數(shù)控機(jī)床伺服控制技術(shù)體系與加工精度優(yōu)化途徑

(江蘇省泰興中等專業(yè)學(xué)校,江蘇 泰興 225400)

0 引言

隨著我國(guó)機(jī)械工業(yè)的快速發(fā)展,制造業(yè)裝備水平實(shí)現(xiàn)了快速提升,尤其在自動(dòng)化數(shù)控加工設(shè)備的普及應(yīng)用下,為我國(guó)制造業(yè)發(fā)展創(chuàng)造了良好基礎(chǔ)條件,為機(jī)械類產(chǎn)品的加工精度提升和整體質(zhì)量升級(jí)奠定裝備基礎(chǔ)。數(shù)控機(jī)床作為自動(dòng)化生產(chǎn)制造各種機(jī)械類零部件的加工設(shè)備總成,近年來其技術(shù)體系實(shí)現(xiàn)了快速升級(jí),傳統(tǒng)的數(shù)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了與伺服控制技術(shù)的進(jìn)一步融合,使伺服控制技術(shù)成為數(shù)控CNC系統(tǒng)的重要組成部分。該類技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用能顯著提高機(jī)械制造的加工精度和自動(dòng)化程度,并提高生產(chǎn)效率,降低人工作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度,伺服控制技術(shù)對(duì)于制造業(yè)的未來發(fā)展將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

1 技術(shù)特征

從制造業(yè)的國(guó)際化發(fā)展來看,數(shù)控機(jī)床技術(shù)總體向高效、高精度、多功能方向發(fā)展,對(duì)于控制能力的要求正持續(xù)提升。尤其在芯片技術(shù)的快速發(fā)展促進(jìn)下,數(shù)控機(jī)床的運(yùn)算能力持續(xù)提升,為數(shù)控機(jī)床的軟件控制力升級(jí)創(chuàng)造了良好條件。在常規(guī)數(shù)控加工制造中,伺服控制技術(shù)主要應(yīng)用于對(duì)加工刀具、輔助裝置及焊接設(shè)備等進(jìn)行位置、速度、轉(zhuǎn)速的控制,伺服控制技術(shù)的先進(jìn)性與機(jī)床整體制造數(shù)量密切相關(guān),尤其對(duì)于先進(jìn)的高精度機(jī)床及多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床而言,其對(duì)于伺服控制技術(shù)的依賴性更高。

伺服控制技術(shù)在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用具有以下優(yōu)勢(shì):一是能改善控制過程的響應(yīng)速度,更能適應(yīng)數(shù)控機(jī)床在加工過程中部分刀具及裝置的頻繁啟動(dòng)、停止、加減速等變化,使加工過程的變化控制在極短時(shí)間內(nèi)完成,對(duì)于伺服電機(jī)而言,其將速度由0加速至最大值僅需100 ms左右,部分先進(jìn)的伺服電機(jī)甚至能將反應(yīng)速度縮減到40～60 ms;二是有效保障數(shù)控機(jī)床的加工精度,利用伺服控制進(jìn)給系統(tǒng)能夠保證定位及加工精度達(dá)到0.01 mm,部分先進(jìn)的伺服控制技術(shù)能夠使定位和加工精度達(dá)到0.1 μm,且對(duì)于加工過程的抖動(dòng)和啟動(dòng)沖擊有很好的抑制作用;三是能顯著提高數(shù)控加工過程的抗過載能力,伺服控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的數(shù)控模式相比其控過載能力超出3～5倍;四是能夠適應(yīng)多種不同的速度加工制造要求,尤其對(duì)于多軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床而言,伺服電機(jī)可以在自身的速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速,配合滾珠絲杠和減速齒輪能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)進(jìn)給速度和轉(zhuǎn)速的高適應(yīng)性調(diào)整[1-2]。

2 技術(shù)體系與組成

伺服控制技術(shù)體系主要由軟件控制體系和硬件體系兩部分組成,軟件部分主要用于控制數(shù)控機(jī)床加工過程的各種邏輯,相當(dāng)于傳統(tǒng)人工操作機(jī)床的工人大腦,硬件系統(tǒng)是用于驅(qū)動(dòng)和輔助控制的各種硬件的總稱,是機(jī)床控制的執(zhí)行者和輔助者,主要包括伺服電機(jī)、傳感器、轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動(dòng)控制電路、電流調(diào)節(jié)單元、速度調(diào)節(jié)單元、編碼器等組成,根據(jù)伺服控制系統(tǒng)的控制邏輯進(jìn)行分類,可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)及半閉環(huán)控制系統(tǒng)等。

2.1 開環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯如圖1所示, 其能夠接受數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)給出的控制信號(hào)脈沖,并將所接收的脈沖信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,用于控制伺服電機(jī)定子繞組的通斷電,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的控制。開環(huán)控制系統(tǒng)的伺服電機(jī)與機(jī)床絲杠直接相連,通過轉(zhuǎn)子帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng),主要用于控制數(shù)控機(jī)床的工作臺(tái)相關(guān)參數(shù),包括控制工作臺(tái)位移量、運(yùn)動(dòng)方向、進(jìn)給速度等[3]。其技術(shù)原理是將控制系統(tǒng)輸入的脈沖數(shù)量、頻率、方向等數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為工作臺(tái)各項(xiàng)參數(shù)的數(shù)據(jù)變化,進(jìn)而滿足對(duì)數(shù)控機(jī)床制造過程的控制需求。

圖1 開環(huán)控制系統(tǒng)運(yùn)行邏輯

2.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)相比其運(yùn)行邏輯更為復(fù)雜,二者之間的差異在于閉環(huán)控制系統(tǒng)不僅能利用控制信號(hào)控制數(shù)控機(jī)床的各種加工動(dòng)作,還能通過動(dòng)作執(zhí)行的反饋持續(xù)修正機(jī)床的加工制造過程。閉環(huán)控制對(duì)于數(shù)控機(jī)床的控制和加工過程如圖2所示,其運(yùn)行時(shí)通過不斷重復(fù)圖2的控制流程完成機(jī)床的精確加工,通過比對(duì)實(shí)際值與期望值之間的偏差完成相應(yīng)的加工。閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)相比,在響應(yīng)速度、控制精度、魯棒性等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的控制時(shí),閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)于直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的測(cè)量,采用沿導(dǎo)軌移動(dòng)方向安裝直線位移傳感器的方式,能直接測(cè)量工作臺(tái)的位移。近年來,PID控制技術(shù)成為閉環(huán)控制系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床控制中的主流技術(shù)之一,其能夠有效解決被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的一些不確定或無法得到精確模型的情況,將系統(tǒng)的偏差分為比例、積分、微分三類運(yùn)算進(jìn)行細(xì)化調(diào)整,實(shí)現(xiàn)制造過程的更精準(zhǔn)控制[4]。

圖2 閉環(huán)控制系統(tǒng)運(yùn)行邏輯

2.3 半閉環(huán)控制系統(tǒng)

半閉環(huán)控制系統(tǒng)在檢測(cè)和控制的原理上與閉環(huán)控制系統(tǒng)類似,二者之間的差異表現(xiàn)在以下幾方面:一是數(shù)據(jù)檢測(cè)的方式不同,半閉環(huán)控制系統(tǒng)是以開環(huán)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模式為基礎(chǔ),利用角位移傳感器監(jiān)測(cè)絲杠轉(zhuǎn)角,再轉(zhuǎn)換為機(jī)床部件的位移,而閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)各種位移量進(jìn)行直接監(jiān)測(cè);二是閉環(huán)控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)作最終執(zhí)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè),而半閉環(huán)控制系統(tǒng)僅能監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)控制的過程;三是二者在控制精度和響應(yīng)速度方面存在一定差異,半閉環(huán)控制適用于精度和響應(yīng)速度較高的場(chǎng)合,其應(yīng)用成本相對(duì)較好,閉環(huán)控制適用于精度和響應(yīng)速度更高的場(chǎng)合,其建設(shè)和后期維護(hù)成本較高。

3 加工精度優(yōu)化途徑

3.1 精度優(yōu)化方向

從伺服控制技術(shù)角度對(duì)數(shù)控機(jī)床的加工精度進(jìn)行優(yōu)化,主要應(yīng)從以下幾方面進(jìn)行,一是優(yōu)化機(jī)床的定位精度,確保機(jī)床對(duì)待加工部件的定位坐標(biāo)與理想坐標(biāo)之間的誤差在合理范圍內(nèi),為后續(xù)加工制造工作奠定基礎(chǔ)條件;二是優(yōu)化實(shí)際加工過程的定位精度,能夠更好與切削、激光、焊接等工藝的特點(diǎn)相結(jié)合,按照實(shí)際加工情況進(jìn)行位置和速度的調(diào)整,并結(jié)合電控邏輯進(jìn)行控制優(yōu)化。此外,為更好保證數(shù)控機(jī)床的加工精度,應(yīng)做好機(jī)床的日常檢查、維護(hù)及幾何精度調(diào)整,重點(diǎn)保證主軸回轉(zhuǎn)精度、導(dǎo)軌直線度、各個(gè)加工件和固定件之間的相對(duì)位置精度等[5-6]。

3.2 具體實(shí)施思路

3.2.1 精細(xì)加工

從電氣控制的角度出發(fā),進(jìn)行數(shù)控機(jī)床精度提升首先要從控制程序和執(zhí)行邏輯的角度進(jìn)行考慮,主要實(shí)施方向包括以下兩點(diǎn):一是細(xì)化控制程序執(zhí)行路線,傳統(tǒng)的控制路線主要針對(duì)零件加工過程的變化位置重點(diǎn)監(jiān)測(cè),而對(duì)平面、曲面等規(guī)律性較強(qiáng)的零件結(jié)構(gòu)加工時(shí)的路線細(xì)分較為粗放,可通過程序?qū)庸ぢ肪€進(jìn)行細(xì)分,以此縮短單次加工步驟,使原加工步驟的精確性提升至2倍甚至更高,如圖3所示。

圖3 細(xì)化加工示意圖

3.2.2 誤差補(bǔ)償

誤差補(bǔ)償是利用軟件技術(shù)修正硬件在加工和裝配過程中產(chǎn)生的誤差,并盡量使誤差補(bǔ)償值與原始誤差值相等,使不利加工因素最大程度降低,進(jìn)而提高加工制造精度。誤差補(bǔ)償技術(shù)在數(shù)控設(shè)備中應(yīng)用了較長(zhǎng)時(shí)間,所應(yīng)用的補(bǔ)償理論和方式也呈現(xiàn)多樣化趨勢(shì),現(xiàn)階段典型的誤差補(bǔ)償技術(shù)包括以下幾種:

1)誤差直接補(bǔ)償。主要是針對(duì)已知誤差參數(shù)進(jìn)行的程序化補(bǔ)償,屬于簡(jiǎn)單的直接補(bǔ)償技術(shù),能夠針對(duì)加工溫度影響誤差、傳感器誤差等進(jìn)行補(bǔ)償,方法簡(jiǎn)單有效,但形式單一,對(duì)于誤差的補(bǔ)償范圍和補(bǔ)償能力受一定限制,部分無法實(shí)現(xiàn)測(cè)定或明確的誤差不能被有效補(bǔ)償[7]。

2)均值修正技術(shù)。主要利用傳感器技術(shù)測(cè)量精確的回轉(zhuǎn)誤差,如測(cè)量導(dǎo)軌平行度誤差,可通過多個(gè)位置的多個(gè)測(cè)量值進(jìn)行誤差分析,進(jìn)而有效解決傳感器單一測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生的漂移誤差,提高測(cè)量和控制的精確性。

3)誤差抑制技術(shù)。通過合理設(shè)計(jì)誤差模型結(jié)合新的機(jī)構(gòu)或者電路設(shè)計(jì)抵消或消除零位誤差、漂移誤差,能夠在控制邏輯和技術(shù)優(yōu)化上直接降低誤差影響。

4)反向間隙補(bǔ)償。例如在部分鏈傳動(dòng)或齒輪傳動(dòng)的機(jī)床驅(qū)動(dòng)模式下,在正轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)和翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換的過程中,會(huì)因鏈條與鏈輪的配合間隙或齒輪間的配合關(guān)系影響產(chǎn)生反應(yīng)遲滯,而引起加工誤差,因此,利用電控技術(shù),在每次出現(xiàn)反向驅(qū)動(dòng)時(shí),系統(tǒng)基于適當(dāng)?shù)拿}沖進(jìn)行補(bǔ)充,以修正此類誤差。

3.2.3 混合私服技術(shù)

在數(shù)控機(jī)床實(shí)際的使用過程中，設(shè)備所受到的誤差影響因素較多，振動(dòng)、溫度、負(fù)載等一系列因素會(huì)引起傳動(dòng)誤差，在此情況下，越是技術(shù)先進(jìn)、功能多樣的機(jī)床，存在的誤差影響因素就越多，越難以通過單一方式的誤差修正技術(shù)實(shí)現(xiàn)加工精度的改善?；旌纤椒夹g(shù)(圖4)是一種多種技術(shù)整合的閉環(huán)控制技術(shù)，能有效降低機(jī)床在工作過程中的多種不利因素影響，同時(shí)降低電機(jī)丟轉(zhuǎn)、振動(dòng)等私服設(shè)備的影響，顯著提高生產(chǎn)加工精度并降低能耗?；旌纤椒到y(tǒng)與現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用的交流伺服系統(tǒng)相比，平均故障(失效)間隔時(shí)間(MTBF)得到有效延長(zhǎng)，伺服元件及機(jī)械傳動(dòng)部分的可靠性顯著提升，既使控制精度保證，還降低了技術(shù)引進(jìn)成本[8]。

4 結(jié)語

綜上所述,伺服控制技術(shù)在我國(guó)數(shù)控機(jī)床技術(shù)研究和應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用,要進(jìn)一步提高我國(guó)數(shù)控機(jī)床技術(shù),促進(jìn)制造業(yè)的現(xiàn)代化、智能化轉(zhuǎn)型,必須要更合理地應(yīng)用伺服控制技術(shù),充分發(fā)揮先進(jìn)伺服控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì),不僅提高機(jī)床的自動(dòng)化程度,而且實(shí)現(xiàn)在機(jī)床的響應(yīng)速度、抗干擾能力、連續(xù)加工能力、協(xié)同制造能力、穩(wěn)定性等方面全面升級(jí),同時(shí)加強(qiáng)私服電機(jī)、控制芯片等核心技術(shù)攻關(guān),促進(jìn)數(shù)控機(jī)床在軟硬件方面的全面升級(jí)。