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如图1 所示。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。

图1 　准闭环控制的原理

　　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。

图2 　纵横向拖板的反向间隙

　　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ε(ε为判终步数) 时,数字调节门关闭,反馈控制结束。判终步数ε根据实验决定(ε = 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ε ,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。