精密数控回转工作台位置控制的研究

发布时间:2019-07-11 08:08 文章来源:未知 阅读次数:

  精教控回转工作台位置控命1的所尧王永青王春林乐忠(大连理工大学机械工程学院,大连116023)制,文中提出了半闭环智能PID控制方法,并针对转台中蜗轮蜗杆传动机构的特点,提出了精密数控回转工作台的双向螺距误差补偿方法。该控制算法和补偿算法已经应用在某航天火箭喷管铣槽加工控制系统中。

  当需要数控机床具有复杂的曲线和曲面加工能力时,必须配备回转轴,而数控回转工作台是在数控机床上完成回转进给功能的直接部件。采用蜗轮蜗杆传动副的数控回转工作台,减速比大,可以提篼电机扭矩,并且具有“自锁”功能,可以在电机失电后保持工件的位置,因此,在实际中得到了广泛的应用。目前,由于受到成本较高及反馈元件安装困难等因素的影响,较少采用全闭环控制方式,而更多采用半闭环控制,如所示。

  在对数控转台进行位置控制过程中,为达到运行快速且平稳的要求,必须开发一种智能的PID算法;为保证机床的精度要求,必须对蜗轮蜗杆传动副的反向间隙误差和螺距误差进行补偿。作者在调试某航天火箭喷管铣槽控制系统过程中发现,对于数控回转工作台,若也象直线进给轴那样采用单方向的螺距误差补偿,并不能收到良好效果。为此,针对蜗轮蜗杆传动副的特点,开发了基于智能PID控制的双向螺距误差补偿方法,能够很好地满足精密转台的位置控制要求。

  1数控回转工作台的智能PID控制所示的控制系统是按跟随误差控制的随动系统。系统的速度环和电流环控制由全数字交流伺服单元内部完成。位置环在CNC的系统软件内实施,采用智能PID控制,具有鲁棒性强、算法简洁等优点,非常适合于奄秒级的计算机实时控制,是目前绝大多数数控系统采用的控制算法。

  数控转台的运动过程,可以分为如所示的三种阶段。中,巧为转台起始位置,P2为转台目标位置。在阶段/1时,位置控制处于速度跟踪状态,转台以编程指定速度跟踪指令位置而转动。在阶段B时,位置控制处于由动态到稳态的过渡状态,转台减速并即将运行至目标位置。在阶段C时,位置控制处于进给保持状态,转台保持现有位置。

  根据不同的位置控制阶段,应该分别采用不同的控制算法和PID参数,即智能PID控制。

  指令位£恂服辇元和伺服电机为便于实现毫秒级的实时控制,智能PID控制的知识推理决策机必须简单快捷,且尽可能直接辩识出阶段/1、阶段B和阶段C.在控制系统中,采用跟随误差e作为推理信息之一,对于阶段S采用延时计数器counter控制过渡时间。所以,可以选取跟随误差门限值农和延时计数常数G作为推理决策机的专家知识。推理决策机表达式为:在实际系统中开发智能PID位置控制方法,如所示。

  知识推理决策机-控制SA控制B智能P1D控制器在阶段七为了消除静态误差,改善转台实际位置对指令位置变化的跟踪能力,提高响应的快速性,引人“比例+前馈”复合控制。控制器/1的输出u(a)为:u(a)=心S+‘eU)其中,尺/为前馈系数,S为指令坐标增量,为比例控制系数,e(幻为当前采样周期的跟随误差值。

  S阶段是进人稳态前的过渡阶段,要求尽可能无超调,所以撤消前馈作用,只采用比例控制,控制器B输出u(6)为:u(b)=Kf'e(k)C阶段是位置保持阶段,为保证系统定位精度,提高系统对微小扰动的抗干扰灵敏度,采用PID控制,控制器e输出u(c)为:其中为比例控制系数,反为积分控制系数,心为微分控制系数。

  在完成调试的某航天火箭喷管铣槽控制系统中,数控转台PID控制参数值为:/=0.2,‘=0.1,’=0.2,=0.01,2双向螺距误差补偿半闭环系统的反向间隙补偿较简单,在此不赘述。

  螺距误差补偿是半闭环数控系统的关键功能之一,是提高系统定位精度的主要手段之一。对于直线运动轴,滚珠丝杠运动副的精度较高,采用单方向螺距误差补偿可以达到设计和使用要求。对于采用蜗轮蜗杆副作为速和分度执行部件的数g转台,在同一坐标区间内,向正反两个方向运动时,其嫌距误差值差别较大。若也象直线运动轴那样,只采用单方向嫌距误差补偿,补偿效果并不理想,因此,当数控转台向正反两个方向运动时,必须采用不同的嫌距补偿数据,即必须进行双向螺距误差补偿,其补偿过程如所示。

  其中,P;为实测机床坐标值,i为误差唯区间索引,i由下式给出:考虑到正负号因素,系统校正算法如下:指令坐标/P;机床转台回机床零点后,在转台上安装标准36面体棱镜,取螺距误差补偿区间为10°。数控编程令转台向正向转动,每101W得机床转台旋转一周实际坐标值绝对误差,如中折线系统正向媒距辛后,测得转台正向旋转坐标值绝对误差如中折线“□”所示。由该折线数据可以看出,转台正向补偿数据已经有效,效果明I转台单向鳔距误差辛瞧成后,由36响0.负向转动,测得数据如中折线“A”所示。由于蜗轮蜗杆副的机械加工误差,尽管转台正向运转媒距误差已经哨,但是负向媒距误差依然很大,需要对媒距误差进行负向哨。双向辛嘴后的转台实测坐标误差如中的折线“□”和“O”所示。可以看出,经过双向嫌距误差补偿后,系统转台的定位精度得到了极大的改善。

  3结语在对精密数控转台的位置控制中,根据数控转台的不同运行阶段,所开发的智能PID控制算法效果良好,转台运行平稳,响应速度快。针对精密数控回转工作台中蜗轮蜗杆副的运行特点,提出并实施的双向螺距误差补偿方法较好地解决了此类部件的螈距误差补偿问题。综合运用智能PID算法和双向亏距误差补偿方法,能够实现精密数控回转工作台的精确位置控制。

  这里所述的PID控制算法和误差补偿方法已经应用在实际的控制系统中,验证了所开发的控制方案的可行性和正确性。

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