數控機床雙軸驅動同步控制方法的探討

許晶

摘? 要：在數控機床雙軸驅動系統工作過程中，因為工作臺與滑臺的質量重心沒有重合，導致兩根滾珠絲杠的位置或轉速出現一定的誤差，從而影響了數控機床的加工精度。所以，可以說，兩根驅動軸的同步控制精度是衡量數控機床工作性能的重要指標。數控機床雙軸驅動同步控制方法變成了數控加工中的一個難題。為了有效地解決這一難題，該文把神經網絡控制與傳統PID控制進行了有機結合，提出了一種基于神經元PID的控制方式，同時采用交叉耦合控制方法實時改變神經元的連接權重，從而實現PID控制參數的在線整合，仿真結果表明，該方法能有效減小同步誤差，提高工件加工精度，在實踐中有一定的可推廣性與實際應用性。

關鍵詞：數控機床? 加工精度? 同步控制? 神經網絡? PID控制

中圖分類號：TG659 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）09（b）-0048-02

雙軸驅動控制廣泛應用于數控加工設備中，由于兩套驅動系統存在制造方面和裝配方面的雙重誤差，當電機輸入相同指令時，會引起輸出軸速度或位置產生很大偏差;同時，當工作臺位置不在兩根軸的中心線上時，作用到各軸上的負載力不同，再加上兩根軸在高速進給時存在一定的耦合關系，這就會影響雙軸驅動的控制精度，使數控機床的工作性能大大下降。因此，采用何種控制方法，提高雙軸同步控制精度，是研究人員普遍關注的問題。也是我們業內研究的重要課題。

該文對數控機床雙軸同步系統的工作原理及相關問題進行了深入研究，分析了影響同步控制精度的因素，并制定神經元PID控制策略用于雙軸同步驅動控制系統中。同時，把兩根驅動軸的位置誤差、轉速誤差以及電機的電流作為控制的有效變量，實踐中采用交叉耦合控制的方式進行系統地分析。實驗結果表明，所采用控制方式能很好地減小雙軸驅動系統在工作過程中產生的同步誤差，并可以將此誤差控制在一個允許的范圍內，大大提高了機床控制精度，為數控機床雙軸同步控制系統的研究開辟了新的局面。

1? 數控機床理論研究

數控機床雙軸驅動系統主要由工作臺、交流伺服電機、數控裝置、位置反饋機構、滾珠絲杠部件等部分組成。滾珠絲桿由兩個相對獨立的伺服電機驅動轉動，同時兩個電機驅動運動滑臺左右移動，工作臺在運動滑臺與本身電機的復合運動下，進行曲線運動，完成對工件的加工。

機床在實現同步控制過程中，控制的方式有兩種：

一是同等方式。這里所說的同等方式是指采用結構完全相同的兩套驅動軸同時運行，同時以一個理想的輸入信號為目標，進行跟蹤輸出，從而實現位置或速度同步的控制方法。由于兩驅動軸間相互獨立，沒有相互作用，當某一軸受到干擾而運動時，將會產生無法消除的同步偏差，極大地降低了整個系統的控制精度，難以滿足高精度數控機床中的雙軸同步控制的精度要求。

二是交叉耦合方式。交叉耦合控制是在同等控制的基礎上，比較兩組輸出結果，同時把產生的偏差信號亦作為一個附加的信號進行信號反饋，實現調節和補償軸間位置偏差以及控制交叉耦合的方式，從而達到同步控制的良好效果。這種控制方式具有響應的時速快的特點，也具有很準確地反映出每個負載的時時變化情況的優點。

2? 雙軸同步系統運動特性分析

兩個同步電機驅動滑臺能夠在水平方向沿X軸進行運動，工作臺可以在垂直方向沿Y軸進行運動，整個控制系統是一個在X軸和Y 軸方向進行運動的組合體。

3? 以神經元PID為基本理念的同步控制方式的研究

神經元控制是基于對人體大腦功能的實際模擬而有創新性提出來的一種控制方式，它一種從多輸入到單輸出，具有一定的對應關系，能表達出任意形式的非線性函數，能實現自我學習效能，它是智能控制的一個全新理念和重要分支。

把神經元與傳統PID控制相互結合，利用神經元自我學習的功能，使其連接權重與PID控制參數相融合，通過與其對應的學習規則，及時對PID參數進行在線整合。神經元PID控制方法不僅保持了傳統PID操作簡便、功能易實現的特點，還能適應外部環境的不同變化，更具有較強的預見性和智能性。在業內有一定的推廣性。

4? 實驗結果的驗證

實驗中，我們將數控加工機床的兩根驅動軸的位置偏差、轉速偏差以及伺服電動機輸入電流的偏差作為實際信號，在得到反饋后，經轉換后作為神經元PID控制器的輸入，同時連接權重采用有監督Delta學習規則進行調整;再采用加速度為梯形的S形速度指令作為電機輸入，在Matlab軟件中進行仿真驗證，驗證過程中取驅動軸位置偏差和伺服電機反饋電流作為研究對象，并把神經元PID控制策略與傳統PID相對比。

從仿真結果顯示，與傳統PID控制相比較，神經元PID控制策略非常有效地縮小了兩驅動軸間的同步誤差，提高數控機床的加工精度，所用控制方法具有實效性。

5? 結語

數控加工機床在設計、制造過程中，由于各種因素影響總會存在誤差，雙軸同步驅動在機械方面上也存在強耦合性，尤其是在機械加工運行中存在負載的不確定性和不平衡性等誤差，導致雙軸驅動系統的同步控制精度下降，造成被加工工件尺寸精度和形狀精度降低，甚至出現機床被損壞的不良后果。基于此，該文把神經網絡控制與PID控制相結合，提出了神經元PID控制策略，同時運用交叉耦合方法對兩根驅動軸的位置誤差和電機電流進行研究，研究結果表明所用方法能有效解決數控機床雙軸同步控制系統中存在的問題，達到設計預期。

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