huán)控制系統(tǒng)來說，一般是在伺服電機(jī)端增加速度與位置量的檢測反饋，此反饋與數(shù)控系統(tǒng)中的給定值比較，得到差值、消除差值的控制系統(tǒng)。

2.2 半閉環(huán)控制系統(tǒng)的應(yīng)用? 由于半閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋如上所述是在伺服電機(jī)端增加的反饋量，所以如果半閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用在YHK250搖籃式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺中，搖擺渦輪和回轉(zhuǎn)渦輪的傳動誤差仍會影響工作臺的分度精度。由于半閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，目前應(yīng)用比較廣泛。半閉環(huán)控制方式所能達(dá)到的精度、速度等性能優(yōu)于開環(huán)控制，一般用于中小型機(jī)床或者加工精度不高的機(jī)床。

2.3 半閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

若半閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用在YHK250搖籃式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺中，則伺服電機(jī)端的速度反饋和位置反饋都由編碼器來實(shí)現(xiàn)，這種控制方式不能消除或減小機(jī)械傳動系統(tǒng)中所帶來的誤差，隨著當(dāng)今社會的發(fā)展，機(jī)床的加工精度要求越來越高，半閉環(huán)控制系統(tǒng)已經(jīng)滿足不了現(xiàn)在的需求。圖1為半閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

3? 全閉環(huán)控制系統(tǒng)及其在YHK250搖籃式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺中的應(yīng)用

3.1 YHK250搖籃式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)

如圖2所示為YHK250搖籃式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)，其回轉(zhuǎn)臺采用角接觸軸承和推力軸承相結(jié)合的安裝方式，對軸承預(yù)緊，可保證足夠的承載和對中心軸線的同軸度。搖擺軸采用角接觸軸承對稱布局，左右兩側(cè)預(yù)緊，底座設(shè)計(jì)為整體鑄件，穩(wěn)定性好，可保證足夠的承載和對中心軸線的同軸度。傳動系統(tǒng)上，該工作臺采用高精度雙導(dǎo)程蝸輪蝸桿副傳動，可沿蝸桿軸向調(diào)整傳動間隙，消除傳動誤差，從機(jī)械上提高了傳動精度，保證了工作臺的剛性。

3.2 全閉環(huán)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.2.1 位置檢測的全閉環(huán)控制? 由于半閉環(huán)控制系統(tǒng)已不能滿足現(xiàn)代高精度機(jī)床的需求，為了獲得更高的控制精度，在YHK250搖籃式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的回轉(zhuǎn)軸和搖擺軸增加高精度的檢測裝置如磁環(huán)式傳感器來實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。YHK250搖籃式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺磁環(huán)測量位置反饋全閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。圖3中：伺服驅(qū)動器與伺服電機(jī)通過編碼器的速度反饋來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，通過數(shù)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)工作臺轉(zhuǎn)速。磁環(huán)作為位移量反饋的檢測原件，用來測量工作臺回轉(zhuǎn)軸和搖擺軸的轉(zhuǎn)動角度，同時(shí)將其轉(zhuǎn)換成數(shù)控系統(tǒng)可分析的正弦波信號。其測量輸出的正弦波信號，具有檢測范圍寬，精度高，穩(wěn)定可靠，使用壽命高的特點(diǎn)。而且正弦波信號控制方式使工作臺運(yùn)行更平穩(wěn)，輸出效率更好，實(shí)時(shí)反饋各軸旋轉(zhuǎn)誤差，使數(shù)控系統(tǒng)對工作臺進(jìn)行誤差跟蹤補(bǔ)償，從而保證工作臺回轉(zhuǎn)軸和搖擺軸具有很好的動態(tài)響應(yīng)和定位精度。全閉環(huán)控制系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)控制的精度和效率，直接安裝在回轉(zhuǎn)軸和搖擺軸的磁環(huán)檢測工作臺位置變化形成反饋，使數(shù)控系統(tǒng)得到工作臺的位置反饋從而進(jìn)行修正;伺服電機(jī)上的編碼器只檢測工作臺速度，反饋到數(shù)控系統(tǒng)后做速度修正。這樣的控制系統(tǒng)就可以消除機(jī)械傳動鏈路中的各種誤差，達(dá)到工作臺所設(shè)計(jì)的精度要求。

3.2.2 位置檢測與測量? 磁環(huán)是磁性旋轉(zhuǎn)編碼器的簡稱，磁性旋轉(zhuǎn)編碼器有三個(gè)主要組件：磁盤，傳感器和調(diào)節(jié)電路。磁盤已磁化，其圓周上有許多磁極。由于位移量是矢量，傳感器檢測磁盤旋轉(zhuǎn)時(shí)磁場的變化，并將此信息轉(zhuǎn)換為正弦波;傳感器可以是感應(yīng)電壓變化的霍爾效應(yīng)器件，也可以是感應(yīng)磁場變化的磁阻器件，通過傳感器傳遞出來的正弦波信號的幅值大小可以反推出磁環(huán)旋轉(zhuǎn)的角度進(jìn)而得到工作臺的位移量，正弦波信號的相位差可以判斷出工作臺的旋轉(zhuǎn)方向，調(diào)節(jié)電路對信號進(jìn)行倍增，分頻或內(nèi)插以產(chǎn)生所需的輸出，從而完成工作臺位置的測量。磁性編碼器的最大優(yōu)勢是其堅(jiān)固性，磁性編碼器對灰塵，污垢，液體和油脂等污染物以及震動和振動不敏感。與光學(xué)編碼器類似，磁性編碼器確實(shí)需要在磁盤和傳感器之間留有氣隙，但是，磁性編碼器中的氣隙不需要像光學(xué)編碼器那樣清潔和透明。只要在磁盤和傳感器之間不存在任何含鐵材料，就會檢測到電磁脈沖。同時(shí)，磁性編碼器還有結(jié)構(gòu)簡單緊湊，易于小型化，安裝調(diào)試簡單，轉(zhuǎn)速高，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已大量應(yīng)用于我過高端機(jī)床的檢測環(huán)節(jié)中。

3.2.3 數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置? 要想實(shí)現(xiàn)高精度加工，必須對數(shù)控系統(tǒng)機(jī)床運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行必要的設(shè)置，才能發(fā)揮出全閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制性能：如基本參數(shù)，軸控制/設(shè)定相關(guān)參數(shù)，進(jìn)給速度相關(guān)參數(shù)，伺服控制相關(guān)參數(shù)，硬件相關(guān)參數(shù)，螺補(bǔ)/間補(bǔ)相關(guān)參數(shù)，螺距誤差補(bǔ)償相關(guān)參數(shù)等各種參數(shù)。工作臺各種間隙、誤差的測量是通過激光干涉儀精密測量得到的，將數(shù)據(jù)輸入數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)就可以根據(jù)全閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)追蹤補(bǔ)償誤差，使工作臺達(dá)到設(shè)計(jì)要求精度，不同的數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)略有區(qū)別，以實(shí)際使用的數(shù)控系統(tǒng)為準(zhǔn)。

4? 總結(jié)

本文研究了全閉環(huán)控制系統(tǒng)在YHK250搖籃式工作臺中的應(yīng)用，從實(shí)際效果可以看出，工作臺的位置反饋由直接安裝在回轉(zhuǎn)軸和搖擺軸上的磁環(huán)來完成，中間沒有多余的機(jī)械傳動部件，可以使數(shù)控系統(tǒng)可以很好的消除回轉(zhuǎn)渦輪、搖擺渦輪的傳動誤差。只需要合理選擇磁環(huán)，保證磁盤與傳感器之間間隙中沒有磁性物質(zhì)，就可以保證反饋信號的準(zhǔn)確，達(dá)到設(shè)計(jì)的分度精度，從而滿足工作臺設(shè)計(jì)要求。其應(yīng)用對機(jī)床附件的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了很好的實(shí)際應(yīng)用案例，對設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)開發(fā)起到了一定的積極推動作用。

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