0 引言

　　由步進電機驅動的數(shù)控機床,因其價格低廉,通常稱為經(jīng)濟型數(shù)控機床。這類機床的進給驅動系統(tǒng)基本上采用開環(huán)控制。開環(huán)控制具有價格低廉、技術成熟、穩(wěn)定性好等優(yōu)點,但它存在一個致命的缺點,即控制精度低。影響開環(huán)系統(tǒng)控制精度的因素有兩個,一是機械部件的傳動誤差,二是步進電機的失步(丟步和越步) 誤差。開環(huán)系統(tǒng)的固定量間隙補償,對于克服彈性變形以及機械傳動部件的間隙效果不大;至于步進電機的失步誤差,純屬一種隨機誤差,開環(huán)系統(tǒng)根本無法補償。步進電機失步的結果,將導致數(shù)控機床的工作臺不能返回起始點,保證不了零件的加工精度,甚至有可能引發(fā)事故。所以,為了實現(xiàn)高的伺服精度,必須采用閉環(huán)控制。

　　由于步進電機的數(shù)學模型比較復雜,而由步進電機拖動的伺服系統(tǒng)的數(shù)學模型更加復雜,因此,若是采用全閉環(huán)控制技術來控制步進系統(tǒng),困難可能比較大,閉環(huán)的算法軟件很難編制。為此,本文提出了一種新型的步進電機閉環(huán)控制技術位置準閉環(huán)控制。

1 準閉環(huán)控制的原理

　　普通機床的準閉環(huán)控制原理，它的實現(xiàn)是在常規(guī)的開環(huán)系統(tǒng)中加上直線光柵作為線位移檢測元件,以機床工作臺的實際位移量作為反饋信號,采用以軟件實現(xiàn)的數(shù)字調節(jié)門來控制機床的進給運動。

　　我們知道,帶有調節(jié)器的閉環(huán)控制在系統(tǒng)超調時,需要作反向運動以消除偏差,從而有可能引起系統(tǒng)的振蕩,導致控制不穩(wěn)。但是,對于機床的切削加工,超調是不允許的,一旦產(chǎn)生超調,工件已被切削,就有可能報廢。解決系統(tǒng)超調有兩條途徑,一是采用適當?shù)臄?shù)字調節(jié)并選擇合適的調節(jié)參數(shù);另一是在切削進給快結束時,采用適當?shù)慕殿l處理,使工作臺以較低的速度趨向指定的位置。后者簡單易行、穩(wěn)定性好、成本低、實現(xiàn)容易,且在快速性方面與前者相比也差不了多少。因為步進電機轉子的轉動慣量小,啟、停時間短,電機在步進信號輸入幾毫秒后就能轉動甚至達到同步速度,一旦信號切斷,電機立即停轉?？紤]到普通機床,特別是一些舊機床,本身精度不高,導軌由于不均勻磨損,造成在整個工作長度上的反向間隙很不一致,如圖2 所示。若用常規(guī)的數(shù)字調節(jié)器來控制,很難確定調節(jié)參數(shù),即使暫時確定下來,經(jīng)過一段時間的切削加工,機械傳動一旦有松動,參數(shù)也會改變。因此,本文提出的準閉環(huán)控制不用常規(guī)的數(shù)字調節(jié)器,而用一種特殊形式的數(shù)字調節(jié)器數(shù)字調節(jié)門。

　　數(shù)字調節(jié)門實際上是PID 數(shù)字調節(jié)器的一種變形,它不含積分環(huán)節(jié),也不含微分環(huán)節(jié),只含比例環(huán)節(jié),且比例系數(shù)取1。其工作原理如下:當指令脈沖數(shù)減去反饋脈沖數(shù)大于零時,數(shù)字調節(jié)門打開,系統(tǒng)進行反饋控制;當指令脈沖數(shù)減去反饋脈沖數(shù)小于或等于(為判終步數(shù)) 時,數(shù)字調節(jié)門關閉,反饋控制結束。判終步數(shù)根據(jù)實驗決定( = 0 ,1 或2)。

　　實踐表明,采用數(shù)字調節(jié)門實現(xiàn)的閉環(huán)控制,既可獲得較高的伺服精度又可獲得良好的穩(wěn)定性。數(shù)字調節(jié)門在系統(tǒng)超調時不作反向運動處理,控制軟件一方面通過適當?shù)慕殿l,選擇合適的判終步數(shù) ,使系統(tǒng)盡量不超調;另一方面,一旦出現(xiàn)超調誤差,系統(tǒng)便將該誤差記憶,并在下一程序段予以消除,避免了誤差的累積。

2 準閉環(huán)控制在普通車床中的應用

　　采用上述的準閉環(huán)控制技術,在普通車床上建立了一種新型的準閉環(huán)控制系統(tǒng)。它基于MCS-51系列的AT89C52 單片機,擴展了一片27C512 作為EPROM,一片62256 作為SRAM,一片8279 管理鍵盤與顯示器,一片8255 作為輸入、輸出接口,一片8253 作為計數(shù)器。X、Z 向直線光柵的A、B 相信號(相位差為90°) ,分別送到兩個四倍頻接口電路進行四細分和辨向,由兩路四倍頻接口輸出的正、負向脈沖,再送到8253 計數(shù)器的CLK0、CLK1、CLK2 以及CPU 的計數(shù)器T0 ,從而形成準閉環(huán)控制。

3 實驗分析

　　在一臺經(jīng)過數(shù)控改造的CM6132普通車床上,使用上述的準閉環(huán)控制系統(tǒng)(縱、橫向進給脈沖當量分別為0.01mm 和0.005mm) ,進行了以下實驗。

　　3.1 　拖板反向間隙的測定

　　圖2示出了這臺車床縱、橫方向拖板在200mm行程范圍內的反向間隙。在圖2 中,水平坐標表示拖板的位移(mm) ,垂直坐標表示拖板的反向間隙(脈沖數(shù)) 。粗實線表示Z向拖板的間隙,細實線表示X向拖板的間隙?？梢钥闯?不管是縱向拖板還是橫向拖板,它們的反向間隙在導軌的全程上均是隨機分布的。因此,開環(huán)系統(tǒng)即使具有固定量間隙補償?shù)墓δ?它也無法克服隨機分布的間隙。

　　3.2 定位精度測定

　　表1為橫向拖板從同一點出發(fā)到達不同位置的定位精度。開環(huán)系統(tǒng)的定位精度不高,最大定位誤差是0.05mm,而閉環(huán)系統(tǒng)的定位誤差則穩(wěn)定地控制在0.005mm(即一個脈沖當量) 之內。不同進給速度的定位精度實驗表明,進給速度對定位精度影響甚小,這一點由軟件中適當?shù)慕殿l處理來保證。

　　3.3 重復定位精度測定

　表2為橫向拖板從同一點出發(fā)在不同位置的重復定位精度。從表2 可以看出,雖然開環(huán)系統(tǒng)的重復定位精度在某一點因采用固定量間隙補償而達到改善 ,但位移不同,重復定位精度也不同,這是由于導軌全長上的不均勻間隙造成的。而閉環(huán)系統(tǒng)的重復定位精度總是控制在0.005mm以內。

　　3. 4 人為失步實驗

　　在拖板移動過程中,對刀架施力,強迫步進電機失步。實驗結果表明,開環(huán)系統(tǒng)對此失步無能為力,而閉環(huán)系統(tǒng)則能補償此誤差。

　　3. 5 車削結果

　　通過對不同形狀零件的加工,包括內、外圓柱面,端面、溝槽、任意錐面、球面以及各種螺紋的切削,實踐表明,采用上述閉環(huán)系統(tǒng)時,加工誤差均能控制在一個脈沖當量之內,這對經(jīng)濟型數(shù)控車床來說是相當理想的。

　　圖4 示出了一個典型零件,它是由4 把刀具一次裝夾加工出來的。兩把刀具用于車削外圓面(粗、精車) ,一把用于割槽,另一把則用于車螺紋。4 把刀尖的相對位置由自動對刀裝置在2 分鐘之內對好。毛坯為一根< 44 的40Cr 棒料,切削時間為2分32 秒。圖4 中,括號內的數(shù)字為圖紙標注尺寸,沒加括號的數(shù)字為切削后的實測尺寸。從圖中可以看出,該零件的尺寸精度均沒有超出0. 005mm。

4 結束語

　　本文提出的步進電機的位置準閉環(huán)控制技術已經(jīng)成功地應用在多種經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)上。大量的應用實踐表明,采用準閉環(huán)控制的數(shù)控機床具有較高的控制精度和良好的穩(wěn)定性,并具有較高的性能價格比。準閉環(huán)控制能夠有效地克服機械部件的傳動誤差與步進電機的失步誤差,使得數(shù)控機床的控制精度達到一個脈沖當量。這種控制方式解決了目前經(jīng)濟型CNC 機床控制精度普遍低的問題,具有一定的推廣和使用價值。