专用数控机床上全闭环控制方法的研究.pdf

1、2010年 1月第 38卷 第 2期机 床 与 液 压MACH INE TOOL 全 闭 环 控 制 ; 跟 随 误 差 ; 反 向 误 差 补 偿中 图 分 类 号 : TP242 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 1001 - 3881 (2010) 2 - 077 - 3Research on C losed2loop Con trol Technology of Spec ia l NC M ach ineSUN Xingwei, DONG W ei, CHEN L inp ing, WANG Ke( School ofMechanical Engineering, Sh

2、enyang University ofTechnology, Shenyang L iaoning 110023, China)Abstract: The machining p recision of NC machine can be imp roved with the closed2loop control system. But some p roblem s ap2pear in the p rocess of the closed2loop control, such as larger following error and reversing error. The p ri

3、ncip le of closed2loop controlbased on motion controller and the app lication on special NC machine with lengthened bed and driven by rack and gear longitudinallywere studied. Some p roblem s, such as how to reduce the following error and how to elim inate the reversing error, were settled. Thismeth

4、od was app lied in p ractice and p leased result was got.Keywords: Motion controller; Closed2loop control; Following error; Compensation of reversing error目 前 提 高 数 控 机 床 加 工 精 度 的 主 要 方 法 是 在 机 床上 采 用 全 闭 环 系 统 控 制 。 全 闭 环 是 从 机 床 运 动 部 件 上直 接 读 取 位 置 采 样 点 数 据 , 检 测 采 样 运 动 部 件 的 实 际位 置 , 从 而 消 除

5、了 整 个 放 大 和 传 动 环 节 的 误 差 和 间隙 , 因 而 具 有 很 高 的 位 置 控 制 精 度 1 - 3 。 但 是 由 于 增加 了 中 间 环 节 使 得 运 动 惯 量 很 大 , 而 且 位 置 环 内 的 许多 机 械 传 动 环 节 的 摩 擦 特 性 、 刚 性 和 间 隙 都 是 非 线 性的 , 容 易 造 成 系 统 的 不 稳 定 4 。 用 基 于 PC的 运 动 控制 卡 的 数 控 系 统 不 易 实 现 全 闭 环 控 制 , 尤 其 是 在 加 长床 身 、 纵 向 用 齿 轮 齿 条 传 动 的 数 控 机 床 上 。 作 者 针 对如

6、 何 使 用 运 动 控 制 卡 实 现 全 闭 环 以 及 实 现 全 闭 环 之 后机 床 出 现 的 问 题 进 行 了 研 究 , 并 将 研 究 成 果 应 用 于 实际 , 取 得 了 满 意 的 效 果 。1 全 闭 环 控 制 系 统 的 控 制 原 理该 专 用 数 控 机 床 的 床 身 纵 向 最 大 长 度 达 11m, 最大 有 效 加 工 长 度 达 8m。 由 于 纵 向 行 程 较 长 , 且 在 加工 过 程 中 反 复 走 刀 实 现 零 件 的 加 工 , 因 此 要 求 机 床 的运 动 精 度 较 高 (全 长 要 求 定 位 精 度 80 m, 重

7、复 定 位精 度 10 m)。 为 满 足 这 一 要 求 , 最 初 采 用 传 统 的 半闭 环 控 制 , 采 用 滚 珠 丝 杠 为 传 动 机 构 , 系 统 从 电 机 读取 位 置 环 反 馈 信 号 。 但 是 丝 杠 长 8m, 其 径 向 弹 性 变形 量 将 严 重 影 响 丝 杠 的 传 动 精 度 。 实 际 检 测 表 明 , 纵向 误 差 在 床 头 侧 为 5 m左 右 , 而 在 床 尾 侧 则 达 到 了800 m。 因 此 , 考 虑 到 成 本 和 实 现 控 制 的 可 行 性 , 决定 纵 向 机 械 结 构 采 用 齿 轮 齿 条 结 构 , 用

8、光 栅 尺 直 接 测量 纵 向 工 作 台 的 实 际 位 置 , 这 样 可 以 实 现 纵 向 的 精 确定 位 , 从 而 保 证 纵 向 加 工 精 度 。 该 专 用 数 控 机 床 的 数控 系 统 采 用 是 在 工 业 控 制 计 算 机 ( IPC) 的 基 础 上 以运 动 控 制 卡 作 为 整 个 控 制 器 的 核 心 控 制 元 件 , 进 给 轴采 用 高 性 能 交 流 伺 服 驱 动 器 , 测 量 环 节 上 的 光 栅 尺 采用 的 是 FAGOR2FX (精 度 是 40 m ) 系 列 直 线 光 栅尺 。 图 1为 该 专 用 数 控 机 床 的

9、全 闭 环 控 制 原 理 图 。图 1 机 床 全 闭 环 控 制 原 理 图2 实 现 全 闭 环 控 制 的 方 法(1) 编 码 器 转 换 表基 于 PC的 运 动 控 制 卡 具 有 响 应 速 度 快 、 精 度高 、 开 发 周 期 短 、 编 程 和 操 作 简 单 的 特 点 。 它 借 助 于Motorola的 DSP56001 /56002数 字 信 号 处 理 器 , 可 同时 操 纵 1 8个 轴 , 能 够 对 存 储 在 它 内 部 的 程 序 进 行单 独 的 运 算 , 执 行 运 动 程 序 、 PLC程 序 、 进 行 伺 服 环更 新 。 它 还 可

10、以 自 动 对 任 务 进 行 优 先 等 级 判 断 , 从 而进 行 实 时 的 多 任 务 处 理 , 提 高 了 整 个 控 制 系 统 的 运 行速 度 和 控 制 精 度 5 - 6 。 基 于 PC的 运 动 控 制 卡 可 以 和多 种 交 流 伺 服 系 统 组 成 数 控 系 统 , 由 于 不 同 厂 家 生 产的 交 流 伺 服 电 机 的 编 码 器 反 馈 的 信 号 类 型 不 同 , 运 动控 制 卡 为 了 识 别 不 同 编 码 器 反 馈 的 脉 冲 信 号 , 在 其 内部 建 立 了 一 个 编 码 器 转 换 表 , 该 表 的 目 的 是 将 不

11、同 类型 的 编 码 器 脉 冲 信 号 转 换 成 运 动 控 制 卡 能 识 别 的 信 号类 型 。在 运 动 控 制 卡 内 部 的 编 码 器 转 换 表 中 , 该 表 的 地址 和 默 认 的 设 置 值 是 运 动 控 制 卡 的 固 化 值 , 不 能 随 便改 变 , 但 是 可 以 根 据 需 要 将 不 同 的 口 地 址 指 向 这 些 地址 。 在 编 码 器 转 换 表 中 , Y: 0720是 第 1轴 的 电 机编 码 器 的 输 入 地 址 ; Y: 0721是 第 2轴 的 电 机 编 码器 输 入 地 址 ; 以 此 类 推 , Y: 0727是 第 8

12、轴 的 电 机编 码 器 的 输 入 地 址 , Y: 0728和 Y: 0729是 手 轮 输入 地 址 。(2) 控 制 系 统 参 数 设 置根 据 加 工 需 要 该 专 用 数 控 机 床 采 用 的 是 三 轴 联动 , 包 括 刀 具 进 给 方 向 X轴 (第 1轴 ) , 工 作 台 纵 向移 动 Z 轴 (第 2 轴 ) 和 工 件 卡 盘 的 旋 转 运 动 C 轴(第 3轴 )。 为 了 实 现 全 闭 环 控 制 , 就 需 要 将 纵 向 的光 栅 尺 的 位 置 信 号 输 入 到 运 动 控 制 卡 中 。 初 步 的 设 想是 将 光 栅 尺 的 脉 冲 信

13、号 从 第 3轴 的 电 机 编 码 器 的 口 地址 输 入 , 则 第 3轴 的 电 机 编 码 器 从 第 四 轴 的 口 地 址 输入 。 根 据 编 码 器 转 换 表 , 可 以 将 编 码 器 转 换 表 的 地 址Y: 0722作 为 纵 向 移 动 轴 的 光 栅 尺 的 脉 冲 输 入 口 ,将 第 3轴 电 机 编 码 器 的 地 址 设 为 Y: 0723。在 使 用 运 动 控 制 卡 实 现 半 闭 环 的 系 统 中 , Ix03和 Ix04的 设 定 值 是 一 样 的 , 都 是 速 度 环 的 脉 冲 反 馈地 址 。 对 于 有 位 置 反 馈 的 全 闭

14、 环 双 反 馈 系 统 中 , Ix03的 地 址 应 该 是 位 置 环 脉 冲 输 入 的 口 地 址 。 根 据 编 码 器转 换 表 的 参 数 设 置 , I103 与 I104 的 设 置 值 都 是Y: 0720, I203的 设 置 值 是 Y: 0722, I204的 设 置值 是 Y: 0721, I303和 I304的 设 定 值 是 Y: 0722。则 机 床 的 第 2轴 在 加 工 过 程 中 将 以 光 栅 尺 反 馈 的 位 置信 号 决 定 工 作 台 是 否 到 位 , 而 不 再 以 电 机 编 码 器 反 馈的 信 号 判 断 是 否 到 位 , 这

15、样 就 构 成 了 一 个 全 闭 环 系统 。在 这 个 系 统 中 光 栅 尺 作 为 位 置 环 的 反 馈 , 数 控 系统 根 据 位 置 环 的 脉 冲 数 控 制 工 作 台 的 移 动 。 位 置 环 可以 很 精 确 的 反 馈 出 工 作 台 的 移 动 距 离 , 但 是 位 置 环 将很 多 的 机 械 传 动 纳 入 到 伺 服 环 内 部 会 使 系 统 不 稳 定 。如 果 单 独 依 靠 位 置 环 控 制 电 机 的 运 动 , 由 于 机 械 部 分的 惯 性 、 阻 尼 、 摩 擦 , 使 电 机 震 荡 不 稳 定 ; 单 独 使 用速 度 环 控 制

16、电 机 运 行 得 十 分 平 稳 , 但 是 由 于 齿 轮 齿 条的 传 动 误 差 又 会 造 成 运 动 不 精 确 。3 全 闭 环 后 的 机 床 性 能 分 析该 机 床 采 用 的 是 齿 轮 齿 条 和 多 级 减 速 比 的 减 速箱 组 成 的 传 动 系 统 , 多 级 减 速 的 减 速 箱 使 得 机 床 反向 运 动 过 程 中 出 现 很 大 的 反 向 间 隙 , 且 齿 轮 和 齿 条传 动 不 是 特 别 精 确 , 若 只 采 用 速 度 环 控 制 纵 向 运 行8m, 其 误 差 达 到 10mm。 在 使 用 了 光 栅 尺 做 全 闭 环之 后

17、, 机 床 反 向 运 动 时 由 于 齿 轮 齿 条 和 减 速 箱 的 传动 误 差 , 机 械 部 分 不 稳 定 。 经 过 分 析 发 现 , 是 由 于速 度 环 反 馈 的 脉 冲 数 和 位 置 环 反 馈 的 脉 冲 数 不 相 同而 导 致 的 。 在 机 床 运 动 过 程 中 , 控 制 器 以 位 置 编 码器 反 馈 的 脉 冲 数 作 为 运 动 是 否 到 位 的 标 准 , 由 于 速度 环 反 馈 的 脉 冲 数 与 位 置 环 不 匹 配 , 因 此 控 制 器 就将 速 度 环 屏 蔽 了 , 使 得 速 度 环 实 际 上 不 起 作 用 , 因此 就

18、 需 要 使 速 度 环 和 位 置 环 反 馈 的 脉 冲 数 一 致 。 根据 要 求 需 要 计 算 工 作 台 走 1mm电 机 所 发 的 脉 冲 数 ,用 公 式 ( 1) 计 算 。 = mn 1 Pg 4 (1)式 中 : 为 工 作 台 走 1mm电 机 发 出 的 脉 冲 数 ;mn为 减 速 比 ;Pg为 电 机 的 脉 冲 数 。为 了 使 位 置 环 和 速 度 环 反 馈 的 脉 冲 数 保 持 一 致 ,必 须 给 光 栅 尺 反 馈 的 脉 冲 数 放 大 一 定 的 倍 数 , 用 公 式(2) 计 算 。A = 96 (2)式 中 : 为 光 栅 尺 1mm

19、反 馈 的 脉 冲 数 ; 为 工 作 台 走 1mm电 机 发 出 的 脉 冲 数 ;A为 光 栅 尺 反 馈 的 位 置 比 例 因 子 。计 算 后 重 新 设 置 系 统 的 相 关 参 数 , 这 样 就 可 以 保证 机 床 纵 向 的 位 置 环 和 速 度 环 反 馈 的 脉 冲 数 一 致 。 经过 试 验 研 究 , 机 床 已 运 行 平 稳 , 原 先 的 反 向 机 械 震 荡基 本 消 除 。 但 是 由 于 纵 向 电 机 的 位 置 比 例 因 子 放 大 倍数 增 大 , 使 电 机 在 运 动 过 称 中 发 生 震 动 , 测 试 后 发 现机 床 在 加

20、 工 过 程 中 随 动 误 差 增 大 , 影 响 了 加 工 精 度 。因 此 需 要 对 电 机 的 P ID参 数 重 新 设 置 , 电 机 位 置 比 例因 子 放 大 多 少 倍 , 电 机 的 比 例 增 益 因 子 就 朝 相 反 的 方向 缩 小 相 同 的 倍 数 。 调 试 后 发 现 电 机 的 震 动 现 象 消除 , 加 工 过 程 中 随 动 误 差 减 小 , 达 到 了 预 期 的 效 果 。87 机 床 与 液 压 第 38卷现 场 采 用 激 光 干 涉 仪 进 行 检 测 , 在 8m检 测 长 度 内 ,定 位 精 度 达 到 30 m, 重 复 定

21、 位 精 度 达 到 5 m, 完 全达 到 了 设 计 要 求 。图 2是 未 实 现 全 闭 环 时 机 床 随 动 误 差 和 实 现 全 闭环 时 机 床 随 动 误 差 曲 线 的 对 比 图 , 图 中 曲 线 1表 示 半闭 环 的 误 差 曲 线 , 曲 线 2表 示 全 闭 环 的 误 差 曲 线 图 。从 图 2中 可 以 看 出 , 在 开 始 运 动 时 曲 线 1的 最 大 误 差约 为 25个 脉 冲 , 曲 线 2的 最 大 误 差 约 为 18个 脉 冲 。在 反 向 运 动 开 始 时 , 曲 线 1最 大 误 差 约 是 30个 脉 冲 ,曲 线 2的 最

22、大 误 差 约 是 20个 脉 冲 。 在 加 工 过 程 中 ,曲 线 2始 终 在 零 点 左 右 摆 动 且 幅 度 不 大 , 大 约 在 6个脉 冲 左 右 , 而 曲 线 1摆 动 的 幅 度 要 大 得 多 , 大 约 在12个 脉 冲 左 右 。 从 曲 线 图 中 可 以 看 出 实 现 全 闭 环 之后 随 动 误 差 明 显 减 小 了 。图 2 半 闭 环 和 全 闭 环 时 机 床 随 动 误 差 曲 线 图4 结 论运 用 运 动 控 制 卡 的 内 部 编 码 器 转 换 表 将 光 栅 尺的 位 置 反 馈 加 在 运 动 控 制 卡 上 实 现 了 全 闭 环

23、 控 制 ,提 高 了 机 床 的 运 动 精 度 和 加 工 精 度 , 并 通 过 一 定 的参 数 设 置 解 决 了 全 闭 环 后 机 床 出 现 的 反 向 震 动 和 跟随 误 差 增 大 等 问 题 。 经 实 际 应 用 表 明 , 该 方 法 是 一种 减 小 加 长 床 身 机 床 纵 向 进 给 误 差 行 之 有 效 的 方法 。参 考 文 献 :【 1】 李 霞 ,王 永 章 ,郑 佳 听 ,等 . 开 放 式 软 数 控 系 统 的 关 键 技术 研 究 及 实 现 J . 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 , 2003(10) : 12 - 15.

24、【 2】 李 爱 平 ,张 建 国 . NC嵌 入 PC型 开 放 式 数 控 系 统 的 研 究 J . 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 , 2001 (12) : 31 - 37.【 3】 罗 学 科 ,赵 玉 侠 . 典 型 数 控 系 统 及 其 应 用 M . 北 京 :化学 工 业 出 版 社 , 2005, 10.【 4】 周 凯 . 数 控 机 床 的 数 字 化 全 闭 环 控 制 J . 机 械 工 业 自动 化 , 2002 (4) : 38 - 39.【 5】 吴 宏 ,蒋 仕 龙 ,龚 小 云 ,等 . 运 动 控 制 器 的 现 状 与 发 展 J

25、. 制 造 技 术 与 机 床 , 2004 (1) : 24 - 27.【 6】 裴 葆 青 ,陈 五 一 ,吴 淑 琴 . 基 于 运 动 控 制 器 的 开 放 式 数 控系 统 研 究 应 用 J . 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 , 2003(2) : 41 - 43.(上 接 第 59页 )表 1 电 流 控 制 器 输 入 /输 出 值 对 应 表V in /V Iout1 /A Iout2 /A Iout3 /A Iout4 /A Iout5 /A Iout6 /A Iout7 /A Iout8 /A01000 01009 01011 01011 01012

26、01013 01013 01013 0101401280 01150 01151 01153 01153 01155 01155 01156 0115801690 01361 01362 01363 01365 01366 01366 01367 0136911380 01705 01707 01707 01707 01708 01709 01711 0171211790 01901 01902 01902 01903 01903 01905 01909 0191321000 11010 11011 11013 11015 11014 11016 11017 1101721200 11010

27、11012 11013 11013 11013 11013 11015 1101621300 11161 11161 11161 11163 11163 11169 11169 1117321500 11260 11261 11262 11262 11262 11263 11265 1126621820 11421 11424 11425 11425 11425 11426 11427 11429依 据 表 1所 示 数 据 和 实 际 控 制 对 象 要 求 , 对 控 制器 进 行 微 调 , 使 得 输 入 /输 入 符 合 标 准 。 对 表 1数 据进 行 误 差 分 析 得 到 ,

28、 其 残 余 误 差 属 于 线 性 误 差 4 - 5 ,基 于 流 体 系 统 的 误 差 标 准 , 该 线 性 误 差 在 允 许 范 围 之内 。3 结 论磁 流 变 阻 尼 阀 拥 有 传 统 阻 尼 阀 所 不 具 备 的 各 项优 点 , 能 够 在 流 量 控 制 的 智 能 化 方 面 达 到 更 加 方便 、 精 确 的 目 的 , 并 在 传 统 液 压 伺 服 阀 的 基 础 上 提升 了 电 液 元 素 相 互 结 合 的 程 度 , 为 检 测 和 控 制 等 单元 的 扩 展 提 供 了 更 为 方 便 的 途 径 。 针 对 该 种 伺 服 阀而 设 计 出

29、的 性 能 检 测 系 统 的 电 流 控 制 器 , 其 精 度 控制 性 能 的 稳 定 和 提 升 将 对 该 种 伺 服 阀 的 应 用 产 生 良好 影 响 。电 液 伺 服 阀 在 实 验 过 程 中 表 现 稳 定 , 电 流 与 应 力均 达 到 要 求 , 未 来 的 发 展 将 着 重 在 改 进 设 计 提 高 阻 尼系 数 , 改 进 软 件 结 构 , 提 升 控 制 精 度 和 速 度 等 方 面 。磁 流 变 电 液 伺 服 阀 作 为 新 型 的 低 压 中 速 系 统 流 量 控 制器 , 其 特 点 明 显 , 应 用 潜 力 巨 大 。参 考 文 献 :【

30、 1】 关 新 春 ,李 金 海 ,欧 进 萍 . 剪 切 阀 式 磁 流 变 液 减 振 器 磁 路的 设 计 方 法 J . 机 械 设 计 与 制 造 , 2003 (3) : 97 - 99.【 2】 Tian L. Study on Power Transm ission Technology based2onMRF J . International Journal ofModern Physics B, 2005,19 (7 /8 /9) : 1563 - 1569.【 3】 艾 红 霞 . 磁 流 变 阀 及 具 有 阻 尼 特 性 的 MRf压 执 行 器 的研 究 D .重 庆 :重 庆 大 学 , 2005.【 4】 费 业 泰 . 误 差 理 论 与 数 据 处 理 M . 3版 . 北 京 :机 械 工业 出 版 社 , 1997. 5.【 5】 罗 中 良 ,李 先 祥 ,施 仁 . 工 业 配 比 过 程 控 制 及 系 统 设 计 J . 兰 州 大 学 学 报 :自 然 科 学 版 , 2004, 6 (40) : 34 - 37.97第 2期 孙 兴 伟 等 : 专 用 数 控 机 床 上 全 闭 环 控 制 方 法 的 研 究