数控机床伺服控制技术体系与加工精度优化途径

(江苏省泰兴中等专业学校,江苏 泰兴 225400)

0 引言

随着我国机械工业的快速发展,制造业装备水平实现了快速提升,尤其在自动化数控加工设备的普及应用下,为我国制造业发展创造了良好基础条件,为机械类产品的加工精度提升和整体质量升级奠定装备基础。数控机床作为自动化生产制造各种机械类零部件的加工设备总成,近年来其技术体系实现了快速升级,传统的数控技术实现了与伺服控制技术的进一步融合,使伺服控制技术成为数控CNC系统的重要组成部分。该类技术在数控机床中应用能显著提高机械制造的加工精度和自动化程度,并提高生产效率,降低人工作业的劳动强度,伺服控制技术对于制造业的未来发展将产生深远影响。

1 技术特征

从制造业的国际化发展来看,数控机床技术总体向高效、高精度、多功能方向发展,对于控制能力的要求正持续提升。尤其在芯片技术的快速发展促进下,数控机床的运算能力持续提升,为数控机床的软件控制力升级创造了良好条件。在常规数控加工制造中,伺服控制技术主要应用于对加工刀具、辅助装置及焊接设备等进行位置、速度、转速的控制,伺服控制技术的先进性与机床整体制造数量密切相关,尤其对于先进的高精度机床及多轴联动机床而言,其对于伺服控制技术的依赖性更高。

伺服控制技术在数控机床上的应用具有以下优势:一是能改善控制过程的响应速度,更能适应数控机床在加工过程中部分刀具及装置的频繁启动、停止、加减速等变化,使加工过程的变化控制在极短时间内完成,对于伺服电机而言,其将速度由0加速至最大值仅需100 ms左右,部分先进的伺服电机甚至能将反应速度缩减到40～60 ms;二是有效保障数控机床的加工精度,利用伺服控制进给系统能够保证定位及加工精度达到0.01 mm,部分先进的伺服控制技术能够使定位和加工精度达到0.1 μm,且对于加工过程的抖动和启动冲击有很好的抑制作用;三是能显著提高数控加工过程的抗过载能力,伺服控制系统与传统的数控模式相比其控过载能力超出3～5倍;四是能够适应多种不同的速度加工制造要求,尤其对于多轴联动的数控机床而言,伺服电机可以在自身的速度范围内实现无极调速,配合滚珠丝杠和减速齿轮能够实现对进给速度和转速的高适应性调整[1-2]。

2 技术体系与组成

伺服控制技术体系主要由软件控制体系和硬件体系两部分组成,软件部分主要用于控制数控机床加工过程的各种逻辑,相当于传统人工操作机床的工人大脑,硬件系统是用于驱动和辅助控制的各种硬件的总称,是机床控制的执行者和辅助者,主要包括伺服电机、传感器、转换电路、驱动控制电路、电流调节单元、速度调节单元、编码器等组成,根据伺服控制系统的控制逻辑进行分类,可分为开环控制系统、闭环控制系统及半闭环控制系统等。

2.1 开环控制系统

开环控制系统的运行逻辑如图1所示, 其能够接受数控机床控制系统给出的控制信号脉冲,并将所接收的脉冲信号进行转换,用于控制伺服电机定子绕组的通断电,进而实现对电机运转的控制。开环控制系统的伺服电机与机床丝杠直接相连,通过转子带动丝杠转动,主要用于控制数控机床的工作台相关参数,包括控制工作台位移量、运动方向、进给速度等[3]。其技术原理是将控制系统输入的脉冲数量、频率、方向等数据信息转换为工作台各项参数的数据变化,进而满足对数控机床制造过程的控制需求。

图1 开环控制系统运行逻辑

2.2 闭环控制系统

闭环控制系统与开环控制系统相比其运行逻辑更为复杂,二者之间的差异在于闭环控制系统不仅能利用控制信号控制数控机床的各种加工动作,还能通过动作执行的反馈持续修正机床的加工制造过程。闭环控制对于数控机床的控制和加工过程如图2所示,其运行时通过不断重复图2的控制流程完成机床的精确加工,通过比对实际值与期望值之间的偏差完成相应的加工。闭环控制系统与开环控制系统相比,在响应速度、控制精度、鲁棒性等方面具有显著优势。应用于数控机床的控制时,闭环控制系统对于直线进给运动的测量,采用沿导轨移动方向安装直线位移传感器的方式,能直接测量工作台的位移。近年来,PID控制技术成为闭环控制系统在数控机床控制中的主流技术之一,其能够有效解决被控对象的结构和参数的一些不确定或无法得到精确模型的情况,将系统的偏差分为比例、积分、微分三类运算进行细化调整,实现制造过程的更精准控制[4]。

图2 闭环控制系统运行逻辑

2.3 半闭环控制系统

半闭环控制系统在检测和控制的原理上与闭环控制系统类似,二者之间的差异表现在以下几方面:一是数据检测的方式不同,半闭环控制系统是以开环控制系统驱动模式为基础,利用角位移传感器监测丝杠转角,再转换为机床部件的位移,而闭环控制系统对各种位移量进行直接监测;二是闭环控制系统能实现对动作最终执行状态的监测,而半闭环控制系统仅能监测驱动控制的过程;三是二者在控制精度和响应速度方面存在一定差异,半闭环控制适用于精度和响应速度较高的场合,其应用成本相对较好,闭环控制适用于精度和响应速度更高的场合,其建设和后期维护成本较高。

3 加工精度优化途径

3.1 精度优化方向

从伺服控制技术角度对数控机床的加工精度进行优化,主要应从以下几方面进行,一是优化机床的定位精度,确保机床对待加工部件的定位坐标与理想坐标之间的误差在合理范围内,为后续加工制造工作奠定基础条件;二是优化实际加工过程的定位精度,能够更好与切削、激光、焊接等工艺的特点相结合,按照实际加工情况进行位置和速度的调整,并结合电控逻辑进行控制优化。此外,为更好保证数控机床的加工精度,应做好机床的日常检查、维护及几何精度调整,重点保证主轴回转精度、导轨直线度、各个加工件和固定件之间的相对位置精度等[5-6]。

3.2 具体实施思路

3.2.1 精细加工

从电气控制的角度出发,进行数控机床精度提升首先要从控制程序和执行逻辑的角度进行考虑,主要实施方向包括以下两点:一是细化控制程序执行路线,传统的控制路线主要针对零件加工过程的变化位置重点监测,而对平面、曲面等规律性较强的零件结构加工时的路线细分较为粗放,可通过程序对加工路线进行细分,以此缩短单次加工步骤,使原加工步骤的精确性提升至2倍甚至更高,如图3所示。

图3 细化加工示意图

3.2.2 误差补偿

误差补偿是利用软件技术修正硬件在加工和装配过程中产生的误差,并尽量使误差补偿值与原始误差值相等,使不利加工因素最大程度降低,进而提高加工制造精度。误差补偿技术在数控设备中应用了较长时间,所应用的补偿理论和方式也呈现多样化趋势,现阶段典型的误差补偿技术包括以下几种:

1)误差直接补偿。主要是针对已知误差参数进行的程序化补偿,属于简单的直接补偿技术,能够针对加工温度影响误差、传感器误差等进行补偿,方法简单有效,但形式单一,对于误差的补偿范围和补偿能力受一定限制,部分无法实现测定或明确的误差不能被有效补偿[7]。

2)均值修正技术。主要利用传感器技术测量精确的回转误差,如测量导轨平行度误差,可通过多个位置的多个测量值进行误差分析,进而有效解决传感器单一测量数据产生的漂移误差,提高测量和控制的精确性。

3)误差抑制技术。通过合理设计误差模型结合新的机构或者电路设计抵消或消除零位误差、漂移误差,能够在控制逻辑和技术优化上直接降低误差影响。

4)反向间隙补偿。例如在部分链传动或齿轮传动的机床驱动模式下,在正转驱动和翻转驱动转换的过程中,会因链条与链轮的配合间隙或齿轮间的配合关系影响产生反应迟滞,而引起加工误差,因此,利用电控技术,在每次出现反向驱动时,系统基于适当的脉冲进行补充,以修正此类误差。

3.2.3 混合私服技术

在数控机床实际的使用过程中，设备所受到的误差影响因素较多，振动、温度、负载等一系列因素会引起传动误差，在此情况下，越是技术先进、功能多样的机床，存在的误差影响因素就越多，越难以通过单一方式的误差修正技术实现加工精度的改善。混合私服技术(图4)是一种多种技术整合的闭环控制技术，能有效降低机床在工作过程中的多种不利因素影响，同时降低电机丢转、振动等私服设备的影响，显著提高生产加工精度并降低能耗。混合私服系统与现阶段广泛应用的交流伺服系统相比，平均故障(失效)间隔时间(MTBF)得到有效延长，伺服元件及机械传动部分的可靠性显著提升，既使控制精度保证，还降低了技术引进成本[8]。

4 结语

综上所述,伺服控制技术在我国数控机床技术研究和应用领域发挥着重要作用,要进一步提高我国数控机床技术,促进制造业的现代化、智能化转型,必须要更合理地应用伺服控制技术,充分发挥先进伺服控制技术的优势,不仅提高机床的自动化程度,而且实现在机床的响应速度、抗干扰能力、连续加工能力、协同制造能力、稳定性等方面全面升级,同时加强私服电机、控制芯片等核心技术攻关,促进数控机床在软硬件方面的全面升级。