0 引言

　　由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床,因其價(jià)格低廉,通常稱為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。這類機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基本上采用開環(huán)控制。開環(huán)控制具有價(jià)格低廉、技術(shù)成熟、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),但它存在一個(gè)致命的缺點(diǎn),即控制精度低。影響開環(huán)系統(tǒng)控制精度的因素有兩個(gè),一是機(jī)械部件的傳動(dòng)誤差,二是步進(jìn)電機(jī)的失步(丟步和越步) 誤差。開環(huán)系統(tǒng)的固定量間隙補(bǔ)償,對(duì)于克服彈性變形以及機(jī)械傳動(dòng)部件的間隙效果不大;至于步進(jìn)電機(jī)的失步誤差,純屬一種隨機(jī)誤差,開環(huán)系統(tǒng)根本無法補(bǔ)償。步進(jìn)電機(jī)失步的結(jié)果,將導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床的工作臺(tái)不能返回起始點(diǎn),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(shí)現(xiàn)高的伺服精度,必須采用閉環(huán)控制。

　　由于步進(jìn)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜,而由步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)的伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型更加復(fù)雜,因此,若是采用全閉環(huán)控制技術(shù)來控制步進(jìn)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(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制技術(shù)位置準(zhǔn)閉環(huán)控制。

1 準(zhǔn)閉環(huán)控制的原理

　　普通機(jī)床的準(zhǔn)閉環(huán)控制原理，它的實(shí)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(cè)元件,以機(jī)床工作臺(tái)的實(shí)際位移量作為反饋信號(hào),采用以軟件實(shí)現(xiàn)的數(shù)字調(diào)節(jié)門來控制機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

　　我們知道,帶有調(diào)節(jié)器的閉環(huán)控制在系統(tǒng)超調(diào)時(shí),需要作反向運(yùn)動(dòng)以消除偏差,從而有可能引起系統(tǒng)的振蕩,導(dǎo)致控制不穩(wěn)。但是,對(duì)于機(jī)床的切削加工,超調(diào)是不允許的,一旦產(chǎn)生超調(diào),工件已被切削,就有可能報(bào)廢。解決系統(tǒng)超調(diào)有兩條途徑,一是采用適當(dāng)?shù)臄?shù)字調(diào)節(jié)并選擇合適的調(diào)節(jié)參數(shù);另一是在切削進(jìn)給快結(jié)束時(shí),采用適當(dāng)?shù)慕殿l處理,使工作臺(tái)以較低的速度趨向指定的位置。后者簡(jiǎn)單易行、穩(wěn)定性好、成本低、實(shí)現(xiàn)容易,且在快速性方面與前者相比也差不了多少。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小,啟、停時(shí)間短,電機(jī)在步進(jìn)信號(hào)輸入幾毫秒后就能轉(zhuǎn)動(dòng)甚至達(dá)到同步速度,一旦信號(hào)切斷,電機(jī)立即停轉(zhuǎn)。考慮到普通機(jī)床,特別是一些舊機(jī)床,本身精度不高,導(dǎo)軌由于不均勻磨損,造成在整個(gè)工作長(zhǎng)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(diào)節(jié)器來控制,很難確定調(diào)節(jié)參數(shù),即使暫時(shí)確定下來,經(jīng)過一段時(shí)間的切削加工,機(jī)械傳動(dòng)一旦有松動(dòng),參數(shù)也會(huì)改變。因此,本文提出的準(zhǔn)閉環(huán)控制不用常規(guī)的數(shù)字調(diào)節(jié)器,而用一種特殊形式的數(shù)字調(diào)節(jié)器數(shù)字調(diào)節(jié)門。

　　數(shù)字調(diào)節(jié)門實(shí)際上是PID 數(shù)字調(diào)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(dāng)指令脈沖數(shù)減去反饋脈沖數(shù)大于零時(shí),數(shù)字調(diào)節(jié)門打開,系統(tǒng)進(jìn)行反饋控制;當(dāng)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(shí),數(shù)字調(diào)節(jié)門關(guān)閉,反饋控制結(jié)束。判終步數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)決定( = 0 ,1 或2)。

　　實(shí)踐表明,采用數(shù)字調(diào)節(jié)門實(shí)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(diào)節(jié)門在系統(tǒng)超調(diào)時(shí)不作反向運(yùn)動(dòng)處理,控制軟件一方面通過適當(dāng)?shù)慕殿l,選擇合適的判終步數(shù) ,使系統(tǒng)盡量不超調(diào);另一方面,一旦出現(xiàn)超調(diào)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(zhǔn)閉環(huán)控制在普通車床中的應(yīng)用

　　采用上述的準(zhǔn)閉環(huán)控制技術(shù),在普通車床上建立了一種新型的準(zhǔn)閉環(huán)控制系統(tǒng)。它基于MCS-51系列的AT89C52 單片機(jī),擴(kuò)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(jì)數(shù)器。X、Z 向直線光柵的A、B 相信號(hào)(相位差為90°) ,分別送到兩個(gè)四倍頻接口電路進(jìn)行四細(xì)分和辨向,由兩路四倍頻接口輸出的正、負(fù)向脈沖,再送到8253 計(jì)數(shù)器的CLK0、CLK1、CLK2 以及CPU 的計(jì)數(shù)器T0 ,從而形成準(zhǔn)閉環(huán)控制。

3 實(shí)驗(yàn)分析

　　在一臺(tái)經(jīng)過數(shù)控改造的CM6132普通車床上,使用上述的準(zhǔn)閉環(huán)控制系統(tǒng)(縱、橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量分別為0.01mm 和0.005mm) ,進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)。

　　3.1 　拖板反向間隙的測(cè)定

　　圖2示出了這臺(tái)車床縱、橫方向拖板在200mm行程范圍內(nèi)的反向間隙。在圖2 中,水平坐標(biāo)表示拖板的位移(mm) ,垂直坐標(biāo)表示拖板的反向間隙(脈沖數(shù)) 。粗實(shí)線表示Z向拖板的間隙,細(xì)實(shí)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(dǎo)軌的全程上均是隨機(jī)分布的。因此,開環(huán)系統(tǒng)即使具有固定量間隙補(bǔ)償?shù)墓δ?它也無法克服隨機(jī)分布的間隙。

　　3.2 定位精度測(cè)定

　　表1為橫向拖板從同一點(diǎn)出發(fā)到達(dá)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(gè)脈沖當(dāng)量) 之內(nèi)。不同進(jìn)給速度的定位精度實(shí)驗(yàn)表明,進(jìn)給速度對(duì)定位精度影響甚小,這一點(diǎn)由軟件中適當(dāng)?shù)慕殿l處理來保證。

　　3.3 重復(fù)定位精度測(cè)定

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

　　3. 4 人為失步實(shí)驗(yàn)

　　在拖板移動(dòng)過程中,對(duì)刀架施力,強(qiáng)迫步進(jìn)電機(jī)失步。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,開環(huán)系統(tǒng)對(duì)此失步無能為力,而閉環(huán)系統(tǒng)則能補(bǔ)償此誤差。

　　3. 5 車削結(jié)果

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

　　圖4 示出了一個(gè)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(duì)位置由自動(dòng)對(duì)刀裝置在2 分鐘之內(nèi)對(duì)好。毛坯為一根< 44 的40Cr 棒料,切削時(shí)間為2分32 秒。圖4 中,括號(hào)內(nèi)的數(shù)字為圖紙標(biāo)注尺寸,沒加括號(hào)的數(shù)字為切削后的實(shí)測(cè)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(jié)束語

　　本文提出的步進(jìn)電機(jī)的位置準(zhǔn)閉環(huán)控制技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用在多種經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)上。大量的應(yīng)用實(shí)踐表明,采用準(zhǔn)閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)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(jià)格比。準(zhǔn)閉環(huán)控制能夠有效地克服機(jī)械部件的傳動(dòng)誤差與步進(jìn)電機(jī)的失步誤差,使得數(shù)控機(jī)床的控制精度達(dá)到一個(gè)脈沖當(dāng)量。這種控制方式解決了目前經(jīng)濟(jì)型CNC 機(jī)床控制精度普遍低的問題,具有一定的推廣和使用價(jià)值。