数控铣边机全闭环控制及振荡排除

孙润喜

数控铣边机全闭环控制及振荡排除

孙润喜

（陕西荣成智控机电科技有限公司，陕西 西安 710043）

介绍了数控机床、数控系统的构成和功能配置，对开环控制系统、半闭环控制系统、全闭环控制系统作了简述，阐述了将普通龙门刨床改造为全闭环数控龙门铣边机的电气控制原理，分析了在全闭环控制中引起系统振荡的问题和排除方法等。

数控技术；数控系统；数控机床；开环控制

1 数控机床数控系统的构成和功能配置

数控技术是采用数字代码形式的信息，按给定的工作程序、运动速度和轨迹，对被控对象进行自动操作的一种技术。如果一种设备的控制过程是以数字形式来描绘的，其工作过程是可编程序的，并能在程序控制下自动地进行，那么这种设备就称为数控设备。采用数控技术的控制系统为数控系统，数控系统构成的设备为数控设备。数控机床是采用数控系统构成的一种典型的数控设备。

数控机床通常由控制系统、伺服系统、检测系统、机械传动系统及其他辅助系统组成。控制系统用于数控机床的运算、管理和控制，通过输入介质得到数据，对这些数据进行解释和运算并对机床产生作用；伺服驱动系统包括主轴驱动及进给驱动，伺服系统根据控制系统的指令驱动机床，使刀具和零件执行数控代码规定的运动；伺服系统的作用是把来自数控装置的脉冲信号，转换成机床移动部件的运动。

检测系统用来检测机床执行件（工作台、转台、滑板等）的位移和速度变化量，并将检测结果反馈到输入端，与输入指令进行比较，根据其差别调整机床运动；机床传动系统是由进给伺服驱动元件至机床执行件之间的机械进给传动装置；辅助系统种类繁多，如固定循环（能进行各种多次重复加工）、自动换刀（可交换指定刀具）、传动间隙补偿（机械传动系统产生的间隙误差）等等。

2 数控系统的开环、半闭环及全闭环控制简述

数控系统按伺服系统工作原理可分为开环控制系统、半闭环控制系统和全闭环控制系统等。

开环控制系统：采用步进电机作为驱动部件，没有位置和速度反馈器件，所以控制简单、价格低廉，但它们的负载能力小、位置控制精度较差、进给速度较低，主要用于经济型数控装置。

半闭环和闭环位置控制系统：采用直流或交流伺服电机作为驱动部件，可以采用内装於电机内的脉冲编码器，旋转变压器作为位置/速度检测器件来构成半闭环位置控制系统，也可以采用直接安装在工作台的光栅或感应同步器作为位置检测器件，来构成高精度的全闭环位置控制系统。

由于螺距误差的存在，使得从半闭环系统位置检测器反馈的丝杠旋转角度变化量，还不能精确地反映进给轴的直线运动位置。但是，经过数控系统对螺距误差的补偿后，它们也能达到相当高的位置控制精度。与全闭环系统相比，它们的价格较低，安装在电机内部的位置反馈器件的密封性好，工作更加稳定可靠，几乎无需维修，所以广泛地应用于各种类型的数控机床。

随着现代制造业的迅速发展，数控机床越来越多地被广泛应用，同时对数控机床定位精度、重复定位精度要求也日益提高，原先精密滚珠丝杠加编码器式的半闭环控制系统已无法满足用户的需求。半闭环控制系统无法控制机床传动机构所产生的传动误差、高速运转时传动机构所产生热变形误差以及加工过程中刚性传动系统磨损而产生的误差，而这些误差已经严重影响到数控机床的加工精度及其稳定性。

线性光栅尺对数控机床各线性坐标轴进行全闭环控制，消除上述误差，提高机床的定位精度、重复定位精度以及精度可靠性，作为提高数控机床位置精度的关键部件日益受到用户的青睐。

3 数控龙门铣边机全闭环电气控制

2008-03—2008-05，成功地将一台进口报废的龙门刨床改造成全闭环控制的数控龙门铣边机床，如图1所示。龙门铣床包括床身、工作台、横梁、立刀架、立柱、龙门顶等。原龙门刨床由于润滑问题导致床身和工作台面磨损严重，出现了精度降低、生产效率低等问题，电气部分采用K—F—D（发电机组电动机）调速系统交流电机拖动直流发电机再拖动直流电动机，由交磁放大机控制发电机的励磁系统，结合机械传动，达到20∶1的机电联合调速系统，调速性差。改造成的数控铣边机是以板类零件的铣边、倒角、切削为主的数控机床。具有重切削、高速高效铣削加工能力；数控系统安装在采用悬挂可旋转结构的操作箱上，可方便用户在不同位置操作；自动化程度高；采用光栅尺组成全闭环控制系统，提高了机床的定位精度、重复定位精度以及精度可靠性。

图1 数控龙门铣边机床

全闭环数控龙门铣边机电气系统主要完成人机对话和对三坐标机床坐标的进给、主轴的运转以及机床的液压、润滑、冷却系统等的控制。该机床的3个坐标采用法格直线光栅尺作为全闭环反馈方式，机床主轴为电主轴，使用超同步公司的交流伺服主轴驱动器控制，针对该机床的结构特点，其电气控制系统配置了华中数控系统“世纪星HNC-22MD”全数字数控系统，伺服驱动配置相应的18D型数控式伺服驱动系统。

辅助设备的控制：通过外置的三菱PLC（FX1n-40MR）控制液压系统、润滑系统、冷却系统及水冷却系统的工作，同时与数控系统连锁。外部辅助设备工作状态由数控系统输入接口XS10的第7脚X1.4、第19脚X1.5、第6脚X1.6监测，出现异常故障系统立刻急停报警。除了系统提供的故障信息查询外，在控制柜上还安装了更具体的声光报警指示器，以方便、快捷、准确地判断处理故障。

系统特点：该铣边机具有重切削、高速高效铣削加工能力；三轴联动，可以加工曲线圆弧；通过HSV-18D伺服驱动器上连接的第一码盘电机编码器和第二码盘光栅尺构成双反馈全闭环控制，有很高的定位精度和重复定位精度；除了标准的系统控制面板外，配置40路开关量输入和32路开关量输出接口、手持单元接口、主轴控制与编码器接口。还可扩展20路输入/16路输出；采用10.4′彩色液晶显示器（分辨率为640×480），全汉字操作界面、故障诊断与报警、加工轨迹图形显示和仿真，操作简便，易于掌握和使用；具有小线段连续加工功能，特别适合于CAD/CAM设计的复杂模具零件加工；加工断点保存/恢复功能，方便用户使用；内置RS232通讯接口，轻松实现机床数据通讯；通过USB接口方便将程序输入到系统中；开通的以太网接口，能够实现网络通讯功能；可靠的外围辅助设备控制报警系统，是本台铣边机高速高效切屑的保障。

连接调试：系统与驱动器、驱动器与电机之间的连接线均用电缆连接，电缆两端是与接口匹配的插头，电气连接简单方便，接线很少。

将数控系统与驱动器之间的、、三轴控制电缆连接好，再将驱动器到对应电机和光栅尺的电缆连接好，主轴驱动器到数控系统和电机的连接电缆也连接好，各种输入/输出开关量及信号连接正常，控制电压接线正确，外围辅助设备连接完成，检查线路等没有问题时可以通电调试。在调试过程中对数控系统的参数进行设置，在全闭环下，3个轴外部脉冲当量分子和分母都设为“1”，其他参数根据各轴要求设置，不必设置的采用系统默认的值。“定位误差”设置很关键，如果该参数过小，系统容易达不到定位误差而停机；如果过大，则会影响加工精度，因此，要根据机床定位精度及脉冲当量确定，由于该铣边机轴惯量很大，容易振荡，“定位误差”设为“200”；轴、轴惯量很小，“定位误差”设为“60”。

解决各轴的振荡爬行问题是本铣边机的难点，通过修改驱动器参数“位置比例增益”“速度比例增益”“速度积分时间常数”等处理，此三项的默认参数为“4 000”“2 000”“20”。经过反复运行调整，轴此3项参数为“750”“300”“20”时振荡爬行现象消失，轴此3项参数为“600”“2 000”“40”时振荡爬行现象消失，轴此3项参数为“1 500”“1 500”“60”时振荡爬行现象消失。

调试完成后试切削，高速重切削下速度在2 500 mm/min以上没有出现问题，进行各种圆弧、异型加工，精度很高，用户反映良好，验收一致通过。

4 数控系统振荡问题的分析和排除方法

数控系统的振荡现象已成为数控全闭环系统的共同性问题，该问题已经成为影响数控设备正常使用的重要因素之一。

4.1 产生振荡的原因

产生振荡的原因有很多，除了机械方面存在不可消除的传动间隙、弹性变形、摩擦阻力等诸多因素外，伺服系统的有关参数的影响也是重要的一方面。引起伺报系统振动的原因大致有4种，即位置环不良引起输出电压不稳、速度环不良引起的振动、伺服系统可调定位器过大引起电压输出失真、传动机械装置（如丝杆）间隙过大。

这些控制环的输出参数量失真或机械传动装置间隙过大都是引起振动的主要因素，它们都可以通过伺服控制系统进行参数优化。

4.2 消除振动的基本方法

有些数控伺服系统采用的是半闭环装置，而全闭环伺服系统必须是在期局部半闭环系统不发生振动的前提下进行参数调整，所以两者大同小异，下面讨论全闭环情况下的参数优化方法。

4.2.1 降低位置环增益

在伺服系统中有参考的标准值，例如FANUCO-C系列为3 000，西门子3系统为1 666，华中HSV-18D系列的为 4 000，出现振荡可适当降低增益，但不能降过多，因为要保证系统的稳态误差。

4.2.2 降低负载惯量比

负载惯量比一般设置在发生振动时所示参数的70%左右，如果不能消除故障，则不宜继续降低该参数值。

4.2.3 加入比例微积分器（PID）

比例微积分器是一个多功能控制器，它不仅能有效地对电流电压信号进行比例增益，同时可调节输出信号滞后或超前的问题，振荡故障有时因输出电流电压发生滞后或超前情况而产生，这时可通过PID来调节输出电流电压相位。

4.2.4 采用高频抑制功能

以上讨论的是有关低频振荡时参数优化方法，而有时数控系统会因机械上某些振荡原因使反馈信号中含有高频谐波，这使输出转矩量不恒定，从而产生振动。

对于这种高频振荡情况，可在速度环上加入一阶低通滤波环节，即为转矩滤波器。速度指令与速度反馈信号经速度控制器转化为转矩信号，转矩信号通过一阶滤波环节将高频成分截止，从而得到有效的转矩控制信号。通过调节参数可将机械产生的100 Hz以上的频率截止，从而达到消除高频振荡的效果。

4.2.5 采用双位置反馈功能

双反馈是一种改变控制方式的方法，可在同一个系统选择半闭环或全闭环方式。双位置反馈功能是一种比较灵活的误差修正方式，在系统调试过程中有很好的参数优化和保证系统稳定性的功能。

4.2.6 采用机械反馈功能

在保证半闭环稳定性后，使用全闭环系统来调整系统有关参数。如果是因机械环节引起的弹性振荡故障，需采用机械反馈环节来调整参数，可达到很好的效果。电机与工作台之间的弹性机械装置可能产生变形，而位置检测主要来自位置编码器，速度反馈直接来自电机编码器。从整个全闭环过程来看，因机械弹性装置的形变产生全闭环中位置反馈滞后于其他速度环节，进而引起系统振荡。

如果加入机械速度反馈环节，使机械速度滞后得到补偿，从而达到消除振荡的效果。

5 总结

以上主要讨论了几种消除数控系统振荡故障的基本方法，根据不同系统可选择不同的方式进行参数优化。关键是要分析引起振荡的原因，采取相应的消除方式进行调整，不可以盲目进行参数修改，以免影响到整个系统的稳定性与可靠性。

6 结束语

在整个机床的改造过程中涉及到了许多测试、调试的问题，在硬件设备安装好后又要进行许多调试工作，才能使所改造的设备处于最佳的工作状态。对于各种不同的数控系统需要采用不同的诊断方法，根据数控系统的特点制订有效的故障排除措施，提高生产运行能力，保证加工效率。对于普通机床，特别是大、中型关键设备进行数控改造，可有效地提高原机床的加工精度和效率，拓展原机床的功能，延长原机床的生命周期，增强企业在市场的竞争力。

［1］孙志永，赵砚江.数控与电控技术［M］.北京：机械工业出版社，2002.

TG54

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.02.018

2095－6835（2020）02－0059－03

孙润喜（1968—），男，陕西岐山人，大专，工程师，主要从事电子电气新技术研发设计、工业自动化设计调试及智能化控制系统应用等工作。

〔编辑：张思楠〕