XB4450仿型銑床數(shù)控化伺服改造及精度控制

1、XB4450仿型銑床數(shù)控化伺服改造及精度控制1改造的必要性國內(nèi)某廠為了滿足加工需要、節(jié)省資金、委托我們將該廠閑置的XB4450仿型銃床改造 為四軸三聯(lián)動的數(shù)控銃床以滿足加工曲線、曲面類零件。改造后的數(shù)控銃床具有立式和臥式 雙重功能，能實現(xiàn)四軸三聯(lián)動。改造方案簡單易行、改造性價比較高。同時廠方為了達到更 高精度，要求我們嘗試著使用數(shù)字化全閉環(huán)高精度控制技術(shù)，在改造后的XB4450仿型銃床上 進行應(yīng)用之后，取得了滿意的效果。2數(shù)控化改造方案2.1原機床基本動作XB4450仿型銃床是一種利用靠模近似加工簡單平面曲線的精密銃床，主軸靠一個雙速 電機驅(qū)動，通過機械調(diào)速裝置可實現(xiàn)18種不同的速度變化。主軸

2、進給由一個直流電機驅(qū)動， 可以在一定范圍內(nèi)調(diào)速，機床主軸箱的升降由一個電機驅(qū)動，來控制刀具的上下移動，主軸 箱上有靠模儀座、剎車機構(gòu)、操作面板等。工作臺由一臺直流電機驅(qū)動。2.2改造方案（1）主軸進給直流電機改為交流伺服電機，精確控制主軸進給量（Z軸）。（2）主軸箱升降驅(qū)動電機改為交流伺服電機，精確控制刀具上下移動（r軸）。（3）工作臺直流電機改為交流伺服電機，精確控制工作臺往復(fù)運動（X軸）。（4）在肋板上安裝豎向工作臺，并配數(shù)控分度頭（C軸），改造后具有立式和臥式雙重數(shù)控 銃床功能，實現(xiàn)四軸三聯(lián)動。（5）主軸進給、主軸箱升降、工作臺傳動的絲杠全部換成精度較高的滾珠絲杠。（6）在工作臺移動和主

3、軸箱升降兩個方向安裝直線光柵，形成全閉環(huán)控制，以提高機床加工 精度。（7）原機床主軸靠一個雙速電機驅(qū)動，通過機械調(diào)速裝置可實現(xiàn)18種不同的速度變化，基本 上滿足使用要求。改裝后傳動系統(tǒng)如圖1。1主軸箱升降伺服電機2.工作臺伺服電機3數(shù)控分度頭4刀具進給伺服電機 圖1改造后的銃床傳動系統(tǒng)3數(shù)字化全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)改造后系統(tǒng)采用全閉環(huán)伺服系統(tǒng)，由于進給絲杠的拉壓、扭轉(zhuǎn)剛度以及摩擦阻尼特性和 間隙等非線性因素，若各參數(shù)配置不當(dāng)，將會引起振蕩，造成不穩(wěn)定現(xiàn)象從而影響定位精度, 為了滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性，所以采用全閉環(huán)。在全閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中，對位置檢測元件和反饋 元件的選擇很關(guān)鍵。直線光刪具有檢測精度高、重

4、復(fù)性好、抗干擾能力強，耐油耐污及維護 簡單等優(yōu)點。全閉環(huán)伺服系統(tǒng)工作原理：安裝在工作臺上的光柵位置檢測裝置測量出工作臺 的實際位移x1,產(chǎn)生反饋脈沖F1輸入到位置偏差檢測器，并與位置指令脈沖pp相比較， 并產(chǎn)生偏差脈沖pe。此偏差脈沖位置控制信號經(jīng)放大器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器后加放大輸出工作電壓 Uc,與編碼器反饋電壓Ug比較和放大后，產(chǎn)生伺服電機控制電壓Um,驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，從而 帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，通過絲杠螺母副使工作臺輸出位移。數(shù)字化全閉環(huán)位置控制方法就是在對機床運動部件進行數(shù)字式驅(qū)動的基礎(chǔ)上，引入直接 檢測運動部件最終位移的數(shù)字式測量環(huán)節(jié)，以充分獲取和利用系統(tǒng)信息，從反饋控制的角度 對機床各坐標(biāo)的運

5、動進行數(shù)字化控制，由此構(gòu)成包括各種誤差源和非線性環(huán)節(jié)的數(shù)字化全閉 環(huán)系統(tǒng)。這樣，該系統(tǒng)不但可使運動部件的定位精度由檢測環(huán)節(jié)的測量精度決定，而且可對 各種干擾和非線性因素對運動部件位移產(chǎn)生的影響進行有效的動態(tài)校正，使任何時刻運動的 實際位移總是跟隨指令值變化，從而保證機床各坐標(biāo)具有很高的動、穩(wěn)態(tài)精度。其數(shù)字化全 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成如圖2所示。位覽魏烷置吐脈沖發(fā)!控制工作臺理檢測88位覽魏烷置吐脈沖發(fā)!控制工作臺理檢測88圖2數(shù)字化全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)的組成該系統(tǒng)采用光柵作為線位移檢測裝置直接獲取機床工作臺的位移信息，此信息經(jīng)過前置 處理后得到相位差為90的兩路位移脈沖信號，其頻率與工作臺的移動速度

6、成正比，其數(shù)量為 工作臺實際位移量除以脈沖當(dāng)量。位移脈沖被送人可逆計數(shù)器進行計數(shù)，該計數(shù)器中的計數(shù) 值即表示了工作臺的當(dāng)前實際位置。系統(tǒng)中位置控制器的作用是，根據(jù)位置給定值與位置反 饋之差，按預(yù)先設(shè)計的數(shù)字化控制規(guī)律控制整個系統(tǒng)的運行，以保證工作臺位移嚴格跟隨指 令值變化。數(shù)字化全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。圖3數(shù)字化全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖為使閉環(huán)系統(tǒng)具有較快的動態(tài)性能并且跟蹤斜坡輸入無穩(wěn)態(tài)誤差，采用PID調(diào)節(jié)器作為 位置控制器，其實現(xiàn)算法為：式中：Uk為第k采樣周期控制器的輸出；ek為第k采樣周期系統(tǒng)輸入與輸出之間的跟 隨誤差；Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)。實際調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)動態(tài)過程的超調(diào)往往過大，有時甚至不能正常工作。為解決該問 題，對式（1）中的積分作用進行分離控制。即當(dāng)系統(tǒng)處于過渡過程，跟蹤誤差較大時，取消 積分控制，以保證穩(wěn)定工作。當(dāng)系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)跟蹤過程時，加入積分控制，以保證跟蹤斜坡 輸入的穩(wěn)態(tài)差為0。由此得到的控制算法為：S = K 若 +S% g勺*-兔_i ） （2） K = & k 托八式中：Ki為積分系數(shù)，： ??； Kd為微分系數(shù),； S為控制積分作用的 開關(guān)變量，其取值為1 ASrgA（3）式中：A為穩(wěn)態(tài)跟蹤區(qū)間。4結(jié)論（1）將XB4450仿型銃床進行數(shù)控化伺服改造后，可實