数控机床的数字化全闭环控制
周 凯
(清华大学精仪系)
摘要 针对发展国产高精度数控机床的需求, 提出一种数字化全闭环控制方法, 开发出新型数字化全闭环位置控制系统, 实现了以数字驱动、数字检测和数字位控为特征的全数字化刀具轨迹控制, 有效保证了数控机床的加工精度。该系统已在多种国产数控机床上进行了应用, 在复杂精密零件加工方面取得良好效果。
关键词 数控机床 高精度 数字化 全闭环控制
Abstract Acco rding to the request by developing high accuracy NC machin e tools, a digitized clos ed loop control meth od is pres en ted and a new kind of position control s ys tem with fully digitized closed loop based on that meth od is developed . In this way , th e fully digitized control of cutter trajectory is implemented w ith th e featu res of digitized driving , digitiz ed m easuring and digitized position control, so that th e machining accu racy of th e NC machine tools is effectively ass ured. Th is sys tem h as b een us ed on v arieties of NC machine tools and very g ood results have been obtained in th e machining of complex precision parts.
K ey words NC machine tool High accuracy Digitaliz ation Clos ed loop control
高精度位置控制是开发高精度数控机床的关键技术。近年来, 我们针对发展国产高精度数控机床的需求, 对数字化全闭环高精度位置控制技术进行了研究, 以此为基础开发出新型数字化全闭环位置控制系统, 并在多种国产数控机床上进行了应用, 在复杂精密零件加工方面取得了良好效果。下面对这种新型系统的基本组成、动态结构、控制器设计、应用情况等作进一步介绍。
传动, 电机的角位移被转换为所需的工作台直线位移
。
图1 常规数字式位置控制系统的基本组成
一、常规数字式位置控制
系统存在的问题
目前, 数字式交流伺服系统在数控机床中正得到越来越广泛的应用。由其构成的位置控制系统的基本组成如图1所示。图中, 数字式伺服驱动模块与伺服电机等共同组成一高精度角度闭环随动系统, 其输入为数控系统给出的指令脉冲, 输出为电机转角。在以光码盘等为反馈环节所实现的闭环控制下, 电机轴的转角将严格跟随指令值变化。通过齿轮副和丝杠螺母副
由图可见, 虽然以转角为输出的数字式伺服系统本身是一闭环系统, 但从以机床工作台位移为最终被控量的角度看, 由其构成的位置
控制系统却是一开环系统(或称半闭环系统) 。因此, 其位置控制精度不但与控制系统的性能有关, 而且还在很大程度上取决于机床的机械结构。这样, 系统中信息传递环节的误差、机械传动环节的误差以及各种非线性因素的影响, 都会使工作台位移偏离指令值, 而开环系统又无法对其进行有效校正, 因而使得常规数控机床即使使用了高性能的数字式伺服系统也难以达到高的加工精度。
收稿日期:1998-03-07
二、数字式全闭环位置控制系统的组成
为解决上述问题, 本文提出一种数字化全闭环位置控制方法, 其基本思想是:在对机床运动部件进行数字式驱动的基础上, 引入直接检测运动部件最终位移的数字式测量环节, 以充分获取和利用系统信息, 从反馈控制的角度对机床各坐标的运动进行数字化控制, 由此构成包含各种误差源和非线性环节的数字化全闭环系统。这样, 该系统不但可使运动部件的定位精度由检测环节的测量精度决定, 而且可对各种干扰和非线性因素对运动部件位移产生的影响进行有效的动态校正, 使任何时刻运动部件的实际位移总是严格跟随指令值变化, 从而保证机床各坐标的运动具有很高的动、稳态精度。
根据上述思路构成的数字化全闭环位置控制系统的基本组成如图2所示。该系统采用光栅作为线位移检测装置直接获取机床工作台的位移信息, 此信息经过前置处理后得到相位差
90度的两路位移脉冲信号, 其频率与工作台位移速度成正比, 其数量为工作台实际位移量除以脉冲当量。位移脉冲被送入可逆计数器进行计数, 该计数器中的计数值即表示了工作台的当前实际位置。系统中位置控制器的作用是, 根据位置给定值与位置反馈值之差, 按预先设计的数字化控制规律控制整个系统的运行, 以保证工作台位移严格跟随指令值变化。
三、系统的动态结构与控制器设计
图2系统的动态结构如图3所示, 包括数字位置控制器、广义对象和反馈通道3部分。
广义对象由零阶保持器、脉冲发生器、数字式交流伺服系统、机械运动部件等组成。其中, 零阶保持器起着联接离散环节(数字控制器) 与连续环节的桥梁作用。脉冲发生器的任务是根据位置控制器给出的控制信号产生控制交流伺服系统运行的指令脉冲, 因此该环节为一比例环节。交流伺服系统是系统中的数字式驱动装置, 从宏观上看, 伺服电机的转角θ
与指令脉冲
图2
数字化全闭环位置控制系统的组成
图3 数字化全闭环位置控制系统的动态结构图
4期
频率F 之间成积分关系, 但从微观上应进一步考虑θ与F 间的惯性特性。机械运动部件的作用是将电机转角转换为工作台直线位移, 如果将传动误差和非线性因素的影响作为对系统的动态扰动来处理, 也可将该环节看作为一比例环节。这样, 经过适当处理, 可将广义对象的传递函数表示为
G d (s ) =
q θm s [(T /2)s +1](T θs +1)
(1)
为
k
u k =K p e k +s K i ∑e j +K d (e k -e k -1)
j =1
(3)
式中 K i ——积分系数, K i =K p
T i d
K d ——
微分系数, K d =K p T
s ——控制积分作用的开关变量, 其取值
1, e k
反馈通道虽然包括检测装置、前置处理、信息传递、可逆计数等诸多环节, 涉及较复杂的信息处理过程。但从以工作台实际位置为输入, 位置反馈值(可逆计数器中的计数值乘以脉冲当量) 为输出的角度看, 可将反馈通道看作为一比例环节, 经过适当设计可使其传递函数
。G f (s )=1
考虑到广义对象为包含一积分环节的3阶
系统, 为使由其构成的闭环系统具有较快的动态性能并且跟踪斜坡输入无稳态误差, 采用PID 调节器作为位置控制器, 其实现算法为u k =K p e k +
k k -1e i T +T d ∑T T i i =1
(2)
式中 u k ——第k 采样周期控制器的输出
e k ——第k 采样周期系统输出与输入间
的跟随误差K p ——比例系数T i ——积分时间常数T d ——微分时间常数
采用PID 控制后系统变为Ⅱ型系统, 实际调试时发现, 系统动态过程的超调往往很大, 有时甚至不能正常工作。为解决此问题, 对(2) 式中的积分作用进行分离控制。即当系统处于过渡过程, 跟踪误差较大时, 取消积分控制, 使系统为Ⅰ型系统, 以保证稳定工作。当系统进入稳态跟踪过程时, 加入积分控制使系统变为Ⅱ型系统, 以保证跟踪斜坡输入的稳态误差为零。由此得到的控制算法为k
s =(4)
式中 Δ——稳态跟踪区间
为进一步改善控制性能, 可利用计算机实现数字算法的灵活性, 在(3) 式基础上进行变参数控制, 即根据系统运行的不同阶段, 对算法中的参数K p 、K i 、K d 分别取不同的值, 以获得更优的控制效果。
四、实验与应用
系统样机完成后, 在一台SK 8140数控铣床上进行了运动实验。该机床X 、Y 、Z 工作台均由数字式交流伺服系统驱动, 并装有分辨率为0. 005m m 的光栅尺作为位移检测装置。实验时以50mm 为间距在各工作台行程全长上确定一定数量的测试点, 然后让工作台在本系统的驱动控制下在这些点上进行定位, 每一点定位6次, 每定位一次进行一次测量。测试结果为:每点上的所有测量值与指令值之差均不超过0. 01mm 。这表明数字化全闭环位置控制系统具有良好的位置控制精度。
到目前为止, 所开发的数字化全闭环位置控制系统已在数十台国产数控机床上进行了应用。由此构成的新型全闭环数控机床的加工精度明显提高, 并且精度保持性很好, 在复杂模具零件和精密孔系零件加工方面均取得了良好效果。
五、结 论
针对发展国产高精度数控机床的需求, 对新型数字化全闭环位置控制系统进行了研究,
(下转第54页)
符合该机额定值, 读数头调整完毕, 此时机器则可正常工作。若以上几方面均没有问题, 则故障极有可能出在现控制柜中, 由于控制系统构造较复杂, 最好由生产厂专业修理人员来维修。另外, 在机器起动后机器找不到坐标零点, 则可能是控制机器的计算机软件出现问题, 需要重新往计算机中装入备份软件, 再次起动, 故障即可解决。
一般而言, 三坐标测量机出现大的故障的概率是非常小的, 其故障都是由一些小的因素所造成, 只要平时细心观察及研究, 排除故障的可能性还是比较大的。以上所谈的是我们在实际使用中遇到的一些问题, 由于及时解决, 既保证了科研教学的正常进行, 又节约了一笔可观的维修费用。
(上接第3页)
敏捷制造(AM ) 是1988年首次提出的, 1992年美国政府将其作为“21世纪制造企业的战略”。敏捷制造通过虚拟公司予以实现。敏捷制造将成为21世纪制造企业的主导模式。
上述种种先进制造生产模式的进展, 其特点主要是体现了以下5个转变:
(1) 从以技术为中心向以人为中心转变;
(2) 从金字塔式的多层次生产结构向扁平的网络结构转变;
(3) 从传统的顺序工作方式向并行工作方式转变;
(4) 从按功能划分部门的固定组织形式向动态的、自主管理的小组工作组织形式转变; (5) 从质量第一的竞争策略向快速响应市场的竞争策略转变。
参
考
文
献
(上接第40页) 主要结果如下:
(1) 对机床运动部件进行数字化驱动, 不仅可有效消除温漂、零漂等的影响, 而且可使被控对象具有较理想的动态结构, 使由此构成的数字化全闭环系统的动态性能有了基本保证。
(2) 对运动部件的最终位移进行数字化检测, 可实时获取运动部件精确位置信息, 为通过全闭环控制有效抑制机械传动误差和非线性因素对机床坐标运动的精度的影响奠定了基础。
(3) 利用计算机构成数字位置控制器, 可用软件实现带逻辑切换的复杂控制规律, 使全闭环位置控制系统具有优良的动、稳态性能, 从而有效提高了数控机床的轮廓加工精度。
(4) 实际应用证明, 由数字化全闭环位置控制系统控制的数控机床在复杂精密零件加工方面具有良好效果。
参
考
文
献
1 宋天虎, 李敏贤. 先进制造技术的发展与焊接技术的未来(第八届全国焊接会议论文集). 北京:机械工业出版社, 1997.
2 陈贤杰, 李敏贤. 先进制造技术的发展与对策(先进制造技术学术会议论文集). 北京:机械工业出版社, 1996.
3 国家自然科学基金委员会. 机械工程科学技术前沿. 北京:机械工业出版社, 1995.
4 国家自然科学基金委员会. 先进制造技术基础优先领域战略研究报告(评审稿) . 1997.
1 蒋嗣荣, 洪振华等. 计算机控制技术. 陕西:西北电讯工程学院出版社, 1985.
2 周 凯, 陆启建. 一种新型计算机数控系统. 制造技术与机床, 1997, (8):12～15
数控机床的数字化全闭环控制
周 凯
(清华大学精仪系)
摘要 针对发展国产高精度数控机床的需求, 提出一种数字化全闭环控制方法, 开发出新型数字化全闭环位置控制系统, 实现了以数字驱动、数字检测和数字位控为特征的全数字化刀具轨迹控制, 有效保证了数控机床的加工精度。该系统已在多种国产数控机床上进行了应用, 在复杂精密零件加工方面取得良好效果。
关键词 数控机床 高精度 数字化 全闭环控制
Abstract Acco rding to the request by developing high accuracy NC machin e tools, a digitized clos ed loop control meth od is pres en ted and a new kind of position control s ys tem with fully digitized closed loop based on that meth od is developed . In this way , th e fully digitized control of cutter trajectory is implemented w ith th e featu res of digitized driving , digitiz ed m easuring and digitized position control, so that th e machining accu racy of th e NC machine tools is effectively ass ured. Th is sys tem h as b een us ed on v arieties of NC machine tools and very g ood results have been obtained in th e machining of complex precision parts.
K ey words NC machine tool High accuracy Digitaliz ation Clos ed loop control
高精度位置控制是开发高精度数控机床的关键技术。近年来, 我们针对发展国产高精度数控机床的需求, 对数字化全闭环高精度位置控制技术进行了研究, 以此为基础开发出新型数字化全闭环位置控制系统, 并在多种国产数控机床上进行了应用, 在复杂精密零件加工方面取得了良好效果。下面对这种新型系统的基本组成、动态结构、控制器设计、应用情况等作进一步介绍。
传动, 电机的角位移被转换为所需的工作台直线位移
。
图1 常规数字式位置控制系统的基本组成
一、常规数字式位置控制
系统存在的问题
目前, 数字式交流伺服系统在数控机床中正得到越来越广泛的应用。由其构成的位置控制系统的基本组成如图1所示。图中, 数字式伺服驱动模块与伺服电机等共同组成一高精度角度闭环随动系统, 其输入为数控系统给出的指令脉冲, 输出为电机转角。在以光码盘等为反馈环节所实现的闭环控制下, 电机轴的转角将严格跟随指令值变化。通过齿轮副和丝杠螺母副
由图可见, 虽然以转角为输出的数字式伺服系统本身是一闭环系统, 但从以机床工作台位移为最终被控量的角度看, 由其构成的位置
控制系统却是一开环系统(或称半闭环系统) 。因此, 其位置控制精度不但与控制系统的性能有关, 而且还在很大程度上取决于机床的机械结构。这样, 系统中信息传递环节的误差、机械传动环节的误差以及各种非线性因素的影响, 都会使工作台位移偏离指令值, 而开环系统又无法对其进行有效校正, 因而使得常规数控机床即使使用了高性能的数字式伺服系统也难以达到高的加工精度。
收稿日期:1998-03-07
二、数字式全闭环位置控制系统的组成
为解决上述问题, 本文提出一种数字化全闭环位置控制方法, 其基本思想是:在对机床运动部件进行数字式驱动的基础上, 引入直接检测运动部件最终位移的数字式测量环节, 以充分获取和利用系统信息, 从反馈控制的角度对机床各坐标的运动进行数字化控制, 由此构成包含各种误差源和非线性环节的数字化全闭环系统。这样, 该系统不但可使运动部件的定位精度由检测环节的测量精度决定, 而且可对各种干扰和非线性因素对运动部件位移产生的影响进行有效的动态校正, 使任何时刻运动部件的实际位移总是严格跟随指令值变化, 从而保证机床各坐标的运动具有很高的动、稳态精度。
根据上述思路构成的数字化全闭环位置控制系统的基本组成如图2所示。该系统采用光栅作为线位移检测装置直接获取机床工作台的位移信息, 此信息经过前置处理后得到相位差
90度的两路位移脉冲信号, 其频率与工作台位移速度成正比, 其数量为工作台实际位移量除以脉冲当量。位移脉冲被送入可逆计数器进行计数, 该计数器中的计数值即表示了工作台的当前实际位置。系统中位置控制器的作用是, 根据位置给定值与位置反馈值之差, 按预先设计的数字化控制规律控制整个系统的运行, 以保证工作台位移严格跟随指令值变化。
三、系统的动态结构与控制器设计
图2系统的动态结构如图3所示, 包括数字位置控制器、广义对象和反馈通道3部分。
广义对象由零阶保持器、脉冲发生器、数字式交流伺服系统、机械运动部件等组成。其中, 零阶保持器起着联接离散环节(数字控制器) 与连续环节的桥梁作用。脉冲发生器的任务是根据位置控制器给出的控制信号产生控制交流伺服系统运行的指令脉冲, 因此该环节为一比例环节。交流伺服系统是系统中的数字式驱动装置, 从宏观上看, 伺服电机的转角θ
与指令脉冲
图2
数字化全闭环位置控制系统的组成
图3 数字化全闭环位置控制系统的动态结构图
4期
频率F 之间成积分关系, 但从微观上应进一步考虑θ与F 间的惯性特性。机械运动部件的作用是将电机转角转换为工作台直线位移, 如果将传动误差和非线性因素的影响作为对系统的动态扰动来处理, 也可将该环节看作为一比例环节。这样, 经过适当处理, 可将广义对象的传递函数表示为
G d (s ) =
q θm s [(T /2)s +1](T θs +1)
(1)
为
k
u k =K p e k +s K i ∑e j +K d (e k -e k -1)
j =1
(3)
式中 K i ——积分系数, K i =K p
T i d
K d ——
微分系数, K d =K p T
s ——控制积分作用的开关变量, 其取值
1, e k
反馈通道虽然包括检测装置、前置处理、信息传递、可逆计数等诸多环节, 涉及较复杂的信息处理过程。但从以工作台实际位置为输入, 位置反馈值(可逆计数器中的计数值乘以脉冲当量) 为输出的角度看, 可将反馈通道看作为一比例环节, 经过适当设计可使其传递函数
。G f (s )=1
考虑到广义对象为包含一积分环节的3阶
系统, 为使由其构成的闭环系统具有较快的动态性能并且跟踪斜坡输入无稳态误差, 采用PID 调节器作为位置控制器, 其实现算法为u k =K p e k +
k k -1e i T +T d ∑T T i i =1
(2)
式中 u k ——第k 采样周期控制器的输出
e k ——第k 采样周期系统输出与输入间
的跟随误差K p ——比例系数T i ——积分时间常数T d ——微分时间常数
采用PID 控制后系统变为Ⅱ型系统, 实际调试时发现, 系统动态过程的超调往往很大, 有时甚至不能正常工作。为解决此问题, 对(2) 式中的积分作用进行分离控制。即当系统处于过渡过程, 跟踪误差较大时, 取消积分控制, 使系统为Ⅰ型系统, 以保证稳定工作。当系统进入稳态跟踪过程时, 加入积分控制使系统变为Ⅱ型系统, 以保证跟踪斜坡输入的稳态误差为零。由此得到的控制算法为k
s =(4)
式中 Δ——稳态跟踪区间
为进一步改善控制性能, 可利用计算机实现数字算法的灵活性, 在(3) 式基础上进行变参数控制, 即根据系统运行的不同阶段, 对算法中的参数K p 、K i 、K d 分别取不同的值, 以获得更优的控制效果。
四、实验与应用
系统样机完成后, 在一台SK 8140数控铣床上进行了运动实验。该机床X 、Y 、Z 工作台均由数字式交流伺服系统驱动, 并装有分辨率为0. 005m m 的光栅尺作为位移检测装置。实验时以50mm 为间距在各工作台行程全长上确定一定数量的测试点, 然后让工作台在本系统的驱动控制下在这些点上进行定位, 每一点定位6次, 每定位一次进行一次测量。测试结果为:每点上的所有测量值与指令值之差均不超过0. 01mm 。这表明数字化全闭环位置控制系统具有良好的位置控制精度。
到目前为止, 所开发的数字化全闭环位置控制系统已在数十台国产数控机床上进行了应用。由此构成的新型全闭环数控机床的加工精度明显提高, 并且精度保持性很好, 在复杂模具零件和精密孔系零件加工方面均取得了良好效果。
五、结 论
针对发展国产高精度数控机床的需求, 对新型数字化全闭环位置控制系统进行了研究,
(下转第54页)
符合该机额定值, 读数头调整完毕, 此时机器则可正常工作。若以上几方面均没有问题, 则故障极有可能出在现控制柜中, 由于控制系统构造较复杂, 最好由生产厂专业修理人员来维修。另外, 在机器起动后机器找不到坐标零点, 则可能是控制机器的计算机软件出现问题, 需要重新往计算机中装入备份软件, 再次起动, 故障即可解决。
一般而言, 三坐标测量机出现大的故障的概率是非常小的, 其故障都是由一些小的因素所造成, 只要平时细心观察及研究, 排除故障的可能性还是比较大的。以上所谈的是我们在实际使用中遇到的一些问题, 由于及时解决, 既保证了科研教学的正常进行, 又节约了一笔可观的维修费用。
(上接第3页)
敏捷制造(AM ) 是1988年首次提出的, 1992年美国政府将其作为“21世纪制造企业的战略”。敏捷制造通过虚拟公司予以实现。敏捷制造将成为21世纪制造企业的主导模式。
上述种种先进制造生产模式的进展, 其特点主要是体现了以下5个转变:
(1) 从以技术为中心向以人为中心转变;
(2) 从金字塔式的多层次生产结构向扁平的网络结构转变;
(3) 从传统的顺序工作方式向并行工作方式转变;
(4) 从按功能划分部门的固定组织形式向动态的、自主管理的小组工作组织形式转变; (5) 从质量第一的竞争策略向快速响应市场的竞争策略转变。
参
考
文
献
(上接第40页) 主要结果如下:
(1) 对机床运动部件进行数字化驱动, 不仅可有效消除温漂、零漂等的影响, 而且可使被控对象具有较理想的动态结构, 使由此构成的数字化全闭环系统的动态性能有了基本保证。
(2) 对运动部件的最终位移进行数字化检测, 可实时获取运动部件精确位置信息, 为通过全闭环控制有效抑制机械传动误差和非线性因素对机床坐标运动的精度的影响奠定了基础。
(3) 利用计算机构成数字位置控制器, 可用软件实现带逻辑切换的复杂控制规律, 使全闭环位置控制系统具有优良的动、稳态性能, 从而有效提高了数控机床的轮廓加工精度。
(4) 实际应用证明, 由数字化全闭环位置控制系统控制的数控机床在复杂精密零件加工方面具有良好效果。
参
考
文
献
1 宋天虎, 李敏贤. 先进制造技术的发展与焊接技术的未来(第八届全国焊接会议论文集). 北京:机械工业出版社, 1997.
2 陈贤杰, 李敏贤. 先进制造技术的发展与对策(先进制造技术学术会议论文集). 北京:机械工业出版社, 1996.
3 国家自然科学基金委员会. 机械工程科学技术前沿. 北京:机械工业出版社, 1995.
4 国家自然科学基金委员会. 先进制造技术基础优先领域战略研究报告(评审稿) . 1997.
1 蒋嗣荣, 洪振华等. 计算机控制技术. 陕西:西北电讯工程学院出版社, 1985.
2 周 凯, 陆启建. 一种新型计算机数控系统. 制造技术与机床, 1997, (8):12～15