全閉環(huán)控制系統(tǒng)在YHK250搖籃式工作臺中的應用

張大麟 金朝鮮

摘要： YHK250搖籃式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺是高端數(shù)控銑床及加工中心上第4、第5回轉(zhuǎn)軸的關(guān)鍵配套零部件，可以解決零件的復雜曲面加工和多工序加工，提高產(chǎn)品加工質(zhì)量和效率。對于高精度的機床附件來說，精度是機械加工中的重中之重，全閉環(huán)控制系統(tǒng)可以很好的提高工作臺分度的定位精度和重復定位精度。此次研究主要完成了YHK250搖籃式工作臺全閉環(huán)控制系統(tǒng)的設計、安裝和調(diào)試，經(jīng)過反復測試使得控制精度達到了工作臺的設計要求。

Abstract： YHK250 cradle-type CNC rotary table is a key accessory part for the 4th and 5th rotary axis of high-end CNC milling machine and machining center. It can solve the complicated surface processing and multi-process processing of parts， and improve the quality and efficiency of product processing. For high-precision machine tool accessories， accuracy is the most important thing in machining. The full-closed-loop control system can improve the positioning accuracy and repeat positioning accuracy of the worktable indexing. This research mainly completed the design， installation and commissioning of the YHK250 cradle-type workbench full closed-loop control system. After repeated tests， the control accuracy reached the design requirements of the workbench.

關(guān)鍵詞： 全閉環(huán);機床附件;高精度;YHK250

Key words： fully closed loop;machine tool accessories;high precision;YHK250

中圖分類號：TG547? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）17-0094-02

1? 概述

1.1 YHK250搖籃式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺? YHK250搖籃式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺則采用了交流伺服電機驅(qū)動，雙導程精密蝸輪、蝸桿副傳動，電磁盤剎車夾緊，磁環(huán)檢測反饋，可實現(xiàn)全閉環(huán)控制，從而提高轉(zhuǎn)臺分度的定位精度和重復定位精度。與同類型產(chǎn)品相比，該工作臺具有分度精度高，可控性好，電磁剎車夾緊可靠，安裝方便等優(yōu)點，改進了液壓（或氣動）剎車夾緊方式的不方便和不穩(wěn)定性。該項目產(chǎn)品主要應用于高端五軸聯(lián)動數(shù)控加工設備之上，性價比高、高效節(jié)能，在制造行業(yè)使用價值較高，市場前景很好，競爭潛力很大。

1.2 應用全閉環(huán)控制系統(tǒng)的意義和目的? 機床的加工精度是數(shù)控機床生產(chǎn)中最為重要的指標，也是機床附件生產(chǎn)中所必須重視和保證的要素之一，現(xiàn)在的高端機床一般都采用64位高速度、高性能的CPU來提高基本運算能力，由于高位處理器有更高的數(shù)據(jù)吞吐能力，因而大大減小了控制的采樣周期，可是控制環(huán)路得到較高的增益，提升系統(tǒng)在高速進給下的插補誤差，從而有效保證了加工精度。YHK250搖籃式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺緊湊的結(jié)構(gòu)設計良好的保證了工作臺的剛度，為全閉環(huán)控制系統(tǒng)的精確控制提供了良好的必要條件。全閉環(huán)控制系統(tǒng)則為YHK250搖籃式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺提供了更精確的控制，使工作臺的分度定位精度和重復定位精度達到設計要求。

2? 半閉環(huán)控制系統(tǒng)

2.1 半閉環(huán)控制系統(tǒng)原理? 半閉環(huán)控制系統(tǒng)是在開環(huán)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了一個輸出量的反饋，通過比較系統(tǒng)計算控制行為（輸出量）與期望（給定值）的偏差，并消除偏差來達到控制系統(tǒng)的期望值（給定值）。對于數(shù)控系統(tǒng)的半閉環(huán)控制系統(tǒng)來說，一般是在伺服電機端增加速度與位置量的檢測反饋，此反饋與數(shù)控系統(tǒng)中的給定值比較，得到差值、消除差值的控制系統(tǒng)。

2.2 半閉環(huán)控制系統(tǒng)的應用? 由于半閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋如上所述是在伺服電機端增加的反饋量，所以如果半閉環(huán)控制系統(tǒng)應用在YHK250搖籃式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺中，搖擺渦輪和回轉(zhuǎn)渦輪的傳動誤差仍會影響工作臺的分度精度。由于半閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，目前應用比較廣泛。半閉環(huán)控制方式所能達到的精度、速度等性能優(yōu)于開環(huán)控制，一般用于中小型機床或者加工精度不高的機床。

2.3 半閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

若半閉環(huán)控制系統(tǒng)應用在YHK250搖籃式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺中，則伺服電機端的速度反饋和位置反饋都由編碼器來實現(xiàn)，這種控制方式不能消除或減小機械傳動系統(tǒng)中所帶來的誤差，隨著當今社會的發(fā)展，機床的加工精度要求越來越高，半閉環(huán)控制系統(tǒng)已經(jīng)滿足不了現(xiàn)在的需求。圖1為半閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

3? 全閉環(huán)控制系統(tǒng)及其在YHK250搖籃式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺中的應用

3.1 YHK250搖籃式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)

如圖2所示為YHK250搖籃式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)，其回轉(zhuǎn)臺采用角接觸軸承和推力軸承相結(jié)合的安裝方式，對軸承預緊，可保證足夠的承載和對中心軸線的同軸度。搖擺軸采用角接觸軸承對稱布局，左右兩側(cè)預緊，底座設計為整體鑄件，穩(wěn)定性好，可保證足夠的承載和對中心軸線的同軸度。傳動系統(tǒng)上，該工作臺采用高精度雙導程蝸輪蝸桿副傳動，可沿蝸桿軸向調(diào)整傳動間隙，消除傳動誤差，從機械上提高了傳動精度，保證了工作臺的剛性。

3.2 全閉環(huán)控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.2.1 位置檢測的全閉環(huán)控制? 由于半閉環(huán)控制系統(tǒng)已不能滿足現(xiàn)代高精度機床的需求，為了獲得更高的控制精度，在YHK250搖籃式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的回轉(zhuǎn)軸和搖擺軸增加高精度的檢測裝置如磁環(huán)式傳感器來實現(xiàn)全閉環(huán)控制。YHK250搖籃式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺磁環(huán)測量位置反饋全閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。圖3中：伺服驅(qū)動器與伺服電機通過編碼器的速度反饋來實現(xiàn)閉環(huán)控制，通過數(shù)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)工作臺轉(zhuǎn)速。磁環(huán)作為位移量反饋的檢測原件，用來測量工作臺回轉(zhuǎn)軸和搖擺軸的轉(zhuǎn)動角度，同時將其轉(zhuǎn)換成數(shù)控系統(tǒng)可分析的正弦波信號。其測量輸出的正弦波信號，具有檢測范圍寬，精度高，穩(wěn)定可靠，使用壽命高的特點。而且正弦波信號控制方式使工作臺運行更平穩(wěn)，輸出效率更好，實時反饋各軸旋轉(zhuǎn)誤差，使數(shù)控系統(tǒng)對工作臺進行誤差跟蹤補償，從而保證工作臺回轉(zhuǎn)軸和搖擺軸具有很好的動態(tài)響應和定位精度。全閉環(huán)控制系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)控制的精度和效率，直接安裝在回轉(zhuǎn)軸和搖擺軸的磁環(huán)檢測工作臺位置變化形成反饋，使數(shù)控系統(tǒng)得到工作臺的位置反饋從而進行修正;伺服電機上的編碼器只檢測工作臺速度，反饋到數(shù)控系統(tǒng)后做速度修正。這樣的控制系統(tǒng)就可以消除機械傳動鏈路中的各種誤差，達到工作臺所設計的精度要求。

3.2.2 位置檢測與測量? 磁環(huán)是磁性旋轉(zhuǎn)編碼器的簡稱，磁性旋轉(zhuǎn)編碼器有三個主要組件：磁盤，傳感器和調(diào)節(jié)電路。磁盤已磁化，其圓周上有許多磁極。由于位移量是矢量，傳感器檢測磁盤旋轉(zhuǎn)時磁場的變化，并將此信息轉(zhuǎn)換為正弦波;傳感器可以是感應電壓變化的霍爾效應器件，也可以是感應磁場變化的磁阻器件，通過傳感器傳遞出來的正弦波信號的幅值大小可以反推出磁環(huán)旋轉(zhuǎn)的角度進而得到工作臺的位移量，正弦波信號的相位差可以判斷出工作臺的旋轉(zhuǎn)方向，調(diào)節(jié)電路對信號進行倍增，分頻或內(nèi)插以產(chǎn)生所需的輸出，從而完成工作臺位置的測量。磁性編碼器的最大優(yōu)勢是其堅固性，磁性編碼器對灰塵，污垢，液體和油脂等污染物以及震動和振動不敏感。與光學編碼器類似，磁性編碼器確實需要在磁盤和傳感器之間留有氣隙，但是，磁性編碼器中的氣隙不需要像光學編碼器那樣清潔和透明。只要在磁盤和傳感器之間不存在任何含鐵材料，就會檢測到電磁脈沖。同時，磁性編碼器還有結(jié)構(gòu)簡單緊湊，易于小型化，安裝調(diào)試簡單，轉(zhuǎn)速高，響應速度快等優(yōu)點，現(xiàn)已大量應用于我過高端機床的檢測環(huán)節(jié)中。

3.2.3 數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)設置? 要想實現(xiàn)高精度加工，必須對數(shù)控系統(tǒng)機床運行參數(shù)進行必要的設置，才能發(fā)揮出全閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制性能：如基本參數(shù)，軸控制/設定相關(guān)參數(shù)，進給速度相關(guān)參數(shù)，伺服控制相關(guān)參數(shù)，硬件相關(guān)參數(shù)，螺補/間補相關(guān)參數(shù)，螺距誤差補償相關(guān)參數(shù)等各種參數(shù)。工作臺各種間隙、誤差的測量是通過激光干涉儀精密測量得到的，將數(shù)據(jù)輸入數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)就可以根據(jù)全閉環(huán)控制系統(tǒng)實時追蹤補償誤差，使工作臺達到設計要求精度，不同的數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)略有區(qū)別，以實際使用的數(shù)控系統(tǒng)為準。

4? 總結(jié)

本文研究了全閉環(huán)控制系統(tǒng)在YHK250搖籃式工作臺中的應用，從實際效果可以看出，工作臺的位置反饋由直接安裝在回轉(zhuǎn)軸和搖擺軸上的磁環(huán)來完成，中間沒有多余的機械傳動部件，可以使數(shù)控系統(tǒng)可以很好的消除回轉(zhuǎn)渦輪、搖擺渦輪的傳動誤差。只需要合理選擇磁環(huán)，保證磁盤與傳感器之間間隙中沒有磁性物質(zhì)，就可以保證反饋信號的準確，達到設計的分度精度，從而滿足工作臺設計要求。其應用對機床附件的設計與開發(fā)提供了很好的實際應用案例，對設計者設計開發(fā)起到了一定的積極推動作用。

參考文獻：

[1]王文杰，宋揚.X-Y工作臺的半閉環(huán)控制系統(tǒng)設計[J].機械工程與自動化，2007（06）：159-161.

[2]機械設計手冊第三版[M].北京：化學工業(yè)出版社，1998.

[3]楊林建.機床電器控制技術(shù)[M].北京：北京理工大學出版社，2008.

[4]陳復揚.自動控制原理（中文版）[M].國防工業(yè)出版社，2010.