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        雙閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能研究

        2013-10-20 10:37:22何家遠(yuǎn)趙孟李亮何寧
        機(jī)械制造與自動(dòng)化 2013年6期
        關(guān)鍵詞:安川伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)角

        何家遠(yuǎn),趙孟,李亮,何寧

        南京航空航天大學(xué),江蘇南京210016

        0 引言

        數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代制造的關(guān)鍵技術(shù)之一,影響數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)是機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng),因?yàn)樗苯訋?dòng)執(zhí)行部件在工件表面形成加工軌跡。

        目前廣泛使用的數(shù)控機(jī)床通常采用閉環(huán)控制,根據(jù)反饋檢測元件所在的位置不同可分為半閉環(huán)控制和全閉環(huán)控制[1]。在伺服電機(jī)尾部加裝旋轉(zhuǎn)編碼器檢測轉(zhuǎn)角構(gòu)成半閉環(huán)伺服系統(tǒng),在移動(dòng)部件上加裝光柵編碼器直接檢測位移構(gòu)成全閉環(huán)系統(tǒng)。對于半閉環(huán)系統(tǒng),由于沒有考慮到絲杠傳動(dòng)間隙導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)誤差,其運(yùn)動(dòng)精度不及全閉環(huán)系統(tǒng)。而對于全閉環(huán)系統(tǒng),雖然直接檢測終端位移并進(jìn)行補(bǔ)償,卻沒有考慮到伺服電動(dòng)機(jī)指令轉(zhuǎn)角與實(shí)際轉(zhuǎn)角之間的誤差,若該環(huán)節(jié)誤差始終存在,勢必要進(jìn)行長時(shí)間的誤差修正補(bǔ)償,某些場合甚至不會(huì)有明顯的補(bǔ)償效果。

        為了克服數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)存在的上述問題,出現(xiàn)了針對角位移誤差及線位移誤差進(jìn)行雙重補(bǔ)償?shù)碾p閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng),但目前對該系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的研究尚不深入。本文以課題組微銑削數(shù)控機(jī)床為平臺(tái),對雙閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了研究。

        1 雙閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)構(gòu)建

        1.1 微銑削數(shù)控機(jī)床構(gòu)建

        課題組自行搭建的微銑削數(shù)控機(jī)床試驗(yàn)平臺(tái),采用龍門式三坐標(biāo)結(jié)構(gòu)布局,床身為高隔振性花崗巖材料,本體尺寸800 mm×800 mm×750 mm。以泰道公司的IMAC 400多軸運(yùn)動(dòng)控制器為控制核心,x、y軸采用Parker公司的406LXR系列直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),兩方向配備Renishaw光柵尺,分辨率為0.1 μm。z軸采用安川伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠傳動(dòng),機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速100 000 r/min。微銑削機(jī)床整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 微銑削數(shù)控機(jī)床實(shí)物圖

        1.2 雙閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)

        微銑削數(shù)控機(jī)床的z軸進(jìn)給伺服系統(tǒng),其運(yùn)動(dòng)部件由美國PARKER公司生產(chǎn)的行程100 mm高精度滾珠絲杠定位平臺(tái)配合日本安川伺服電動(dòng)機(jī)的方法實(shí)現(xiàn),反饋檢測元件由旋轉(zhuǎn)編碼器與光柵尺構(gòu)成。其中定位平臺(tái)配裝英國Renishaw公司的分辨率為1 μm的直線光柵尺,用于檢測移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)誤差,構(gòu)成外伺服環(huán)。安川伺服電動(dòng)機(jī)配備分辨率為8192P/R的旋轉(zhuǎn)編碼器,用于檢測角位移誤差,構(gòu)成內(nèi)伺服環(huán)。進(jìn)給伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖2 雙閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)原理圖

        2 動(dòng)態(tài)性能研究

        2.1 動(dòng)態(tài)性能評價(jià)指標(biāo)選取

        對于位置伺服系統(tǒng),一般采用系統(tǒng)在單位階躍輸入信號(hào)下的時(shí)間響應(yīng)曲線來描述其動(dòng)態(tài)特性,如圖3所示。

        圖3 位置伺服系統(tǒng)常用動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)

        圖3給出了常用的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo):超調(diào)量σ、上升時(shí)間tr和穩(wěn)定時(shí)間ts。其中,超調(diào)量σ反映的是系統(tǒng)過渡過程進(jìn)行得是否平穩(wěn);上升時(shí)間tr反映了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)靈敏度和系統(tǒng)過渡過程的快速性;而調(diào)節(jié)時(shí)間ts則是衡量系統(tǒng)快速性的主要指標(biāo)[2]。

        2.2 動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化

        雙閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)要獲得良好的動(dòng)態(tài)性能,必須對內(nèi)外伺服環(huán)分別進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化,其中,轉(zhuǎn)角伺服環(huán)是整個(gè)伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好壞的基礎(chǔ),若這一環(huán)節(jié)始終存在誤差,則不論如何調(diào)節(jié)外伺服環(huán),誤差補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果都不會(huì)太理想,為此,須先保證內(nèi)伺服環(huán)伺服定位精度,在此基礎(chǔ)上對外伺服環(huán)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化。

        a)角位移伺服環(huán)動(dòng)態(tài)特性

        轉(zhuǎn)角伺服環(huán)由安川伺服驅(qū)動(dòng)器,安川伺服電動(dòng)機(jī),及旋轉(zhuǎn)編碼器組成,其具體型號(hào)如表1。

        表1 z軸轉(zhuǎn)角伺服環(huán)硬件構(gòu)成

        對轉(zhuǎn)角伺服環(huán)的動(dòng)態(tài)性能調(diào)整主要在驅(qū)動(dòng)器上進(jìn)行。安川伺服驅(qū)動(dòng)器提供了多個(gè)可供用戶設(shè)定的伺服增益參數(shù)。通過調(diào)整參數(shù)可改善電動(dòng)機(jī)的響應(yīng)性能。伺服增益主要包括速度環(huán)增益、位置環(huán)增益、摩擦補(bǔ)償系數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比等,且這些參數(shù)彼此之間相互影響,在設(shè)定時(shí)必須考慮到各個(gè)參數(shù)設(shè)定值之間的平衡。

        安川伺服驅(qū)動(dòng)器提供了四種對伺服增益參數(shù)進(jìn)行調(diào)整的方法,免調(diào)整功能,高級(jí)自動(dòng)調(diào)諧功能,指令輸入型高級(jí)自動(dòng)調(diào)諧功能,單參數(shù)調(diào)諧功能[3]。當(dāng)啟用免調(diào)整功能后,無論機(jī)械種類及負(fù)載波動(dòng)如何,驅(qū)動(dòng)器都會(huì)自動(dòng)調(diào)整增益參數(shù)以獲得穩(wěn)定響應(yīng)??紤]到單參數(shù)調(diào)諧需要對各伺服增益參數(shù)逐一進(jìn)行調(diào)整,過程十分耗時(shí),故對轉(zhuǎn)角伺服環(huán)參數(shù)采用免調(diào)整功能,設(shè)置驅(qū)動(dòng)器相關(guān)變量Pn170=2001啟用免調(diào)整。

        b)線位移伺服環(huán)動(dòng)態(tài)特性

        線位移伺服環(huán)由IMAC 400控制器,滾珠絲杠移動(dòng)部件及貼于移動(dòng)部件側(cè)面的雷尼紹光柵尺構(gòu)成。IMAC 400控制的軸輸出AMP通道輸出指令位置,光柵尺反饋位置數(shù)據(jù)通過IMAC 400的ENC通道引入控制卡,控制器內(nèi)部的伺服環(huán)進(jìn)行運(yùn)算并輸出下一次的指令位置。對線位移伺服環(huán)的調(diào)整主要在IMAC控制器上進(jìn)行。

        泰道公司提供的伺服環(huán)參數(shù)調(diào)整軟件PMAC-TuningPro可以很方便地對伺服環(huán)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,其內(nèi)置的伺服控制模型為PID+前饋復(fù)合控制,通過對比例增益Kp,微分增益Kd,積分增益Ki,及速度前饋Kvff,加速度前饋Kaff等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整可得到動(dòng)態(tài)性能響應(yīng)曲線。圖4為采用伺服參數(shù)為Kp=1200,Kd=600,Ki=40 000,Kvff=600 時(shí)的響應(yīng)曲線,此時(shí)得到的動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)上升時(shí)間tr為0.002 s,超調(diào)量σ為19.3%,穩(wěn)定時(shí)間ts為0.165 s,經(jīng)調(diào)整后,得到合適伺服參數(shù)組合Kp=2000,Kd=950,Ki=30000,Kvff=850,此時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)tr為0.001 s,超調(diào)量 σ 為4.3%,穩(wěn)定時(shí)間ts為0.008 s,響應(yīng)曲線如圖5所示。

        圖4 調(diào)整前的線位移伺服環(huán)響應(yīng)曲線

        圖5 調(diào)整后的線位移伺服環(huán)響應(yīng)曲線

        3 結(jié)語

        雙閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)對傳動(dòng)環(huán)節(jié)各部分的誤差進(jìn)行了補(bǔ)償,但由于其反饋環(huán)節(jié)也相對復(fù)雜,對伺服環(huán)的調(diào)整也提出了更高的要求,本文采用了對內(nèi)外環(huán)分別進(jìn)行調(diào)整的方法,抑制了直接調(diào)整線位移伺服環(huán)時(shí)轉(zhuǎn)角伺服環(huán)誤差的影響,對雙閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)化及跟蹤精度的提高有積極意義。

        [1]楊有君.數(shù)字控制技術(shù)與數(shù)控機(jī)床[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999.

        [2]王積偉.控制理論與控制工程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

        [3]安川∑-Ⅴ系列AC伺服驅(qū)動(dòng)器用戶手冊.

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