周杰

摘 要：數(shù)控機(jī)床倍率是數(shù)控機(jī)床操作面板信號(hào)處理的重要內(nèi)容之一，機(jī)床面板上有進(jìn)給倍率開(kāi)關(guān)、主軸倍率開(kāi)關(guān)、快速進(jìn)給倍率開(kāi)關(guān)。本文主要以數(shù)控機(jī)床手動(dòng)進(jìn)給倍率為例，詳細(xì)講解進(jìn)給倍率快捷分析方法，以供廣大學(xué)者和讀者朋友參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床;手動(dòng)進(jìn)給倍率;快捷分析方法

引言：CNCs的關(guān)鍵任務(wù)是在程序執(zhí)行期間生成驅(qū)動(dòng)機(jī)床各物理軸的設(shè)定點(diǎn)的時(shí)間序列。在這個(gè)軌跡上，刀具的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)速度必須滿足所需的運(yùn)動(dòng)速度和速度。本文提出了一種數(shù)控系統(tǒng)的核心算法，該算法通過(guò)求解最優(yōu)控制問(wèn)題來(lái)解決軸的插補(bǔ)問(wèn)題。與文獻(xiàn)中提出的其他解決方案相比，本文提出的方法采用了一種原始的方法，即假設(shè)在上述約束條件下添加預(yù)定義的路徑跟蹤公差，并計(jì)算滿足給定約束的整個(gè)軌跡（路徑和進(jìn)給速度剖面）。將所提出的解決方案的有效性與工業(yè)級(jí)、最先進(jìn)的CNC生成的軌跡進(jìn)行了對(duì)比，證明了在軸速度剖面的效率和平滑度方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

1.機(jī)床直接進(jìn)給傳動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)方法

該方法應(yīng)用于直線電機(jī)（LM）和壓電驅(qū)動(dòng)器（PA）。每個(gè)模型的結(jié)構(gòu)由物理規(guī)律得到，其參數(shù)通過(guò)系統(tǒng)辨識(shí)得到。單傳遞函數(shù)（TF）模型可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)LM的響應(yīng)。對(duì)于PA，需要多個(gè)局部模型來(lái)精確地表示其動(dòng)力學(xué)特性。其次，針對(duì)單模型和多模型情況，提出了一種基于模型的具有抗飽和保護(hù)的二自由度控制器的設(shè)計(jì)方法。在LM算法中，增加了摩擦力補(bǔ)償、力脈動(dòng)補(bǔ)償和干擾觀測(cè)器，提高了跟蹤性能。這兩種驅(qū)動(dòng)器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果包括階躍、斜坡和正弦參考輸入。對(duì)于LM，與比例積分-微分（PID）控制器相比，1000μm階躍輸入的上升時(shí)間從25 ms減少到3.5 ms。對(duì)于功率放大器，10μm階躍的上升時(shí)間從6毫秒減少到1.5毫秒。[1]

1.1直接進(jìn)給驅(qū)動(dòng)器

為了減少切削和非切削加工時(shí)間，提高生產(chǎn)率，高速機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)要求不斷提高。這些要求包括高加速度，快速響應(yīng)和小的跟蹤誤差。滾珠絲杠進(jìn)給驅(qū)動(dòng)器以其低的第一固有頻率被動(dòng)態(tài)地驅(qū)動(dòng)，這是高速系統(tǒng)的一個(gè)主要缺點(diǎn)，在高速系統(tǒng)中，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)器必須響應(yīng)高頻率的控制信號(hào)。線性電機(jī)（LMS）是一種適用于高速進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的較好的解決方案.它們具有較高的固有頻率和比滾珠螺釘更高的剛度，因?yàn)樗鼈儾簧婕皬椥浴弘娭聞?dòng)器（PAS）在微機(jī)械加工領(lǐng)域越來(lái)越重要.PASARE能夠提供高強(qiáng)度（10 KN以上）和高強(qiáng)度。剛度（大于100 N/um），具有納米級(jí)的運(yùn)動(dòng).然而，他們受限于他們的低旅行距離。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)中存在摩擦現(xiàn)象，并影響其運(yùn)動(dòng)。雖然對(duì)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)的摩擦特性進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，但仍存在未建模動(dòng)力學(xué)和位置相關(guān)擾動(dòng)等問(wèn)題，這些問(wèn)題對(duì)摩擦識(shí)別結(jié)果有很大影響。在本研究中，為了獲得可靠的摩擦和速度數(shù)據(jù)值，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)改進(jìn)的速度控制系統(tǒng)來(lái)減少未建模動(dòng)力學(xué)的影響，并開(kāi)發(fā)了一種摩擦力提取方法來(lái)消除位置相關(guān)擾動(dòng)的不利影響。此外，在三軸數(shù)控銑床上進(jìn)行了多個(gè)實(shí)驗(yàn)和運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了本文提出的摩擦識(shí)別方法的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本研究所建立的摩擦模型進(jìn)行摩擦補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其跟蹤誤差均方根值降低44.16%。此外，與傳統(tǒng)辨識(shí)方法相比，跟蹤誤差的均方根值進(jìn)一步降低了9.52%

1.2非線性和不確定性建模

在LMS和PAS中，運(yùn)動(dòng)質(zhì)量與執(zhí)行器之間的直接接觸使得系統(tǒng)中的擾動(dòng)對(duì)定位精度有較大的影響。理解這些干擾是為直接驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)一個(gè)魯棒控制器的關(guān)鍵。在LMS中使用武力可以影響精度，在控制器設(shè)計(jì)中必須進(jìn)行補(bǔ)償。在由反饋和前饋分量和力波補(bǔ)償組成的林耳同步電動(dòng)機(jī)控制器上，其跟蹤誤差提高了75%。LM驅(qū)動(dòng)器的一些缺點(diǎn)，如直接驅(qū)動(dòng)對(duì)負(fù)載擾動(dòng)的敏感性增加，以及對(duì)控制器的高度依賴性，發(fā)現(xiàn)負(fù)載擾動(dòng)可能是由于工件質(zhì)量的變化、工作位置的變化而引起的。[2]

2.探討數(shù)控機(jī)床手動(dòng)進(jìn)給倍率快捷分析方法

如果加工系統(tǒng)（即機(jī)床、切削過(guò)程及其相互作用）的子系統(tǒng)（如進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和主軸單元）的磨損導(dǎo)致性能下降，則無(wú)法生產(chǎn)出精確的零件。適當(dāng)?shù)木S護(hù)措施可延遲可能的劣化，并盡量減少/避免導(dǎo)致生產(chǎn)率降低和生產(chǎn)成本提高的加工系統(tǒng)停工時(shí)間。此外，由于敏捷生產(chǎn)的引入，對(duì)產(chǎn)品精度要求的提高以及客戶對(duì)質(zhì)量保證的要求，機(jī)床狀態(tài)的測(cè)量和監(jiān)控變得越來(lái)越重要。因此，基于狀態(tài)的維修（CBM）實(shí)踐，如機(jī)床主軸部件的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)于運(yùn)營(yíng)高價(jià)值機(jī)器和部件的公司來(lái)說(shuō)，成為一種非常有吸引力但仍然具有挑戰(zhàn)性的方法。CBM用于根據(jù)機(jī)器狀況規(guī)劃維修行動(dòng)，并通過(guò)提前解決問(wèn)題和控制加工操作的精度來(lái)防止故障。通過(guò)增加這方面的知識(shí)，企業(yè)可以通過(guò)減少嚴(yán)重故障、降低庫(kù)存成本、縮短維修時(shí)間、提高制造過(guò)程的可靠性來(lái)節(jié)省資金，從而實(shí)現(xiàn)更可預(yù)測(cè)的制造。因此，機(jī)床CBM保證了在正確的時(shí)間交付正確機(jī)器的正確能力或能力的基本條件。旋轉(zhuǎn)設(shè)備（如主軸）最常見(jiàn)的問(wèn)題之一是軸承狀況（由于軸承磨損）。軸承故障可導(dǎo)致主軸嚴(yán)重?fù)p壞。振動(dòng)分析可以通過(guò)測(cè)量主軸的整體振動(dòng)或更準(zhǔn)確地說(shuō)，通過(guò)頻率分析來(lái)診斷軸承故障。數(shù)控機(jī)床的倍率是數(shù)控機(jī)床操作面板的重要內(nèi)容。[3]

在數(shù)控機(jī)床的工作中，數(shù)控機(jī)床面板上的開(kāi)關(guān)一般具有多種功能，可以確定快速或者是慢速。不管是利用哪一種速度，都需要通過(guò)傳輸信號(hào)來(lái)進(jìn)行開(kāi)關(guān)的選擇。這些開(kāi)關(guān)在運(yùn)行的過(guò)程中，由于需要編程競(jìng)技的速度，所以在調(diào)節(jié)程序的過(guò)程中一般需要控制好主軸的速度。另外，這些開(kāi)關(guān)在自動(dòng)運(yùn)行的過(guò)程中也可能發(fā)生移動(dòng)的現(xiàn)象，所以需要設(shè)置固定循環(huán)的定位和自動(dòng)參考位置的反饋。還有一些數(shù)控機(jī)床的手動(dòng)開(kāi)關(guān)需要在運(yùn)行的過(guò)程中進(jìn)行移動(dòng)，那么也需要做好速度的設(shè)置。還有一些快速移動(dòng)的信號(hào)，需要在移動(dòng)的過(guò)程中利用系統(tǒng)的方法來(lái)進(jìn)行設(shè)置。[4]

總的來(lái)說(shuō)，如果是由不同字節(jié)組成的數(shù)值，在輸出的時(shí)候就要自動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。還有在公式的印象過(guò)程中，由于這些參數(shù)的不同，可能需要根據(jù)自己的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行數(shù)值的設(shè)置。將這些不同的參數(shù)結(jié)果作為是近幾的速度輸出到每個(gè)控制軸上。比如說(shuō)在進(jìn)行編程的時(shí)候就可以將不同的狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，輸出不同的數(shù)值。另外要注意，如果將這些數(shù)值進(jìn)行輸入地址的時(shí)候，那么另一側(cè)的數(shù)值就要作為輸出的地址。還有一些地址在數(shù)值在外部供給的時(shí)候需要開(kāi)關(guān)做好調(diào)配。另外也需要開(kāi)關(guān)來(lái)控制這些數(shù)值，使得他們能夠得到不同的數(shù)字。將這些數(shù)值的關(guān)系對(duì)應(yīng)填好，用開(kāi)關(guān)控制的方法來(lái)控制調(diào)節(jié)。對(duì)應(yīng)數(shù)值的大小必須要在編寫的時(shí)候進(jìn)行，人為輸入，這些對(duì)應(yīng)的關(guān)系也是由人為來(lái)確定的。總地來(lái)說(shuō)，如果數(shù)值從一變到100的時(shí)候，那么它的輸出值則為40。[5]

結(jié)束語(yǔ)：分析手動(dòng)進(jìn)給倍率需要考慮進(jìn)給倍率的輸出信號(hào)、G地址、相關(guān)參數(shù)以及PMC編程中的使用的數(shù)值間的相互關(guān)系，在調(diào)試過(guò)程中需要仔細(xì)排查哪個(gè)環(huán)節(jié)出錯(cuò)。

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[2]吳志偉，吳雪萌.數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)新動(dòng)態(tài)的探討[J].中國(guó)金屬通報(bào)，2020，（3）：46-47.

[3]梁龍，嚴(yán)燦，曾欽， 等.礦用提升機(jī)主軸加工工藝優(yōu)化與數(shù)控機(jī)床能耗研究與探討[J].科技視界，2019，（36）：22-23，36. DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.010.

[4]李裕岳.PLC機(jī)電一體化技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用探討[J].商情，2019，（40）：183.

[5]嚴(yán)磊.數(shù)控機(jī)床操作與維修專業(yè)人才培養(yǎng)方案探討[J].百科論壇電子雜志，2019，（13）：216.

基金項(xiàng)目： 2018東莞理工學(xué)院城市學(xué)院高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)： 2018yjjg015）

（東莞理工學(xué)院城市學(xué)院 523419）