数控机床的准闭环控制数控技术

0 引言

　　由步进电机驱动的数控机床,因其价格低廉,通常称为经济型数控机床。这类机床的进给驱动系统基本上采用开环控制。开环控制具有价格低廉、技术成熟、稳定性好等优点,但它存在一个致命的缺点,即控制精度低。影响开环系统控制精度的因素有两个,一是机械部件的传动误差,二是步进电机的失步(丢步和越步) 误差。开环系统的固定量间隙补偿,对于克服弹性变形以及机械传动部件的间隙效果不大;至于步进电机的失步误差,纯属一种随机误差,开环系统根本无法补偿。步进电机失步的结果,将导致数控机床的工作台不能返回起始点,保证不了零件的加工精度,甚至有可能引发事故。所以,为了实现高的伺服精度,必须采用闭环控制。

　　由于步进电机的数学模型比较复杂,而由步进电机拖动的伺服系统的数学模型更加复杂,因此,若是采用全闭环控制技术来控制步进系统,困难可能比较大,闭环的算法软件很难编制。为此,本文提出了一种新型的步进电机闭环控制技术位置准闭环控制。

1 准闭环控制的原理

　　普通机床的准闭环控制原理，它的实现是在常规的开环系统中加上直线光栅作为线位移检测元件,以机床工作台的实际位移量作为反馈信号,采用以软件实现的数字调节门来控制机床的进给运动。

　　我们知道,带有调节器的闭环控制在系统超调时,需要作反向运动以消除偏差,从而有可能引起系统的振荡,导致控制不稳。但是,对于机床的切削加工,超调是不允许的,一旦产生超调,工件已被切削,就有可能报废。解决系统超调有两条途径,一是采用适当的数字调节并选择合适的调节参数;另一是在切削进给快结束时,采用适当的降频处理,使工作台以较低的速度趋向指定的位置。后者简单易行、稳定性好、成本低、实现容易,且在快速性方面与前者相比也差不了多少。因为步进电机转子的转动惯量小,启、停时间短,电机在步进信号输入几毫秒后就能转动甚至达到同步速度,一旦信号切断,电机立即停转。考虑到普通机床,特别是一些旧机床,本身精度不高,导轨由于不均匀磨损,造成在整个工作长度上的反向间隙很不一致,如图2 所示。若用常规的数字调节器来控制,很难确定调节参数,即使暂时确定下来,经过一段时间的切削加工,机械传动一旦有松动,参数也会改变。因此,本文提出的准闭环控制不用常规的数字调节器,而用一种特殊形式的数字调节器数字调节门。

　　数字调节门实际上是PID 数字调节器的一种变形,它不含积分环节,也不含微分环节,只含比例环节,且比例系数取1。其工作原理如下:当指令脉冲数减去反馈脉冲数大于零时,数字调节门打开,系统进行反馈控制;当指令脉冲数减去反馈脉冲数小于或等于(为判终步数) 时,数字调节门关闭,反馈控制结束。判终步数根据实验决定( = 0 ,1 或2)。

　　实践表明,采用数字调节门实现的闭环控制,既可获得较高的伺服精度又可获得良好的稳定性。数字调节门在系统超调时不作反向运动处理,控制软件一方面通过适当的降频,选择合适的判终步数 ,使系统尽量不超调;另一方面,一旦出现超调误差,系统便将该误差记忆,并在下一程序段予以消除,避免了误差的累积。

2 准闭环控制在普通车床中的应用

　　采用上述的准闭环控制技术,在普通车床上建立了一种新型的准闭环控制系统。它基于MCS-51系列的AT89C52 单片机,扩展了一片27C512 作为EPROM,一片62256 作为SRAM,一片8279 管理键盘与显示器,一片8255 作为输入、输出接口,一片8253 作为计数器。X、Z 向直线光栅的A、B 相信号(相位差为90°) ,分别送到两个四倍频接口电路进行四细分和辨向,由两路四倍频接口输出的正、负向脉冲,再送到8253 计数器的CLK0、CLK1、CLK2 以及CPU 的计数器T0 ,从而形成准闭环控制。

3 实验分析

　　在一台经过数控改造的CM6132普通车床上,使用上述的准闭环控制系统(纵、横向进给脉冲当量分别为0.01mm 和0.005mm) ,进行了以下实验。

　　3.1 　拖板反向间隙的测定

　　图2示出了这台车床纵、横方向拖板在200mm行程范围内的反向间隙。在图2 中,水平坐标表示拖板的位移(mm) ,垂直坐标表示拖板的反向间隙(脉冲数) 。粗实线表示Z向拖板的间隙,细实线表示X向拖板的间隙。可以看出,不管是纵向拖板还是横向拖板,它们的反向间隙在导轨的全程上均是随机分布的。因此,开环系统即使具有固定量间隙补偿的功能,它也无法克服随机分布的间隙。

　　3.2 定位精度测定

　　表1为横向拖板从同一点出发到达不同位置的定位精度。开环系统的定位精度不高,最大定位误差是0.05mm,而闭环系统的定位误差则稳定地控制在0.005mm(即一个脉冲当量) 之内。不同进给速度的定位精度实验表明,进给速度对定位精度影响甚小,这一点由软件中适当的降频处理来保证。

　　3.3 重复定位精度测定

　表2为横向拖板从同一点出发在不同位置的重复定位精度。从表2 可以看出,虽然开环系统的重复定位精度在某一点因采用固定量间隙补偿而达到改善 ,但位移不同,重复定位精度也不同,这是由于导轨全长上的不均匀间隙造成的。而闭环系统的重复定位精度总是控制在0.005mm以内。

　　3. 4 人为失步实验

　　在拖板移动过程中,对刀架施力,强迫步进电机失步。实验结果表明,开环系统对此失步无能为力,而闭环系统则能补偿此误差。

　　3. 5 车削结果

　　通过对不同形状零件的加工,包括内、外圆柱面,端面、沟槽、任意锥面、球面以及各种螺纹的切削,实践表明,采用上述闭环系统时,加工误差均能控制在一个脉冲当量之内,这对经济型数控车床来说是相当理想的。

　　图4 示出了一个典型零件,它是由4 把刀具一次装夹加工出来的。两把刀具用于车削外圆面(粗、精车) ,一把用于割槽,另一把则用于车螺纹。4 把刀尖的相对位置由自动对刀装置在2 分钟之内对好。毛坯为一根< 44 的40Cr 棒料,切削时间为2分32 秒。图4 中,括号内的数字为图纸标注尺寸,没加括号的数字为切削后的实测尺寸。从图中可以看出,该零件的尺寸精度均没有超出0. 005mm。

4 结束语

　　本文提出的步进电机的位置准闭环控制技术已经成功地应用在多种经济型数控系统上。大量的应用实践表明,采用准闭环控制的数控机床具有较高的控制精度和良好的稳定性,并具有较高的性能价格比。准闭环控制能够有效地克服机械部件的传动误差与步进电机的失步误差,使得数控机床的控制精度达到一个脉冲当量。这种控制方式解决了目前经济型CNC 机床控制精度普遍低的问题,具有一定的推广和使用价值。