張若青,史喆瓊

(北方工業(yè)大學機電工程學院，北京 100144)

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變寬度圓盤剪切機控制方案的實驗研究

張若青,史喆瓊

(北方工業(yè)大學機電工程學院，北京 100144)

以變寬度圓盤剪切機的滾珠絲杠副帶動的平動機構以及蝸輪蝸桿副帶動的轉動機構為研究對象，在LabVIEW軟件平臺上構建了驅動兩類執(zhí)行機構伺服電機的開環(huán)、半閉環(huán)及全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)，分析了3種不同控制方式下系統(tǒng)的定位精度和過渡過程特性，得出當高精度電機配合高精度的傳動機構時，采用半閉環(huán)控制加傳動精度補償?shù)姆绞?，可以實現(xiàn)高精度控制的結論，為剪切機實現(xiàn)復雜軌跡運動時控制方案的選擇提供依據(jù)。

開環(huán)控制；半閉環(huán)控制；全閉環(huán)控制；變寬度圓盤剪切機；伺服電機；運動控制

0 引言

近年來，我國工業(yè)技術進入了高速發(fā)展階段，對產品的制造精度、可靠性、強度、剛度等也提出了更高的要求，其中制造精度是國家的制造水平最主要的衡量因素[1-2]。對于制造設備而言，傳統(tǒng)的控制理論認為，開環(huán)控制系統(tǒng)雖然結構簡單、成本較低，但控制精度較低，主要用于精度不太高的經濟型機床；閉環(huán)控制系統(tǒng)的定位精度高，但對于慣性較大的工作臺，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不易控制，被廣泛應用于各種中高檔數(shù)控機床[3-5]。

但是近年來，隨著伺服電機控制技術的不斷進步，使得控制精度不斷提高，開環(huán)控制系統(tǒng)的應用也越來越多，例如HP公司的數(shù)控繪圖機、德國和英國的線切割機床、丹麥MAPE公司的高精度印制板數(shù)控鉆床等都采用開環(huán)控制，它們的精度、工作效率和可靠性都不比閉環(huán)系統(tǒng)的差，特別是系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性和可維護性都要比閉環(huán)系統(tǒng)要好，而且價格便宜。

北方工業(yè)大學的冷彎研究團隊研發(fā)的變寬度圓盤剪切機，實現(xiàn)了變寬度板材的加工。剪切加工是冷彎成型的第一道工序，剪切板材的尺寸精度對后序工序產品的精度有重要影響。為實現(xiàn)復雜軌跡的剪切，對剪刀盤運動過程中的位置精度和速度響應均提出了較高的要求。合理選擇剪刀盤的控制方式，是實現(xiàn)高精度剪切的重要前提。

本文采用實驗研究的方法，以變寬度圓盤剪切機為實驗對象，利用虛擬儀器LabVIEW軟件平臺，采用不同控制方案，分析各個控制方案下系統(tǒng)的位置控制精度與過渡過程特性，進而確定圓盤剪切機的控制方案。

1 變寬度圓盤剪切機

1.1 機械結構

本文設計的三自由度變寬度圓盤剪切機結構如圖1所示。為實現(xiàn)變寬度剪切，剪刀盤不僅需要在X方向上的平動，還需要Z方向的轉動以及配合剪刀盤回轉半徑調整的Y方向的平動。

圖1 變寬度圓盤剪切機結構簡圖

如圖1所示，剪刀盤X、Y方向的平動由伺服電機配合滾珠絲杠實現(xiàn)，Z方向采用伺服電機配合蝸輪蝸桿機構實現(xiàn)運動方向的轉變與減速，整個系統(tǒng)通過對5個伺服電機的協(xié)調控制，實現(xiàn)任意軌跡的剪切[6-7]。

1.2 控制系統(tǒng)構成

剪刀盤系統(tǒng)采用NI運動控制器，在LabVIEW軟件平臺上實現(xiàn)對5個伺服電機的控制。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 圓盤剪控制原理圖

計算機發(fā)出的控制信號經運動控制器發(fā)送至伺服驅動器，從而控制電機的轉動。電機的轉動經減速器后通過滾珠絲杠副或蝸輪蝸桿機構控制執(zhí)行對象的平動或轉動。當將電機的位置信號反饋至輸入端構成偏差控制信號，則稱為半閉環(huán)控制；控制對象的位置信號反饋至輸入端則稱為全閉環(huán)控制；若不反饋任何信號至輸入端，則為開環(huán)控制。若僅以控制對象參數(shù)是否反饋至控制端來判斷系統(tǒng)是否為閉環(huán)控制，半閉環(huán)也可以視為開環(huán)控制。

理論上，開環(huán)控制系統(tǒng)的精度取決于電機伺服驅動器至電機的控制精度以及傳動機構的傳動精度；由于將電機自身的編碼器信號反饋至控制信號輸入端，提高了電機控制精度，使得傳動機構的精度成為影響半閉環(huán)控制精度的重要因素；當將控制對象的位置信號饋送至輸入端時，電機控制誤差以及傳動機構的傳動誤差都將被消除，從而使整個系統(tǒng)的控制精度得到提高。值得注意的是，實現(xiàn)高精度全閉環(huán)控制的前提是反饋傳感器具有高于電機及傳動機構的精度，而這點常被忽略。

實際上，隨著電機控制技術的不斷發(fā)展，在電機伺服驅動器內部引入了電流與速度反饋等環(huán)節(jié)，極大地提高了電機的控制精度，使得電機自身精度已符合大多數(shù)工況要求，控制精度的很多問題是出在機械部件的加工工藝及傳動機構的精度上?，F(xiàn)代機械加工和測量技術的進步，不僅使控制系統(tǒng)中的機械部件性能大為提高，價格也能被一般用戶接受。當開環(huán)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)配以高精度的機械傳動部件時，能夠使系統(tǒng)誤差足夠小，可以和閉環(huán)控制系統(tǒng)相當。

2 實驗設計

2.1 實驗系統(tǒng)構成

本系統(tǒng)采用高精度、高效率自帶13位的增量型編碼器的伺服電機SGMAH驅動被控對象，采用分辨率為1 μm的高精度光柵尺測量平動機構的位移，采用分辨率為2 000 P/R的高精度增量式旋轉編碼器測量轉動機構的轉角，實現(xiàn)了高精度的控制及測量。

此外，本系統(tǒng)以基于“圖形”化的編程語言NI LabVIEW為開發(fā)平臺，利用其簡潔的圖形化編程環(huán)境和強大的數(shù)據(jù)處理功能將開發(fā)者的思路清晰呈現(xiàn)，不僅簡化了編程，縮短了開發(fā)周期，更使得整個程序易操作、易擴展、易維護。

2.2 實驗程序設計

為分析剪切機中的2種傳動機構，采用3種控制方案，需要在傳動機構上完成多點測試，因此考慮在滾珠絲杠副與蝸輪蝸桿副上采用等步長取點，可以同時完成有效行程上的傳動精度測試。

具體測試方法為：被控對象按i倍步長為設定步長正向進給，到達設定終點后再以2i倍設定步長反向運行，到達行程終點后返回初始點并回零；被控對象再以i+1倍步長重復以上運動，如此循環(huán)往復。運動過程中采集、記錄位移傳感器測量數(shù)據(jù)，程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

以上測試中，控制方式分別采用開環(huán)、半閉環(huán)、全閉環(huán)。若以5 mm為步長，40 mm有效行程內共有8個測試點，實測軌跡如圖4所示。

圖4 實測軌跡圖

程序前面板如圖5所示。后臺程序框圖如圖6所示。

3 實驗結果分析

將實驗所測數(shù)據(jù)導入matlab中，分析開環(huán)、半閉環(huán)、全閉環(huán)控制方式下系統(tǒng)的定位精度和過渡過程的特性，并給出傳動機構的傳動精度。

3.1 傳動精度分析

3.1.1 平動機構

按照圖3設計實驗過程，每種控制方式的實驗重復3次，將所測數(shù)據(jù)求平均值并求定位誤差(設定值與定位值之差)，得到表1，將表1數(shù)據(jù)繪制成圖，得誤差分布圖7。

由圖7可以看出，開環(huán)控制方式定位誤差最大，全閉環(huán)控制方式誤差最小，即采用全閉環(huán)控制方式，無需考慮系統(tǒng)的傳動精度，就可以基本上消除定位誤差。由前面分析可以知道，開環(huán)控制方式的誤差包含了電機位置控制誤差與滾珠絲杠副的傳動誤差，半閉環(huán)控制則由于基本上消除了電機控制誤差，使得其誤差以滾珠絲杠副傳動誤差為主。由圖7可以看出，誤差隨機性較強，基本上分布在-0.001 8 mm附近。

圖5 程序前面板

圖6 后臺程序框圖

表1 3種控制方式下平動機構的定位誤差 mm

圖7 3種控制方式下平動機構定位誤差分布圖

3.1.2 轉動機構

按照前述實驗方法，測得蝸輪蝸桿轉動機構在3種控制方式下的定位誤差分布,如圖8所示。

圖8 3種控制方式下轉動機構定位誤差分布圖

由圖8可以看出，仍然是全閉環(huán)控制方式定位精度最高，均值為0.007 6°。電機定位誤差與傳動誤差相比較小，即開環(huán)與半閉環(huán)控制的定位誤差主要為傳動機構的傳動誤差，且誤差隨著位置變化線性增加，表明該傳動機構存在累積性誤差，經計算比例系數(shù)約為0.06，即運動1°產生誤差0.06°。將該補償量引入半閉環(huán)控制，可以將控制精度大大提高。

3.2 過渡過程特性分析

分別采用開環(huán)、半閉環(huán)和全閉環(huán)3種控制方式控制被控對象以20 mm為單位往復運行一個方波周期，得到滾珠絲杠副與蝸輪蝸桿副的過渡過程響應特性如圖9、圖10所示。

從圖中可以看出，2種傳動機構的開環(huán)和半閉環(huán)過渡過程都具有良好的快速性和平穩(wěn)性，而全閉環(huán)控制因為PID參數(shù)的調整需要大量的時間和實驗，很難得到合理的參數(shù)，獲得理想的過渡過程特性，對于有速度特殊要求的控制場合會產生一定影響。

(a)平動過渡過程特性整體圖

(b)平動過渡過程特性局部圖圖9 平動機構過渡過程特性

(a)轉動過渡過程特性整體圖

(b)轉動過渡過程特性局部圖圖10 轉動機構過渡過程特性

由實驗結果可知，采用全閉環(huán)控制方式，基本上可以不考慮系統(tǒng)的傳動誤差，就可以使系統(tǒng)具有較高的定位精度，若對響應速度和平穩(wěn)性沒有特殊要求，或者簡單閉環(huán)的場合，可以選擇全閉環(huán)控制方式；開環(huán)和半閉環(huán)控制方式定位精度依賴于電機的控制精度與機械傳動系統(tǒng)的精度。若電機控制精度足夠高，則采用半閉環(huán)控制加傳動精度補償?shù)目刂品绞骄湍軌驖M足一般加工精度的要求，響應速度快且平穩(wěn)。

由圓盤剪切機剪切過程分析可知，當剪刀盤與板材邊緣保持相切時，剪切才能夠順利進行。因此實際控制時，既要保證剪刀盤移動速度、板材送料速度與剪切邊緣曲率的匹配關系，又要控制剪刀盤轉角以保證與剪切板材垂直相切[8]，半閉控制系統(tǒng)具有的響應速度快、平穩(wěn)性好、控制程序簡單的特點，是剪刀盤控制方式的較好選擇。同時，將實驗時得到的傳動精度引入半閉環(huán)控制補償中，可以明顯提高控制精度。

4 結論

數(shù)控加工設備控制方式的選擇對設備成本以及加工精度有重要影響。隨著伺服電機控制技術以及機械傳動部件精度的不斷提高，傳統(tǒng)的閉環(huán)控制概念也不斷受到挑戰(zhàn)。本文采用實驗研究的方法，對常用加工設備中2類伺服電機連接的傳動機構進行3種控制方式下的定位精度分析。當高精度電機配合高精度的傳動機構，采用半閉環(huán)控制加傳動精度補償?shù)姆绞?，可以實現(xiàn)高精度的控制。這樣既可以簡化系統(tǒng)結構、降低系統(tǒng)成本、減小維修難度，還可以實現(xiàn)復雜軌跡控制，這一結論不僅為變寬度圓盤剪切機控制方式的選擇提供了依據(jù)，解釋了近年來開環(huán)以及半閉環(huán)控制系統(tǒng)的應用廣泛的原因，對一般的數(shù)控加工系統(tǒng)控制方式的選擇也具有一定的意義。

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Experimental Study of Flexible Slitting Machine Control Scheme

ZHANG Ruo-qing, SHI Zhe-qiong

(College of Electromechanical Engineering of North China University of Technology, Beijing 100144, China)

Two kinds of transmission mechanism of the flexible slitting machine were used to construct position control systems of open-loop, semi-closed loop and closed-loop under the Labview platform. The mechanisms of translational ball screws and rotating worm and gear were all driven by servo motors. After analyzing the positioning accuracy and the transient characteristics of the three control systems based on a large amount of experiment data, the conclusion that the semi-closed loop control combined with transmission deviation compensation can achieve the highest precision, when the servo motor works with high-precision transmission mechanism, thus providing experimental basis for the choice of control schemes to complete complex trajectory motion control for the flexible slitting machine.

open-loop control; semi-closed loop control; closed loop control; flexible slitting machine; servo motor; motion control

2014-11-03 收修改稿日期：2015-03-24

TH273

A

1002-1841(2015)08-0068-05

張若青(1968—)，副教授，主要研究領域為機電控制。 E-mail：zhruoq@126.com 史喆瓊(1989—)，碩士研究生，主要研究領域為機電控制。E-mail：18910135215@189.cn