數控銑邊機全閉環控制及振蕩排除

孫潤喜

數控銑邊機全閉環控制及振蕩排除

孫潤喜

（陜西榮成智控機電科技有限公司，陜西 西安 710043）

介紹了數控機床、數控系統的構成和功能配置，對開環控制系統、半閉環控制系統、全閉環控制系統作了簡述，闡述了將普通龍門刨床改造為全閉環數控龍門銑邊機的電氣控制原理，分析了在全閉環控制中引起系統振蕩的問題和排除方法等。

數控技術；數控系統；數控機床；開環控制

1 數控機床數控系統的構成和功能配置

數控技術是采用數字代碼形式的信息，按給定的工作程序、運動速度和軌跡，對被控對象進行自動操作的一種技術。如果一種設備的控制過程是以數字形式來描繪的，其工作過程是可編程序的，并能在程序控制下自動地進行，那么這種設備就稱為數控設備。采用數控技術的控制系統為數控系統，數控系統構成的設備為數控設備。數控機床是采用數控系統構成的一種典型的數控設備。

數控機床通常由控制系統、伺服系統、檢測系統、機械傳動系統及其他輔助系統組成。控制系統用于數控機床的運算、管理和控制，通過輸入介質得到數據，對這些數據進行解釋和運算并對機床產生作用；伺服驅動系統包括主軸驅動及進給驅動，伺服系統根據控制系統的指令驅動機床，使刀具和零件執行數控代碼規定的運動；伺服系統的作用是把來自數控裝置的脈沖信號，轉換成機床移動部件的運動。

檢測系統用來檢測機床執行件（工作臺、轉臺、滑板等）的位移和速度變化量，并將檢測結果反饋到輸入端，與輸入指令進行比較，根據其差別調整機床運動；機床傳動系統是由進給伺服驅動元件至機床執行件之間的機械進給傳動裝置；輔助系統種類繁多，如固定循環（能進行各種多次重復加工）、自動換刀（可交換指定刀具）、傳動間隙補償（機械傳動系統產生的間隙誤差）等等。

2 數控系統的開環、半閉環及全閉環控制簡述

數控系統按伺服系統工作原理可分為開環控制系統、半閉環控制系統和全閉環控制系統等。

開環控制系統：采用步進電機作為驅動部件，沒有位置和速度反饋器件，所以控制簡單、價格低廉，但它們的負載能力小、位置控制精度較差、進給速度較低，主要用于經濟型數控裝置。

半閉環和閉環位置控制系統：采用直流或交流伺服電機作為驅動部件，可以采用內裝於電機內的脈沖編碼器，旋轉變壓器作為位置/速度檢測器件來構成半閉環位置控制系統，也可以采用直接安裝在工作臺的光柵或感應同步器作為位置檢測器件，來構成高精度的全閉環位置控制系統。

由于螺距誤差的存在，使得從半閉環系統位置檢測器反饋的絲杠旋轉角度變化量，還不能精確地反映進給軸的直線運動位置。但是，經過數控系統對螺距誤差的補償后，它們也能達到相當高的位置控制精度。與全閉環系統相比，它們的價格較低，安裝在電機內部的位置反饋器件的密封性好，工作更加穩定可靠，幾乎無需維修，所以廣泛地應用于各種類型的數控機床。

隨著現代制造業的迅速發展，數控機床越來越多地被廣泛應用，同時對數控機床定位精度、重復定位精度要求也日益提高，原先精密滾珠絲杠加編碼器式的半閉環控制系統已無法滿足用戶的需求。半閉環控制系統無法控制機床傳動機構所產生的傳動誤差、高速運轉時傳動機構所產生熱變形誤差以及加工過程中剛性傳動系統磨損而產生的誤差，而這些誤差已經嚴重影響到數控機床的加工精度及其穩定性。

線性光柵尺對數控機床各線性坐標軸進行全閉環控制，消除上述誤差，提高機床的定位精度、重復定位精度以及精度可靠性，作為提高數控機床位置精度的關鍵部件日益受到用戶的青睞。

3 數控龍門銑邊機全閉環電氣控制

2008-03—2008-05，成功地將一臺進口報廢的龍門刨床改造成全閉環控制的數控龍門銑邊機床，如圖1所示。龍門銑床包括床身、工作臺、橫梁、立刀架、立柱、龍門頂等。原龍門刨床由于潤滑問題導致床身和工作臺面磨損嚴重，出現了精度降低、生產效率低等問題，電氣部分采用K—F—D（發電機組電動機）調速系統交流電機拖動直流發電機再拖動直流電動機，由交磁放大機控制發電機的勵磁系統，結合機械傳動，達到20∶1的機電聯合調速系統，調速性差。改造成的數控銑邊機是以板類零件的銑邊、倒角、切削為主的數控機床。具有重切削、高速高效銑削加工能力；數控系統安裝在采用懸掛可旋轉結構的操作箱上，可方便用戶在不同位置操作；自動化程度高；采用光柵尺組成全閉環控制系統，提高了機床的定位精度、重復定位精度以及精度可靠性。

圖1 數控龍門銑邊機床

全閉環數控龍門銑邊機電氣系統主要完成人機對話和對三坐標機床坐標的進給、主軸的運轉以及機床的液壓、潤滑、冷卻系統等的控制。該機床的3個坐標采用法格直線光柵尺作為全閉環反饋方式，機床主軸為電主軸，使用超同步公司的交流伺服主軸驅動器控制，針對該機床的結構特點，其電氣控制系統配置了華中數控系統“世紀星HNC-22MD”全數字數控系統，伺服驅動配置相應的18D型數控式伺服驅動系統。

輔助設備的控制：通過外置的三菱PLC（FX1n-40MR）控制液壓系統、潤滑系統、冷卻系統及水冷卻系統的工作，同時與數控系統連鎖。外部輔助設備工作狀態由數控系統輸入接口XS10的第7腳X1.4、第19腳X1.5、第6腳X1.6監測，出現異常故障系統立刻急停報警。除了系統提供的故障信息查詢外，在控制柜上還安裝了更具體的聲光報警指示器，以方便、快捷、準確地判斷處理故障。

系統特點：該銑邊機具有重切削、高速高效銑削加工能力；三軸聯動，可以加工曲線圓弧；通過HSV-18D伺服驅動器上連接的第一碼盤電機編碼器和第二碼盤光柵尺構成雙反饋全閉環控制，有很高的定位精度和重復定位精度；除了標準的系統控制面板外，配置40路開關量輸入和32路開關量輸出接口、手持單元接口、主軸控制與編碼器接口。還可擴展20路輸入/16路輸出；采用10.4′彩色液晶顯示器（分辨率為640×480），全漢字操作界面、故障診斷與報警、加工軌跡圖形顯示和仿真，操作簡便，易于掌握和使用；具有小線段連續加工功能，特別適合于CAD/CAM設計的復雜模具零件加工；加工斷點保存/恢復功能，方便用戶使用；內置RS232通訊接口，輕松實現機床數據通訊；通過USB接口方便將程序輸入到系統中；開通的以太網接口，能夠實現網絡通訊功能；可靠的外圍輔助設備控制報警系統，是本臺銑邊機高速高效切屑的保障。

連接調試：系統與驅動器、驅動器與電機之間的連接線均用電纜連接，電纜兩端是與接口匹配的插頭，電氣連接簡單方便，接線很少。

將數控系統與驅動器之間的、、三軸控制電纜連接好，再將驅動器到對應電機和光柵尺的電纜連接好，主軸驅動器到數控系統和電機的連接電纜也連接好，各種輸入/輸出開關量及信號連接正常，控制電壓接線正確，外圍輔助設備連接完成，檢查線路等沒有問題時可以通電調試。在調試過程中對數控系統的參數進行設置，在全閉環下，3個軸外部脈沖當量分子和分母都設為“1”，其他參數根據各軸要求設置，不必設置的采用系統默認的值。“定位誤差”設置很關鍵，如果該參數過小，系統容易達不到定位誤差而停機；如果過大，則會影響加工精度，因此，要根據機床定位精度及脈沖當量確定，由于該銑邊機軸慣量很大，容易振蕩，“定位誤差”設為“200”；軸、軸慣量很小，“定位誤差”設為“60”。

解決各軸的振蕩爬行問題是本銑邊機的難點，通過修改驅動器參數“位置比例增益”“速度比例增益”“速度積分時間常數”等處理，此三項的默認參數為“4 000”“2 000”“20”。經過反復運行調整，軸此3項參數為“750”“300”“20”時振蕩爬行現象消失，軸此3項參數為“600”“2 000”“40”時振蕩爬行現象消失，軸此3項參數為“1 500”“1 500”“60”時振蕩爬行現象消失。

調試完成后試切削，高速重切削下速度在2 500 mm/min以上沒有出現問題，進行各種圓弧、異型加工，精度很高，用戶反映良好，驗收一致通過。

4 數控系統振蕩問題的分析和排除方法

數控系統的振蕩現象已成為數控全閉環系統的共同性問題，該問題已經成為影響數控設備正常使用的重要因素之一。

4.1 產生振蕩的原因

產生振蕩的原因有很多，除了機械方面存在不可消除的傳動間隙、彈性變形、摩擦阻力等諸多因素外，伺服系統的有關參數的影響也是重要的一方面。引起伺報系統振動的原因大致有4種，即位置環不良引起輸出電壓不穩、速度環不良引起的振動、伺服系統可調定位器過大引起電壓輸出失真、傳動機械裝置（如絲桿）間隙過大。

這些控制環的輸出參數量失真或機械傳動裝置間隙過大都是引起振動的主要因素，它們都可以通過伺服控制系統進行參數優化。

4.2 消除振動的基本方法

有些數控伺服系統采用的是半閉環裝置，而全閉環伺服系統必須是在期局部半閉環系統不發生振動的前提下進行參數調整，所以兩者大同小異，下面討論全閉環情況下的參數優化方法。

4.2.1 降低位置環增益

在伺服系統中有參考的標準值，例如FANUCO-C系列為3 000，西門子3系統為1 666，華中HSV-18D系列的為 4 000，出現振蕩可適當降低增益，但不能降過多，因為要保證系統的穩態誤差。

4.2.2 降低負載慣量比

負載慣量比一般設置在發生振動時所示參數的70%左右，如果不能消除故障，則不宜繼續降低該參數值。

4.2.3 加入比例微積分器（PID）

比例微積分器是一個多功能控制器，它不僅能有效地對電流電壓信號進行比例增益，同時可調節輸出信號滯后或超前的問題，振蕩故障有時因輸出電流電壓發生滯后或超前情況而產生，這時可通過PID來調節輸出電流電壓相位。

4.2.4 采用高頻抑制功能

以上討論的是有關低頻振蕩時參數優化方法，而有時數控系統會因機械上某些振蕩原因使反饋信號中含有高頻諧波，這使輸出轉矩量不恒定，從而產生振動。

對于這種高頻振蕩情況，可在速度環上加入一階低通濾波環節，即為轉矩濾波器。速度指令與速度反饋信號經速度控制器轉化為轉矩信號，轉矩信號通過一階濾波環節將高頻成分截止，從而得到有效的轉矩控制信號。通過調節參數可將機械產生的100 Hz以上的頻率截止，從而達到消除高頻振蕩的效果。

4.2.5 采用雙位置反饋功能

雙反饋是一種改變控制方式的方法，可在同一個系統選擇半閉環或全閉環方式。雙位置反饋功能是一種比較靈活的誤差修正方式，在系統調試過程中有很好的參數優化和保證系統穩定性的功能。

4.2.6 采用機械反饋功能

在保證半閉環穩定性后，使用全閉環系統來調整系統有關參數。如果是因機械環節引起的彈性振蕩故障，需采用機械反饋環節來調整參數，可達到很好的效果。電機與工作臺之間的彈性機械裝置可能產生變形，而位置檢測主要來自位置編碼器，速度反饋直接來自電機編碼器。從整個全閉環過程來看，因機械彈性裝置的形變產生全閉環中位置反饋滯后于其他速度環節，進而引起系統振蕩。

如果加入機械速度反饋環節，使機械速度滯后得到補償，從而達到消除振蕩的效果。

5 總結

以上主要討論了幾種消除數控系統振蕩故障的基本方法，根據不同系統可選擇不同的方式進行參數優化。關鍵是要分析引起振蕩的原因，采取相應的消除方式進行調整，不可以盲目進行參數修改，以免影響到整個系統的穩定性與可靠性。

6 結束語

在整個機床的改造過程中涉及到了許多測試、調試的問題，在硬件設備安裝好后又要進行許多調試工作，才能使所改造的設備處于最佳的工作狀態。對于各種不同的數控系統需要采用不同的診斷方法，根據數控系統的特點制訂有效的故障排除措施，提高生產運行能力，保證加工效率。對于普通機床，特別是大、中型關鍵設備進行數控改造，可有效地提高原機床的加工精度和效率，拓展原機床的功能，延長原機床的生命周期，增強企業在市場的競爭力。

［1］孫志永，趙硯江.數控與電控技術［M］.北京：機械工業出版社，2002.

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10.15913/j.cnki.kjycx.2020.02.018

2095－6835（2020）02－0059－03

孫潤喜（1968—），男，陜西岐山人，大專，工程師，主要從事電子電氣新技術研發設計、工業自動化設計調試及智能化控制系統應用等工作。

〔編輯：張思楠〕