0 引言

　　由步進電機驅動的數控機床,因其價格低廉,通常稱為經濟型數控機床。這類機床的進給驅動系統基本上采用開環控制。開環控制具有價格低廉、技術成熟、穩定性好等優點,但它存在一個致命的缺點,即控制精度低。影響開環系統控制精度的因素有兩個,一是機械部件的傳動誤差,二是步進電機的失步(丟步和越步) 誤差。開環系統的固定量間隙補償,對于克服彈性變形以及機械傳動部件的間隙效果不大;至于步進電機的失步誤差,純屬一種隨機誤差,開環系統根本無法補償。步進電機失步的結果,將導致數控機床的工作臺不能返回起始點,保證不了零件的加工精度,甚至有可能引發事故。所以,為了實現高的伺服精度,必須采用閉環控制。

　　由于步進電機的數學模型比較復雜,而由步進電機拖動的伺服系統的數學模型更加復雜,因此,若是采用全閉環控制技術來控制步進系統,困難可能比較大,閉環的算法軟件很難編制。為此,本文提出了一種新型的步進電機閉環控制技術位置準閉環控制。

1 準閉環控制的原理

　　普通機床的準閉環控制原理，它的實現是在常規的開環系統中加上直線光柵作為線位移檢測元件,以機床工作臺的實際位移量作為反饋信號,采用以軟件實現的數字調節門來控制機床的進給運動。

　　我們知道,帶有調節器的閉環控制在系統超調時,需要作反向運動以消除偏差,從而有可能引起系統的振蕩,導致控制不穩。但是,對于機床的切削加工,超調是不允許的,一旦產生超調,工件已被切削,就有可能報廢。解決系統超調有兩條途徑,一是采用適當的數字調節并選擇合適的調節參數;另一是在切削進給快結束時,采用適當的降頻處理,使工作臺以較低的速度趨向指定的位置。后者簡單易行、穩定性好、成本低、實現容易,且在快速性方面與前者相比也差不了多少。因為步進電機轉子的轉動慣量小,啟、停時間短,電機在步進信號輸入幾毫秒后就能轉動甚至達到同步速度,一旦信號切斷,電機立即停轉。考慮到普通機床,特別是一些舊機床,本身精度不高,導軌由于不均勻磨損,造成在整個工作長度上的反向間隙很不一致,如圖2 所示。若用常規的數字調節器來控制,很難確定調節參數,即使暫時確定下來,經過一段時間的切削加工,機械傳動一旦有松動,參數也會改變。因此,本文提出的準閉環控制不用常規的數字調節器,而用一種特殊形式的數字調節器數字調節門。

　　數字調節門實際上是PID 數字調節器的一種變形,它不含積分環節,也不含微分環節,只含比例環節,且比例系數取1。其工作原理如下:當指令脈沖數減去反饋脈沖數大于零時,數字調節門打開,系統進行反饋控制;當指令脈沖數減去反饋脈沖數小于或等于(為判終步數) 時,數字調節門關閉,反饋控制結束。判終步數根據實驗決定( = 0 ,1 或2)。

　　實踐表明,采用數字調節門實現的閉環控制,既可獲得較高的伺服精度又可獲得良好的穩定性。數字調節門在系統超調時不作反向運動處理,控制軟件一方面通過適當的降頻,選擇合適的判終步數 ,使系統盡量不超調;另一方面,一旦出現超調誤差,系統便將該誤差記憶,并在下一程序段予以消除,避免了誤差的累積。

2 準閉環控制在普通車床中的應用

　　采用上述的準閉環控制技術,在普通車床上建立了一種新型的準閉環控制系統。它基于MCS-51系列的AT89C52 單片機,擴展了一片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 作為計數器。X、Z 向直線光柵的A、B 相信號(相位差為90°) ,分別送到兩個四倍頻接口電路進行四細分和辨向,由兩路四倍頻接口輸出的正、負向脈沖,再送到8253 計數器的CLK0、CLK1、CLK2 以及CPU 的計數器T0 ,從而形成準閉環控制。

3 實驗分析

　　在一臺經過數控改造的CM6132普通車床上,使用上述的準閉環控制系統(縱、橫向進給脈沖當量分別為0.01mm 和0.005mm) ,進行了以下實驗。

　　3.1 　拖板反向間隙的測定

　　圖2示出了這臺車床縱、橫方向拖板在200mm行程范圍內的反向間隙。在圖2 中,水平坐標表示拖板的位移(mm) ,垂直坐標表示拖板的反向間隙(脈沖數) 。粗實線表示Z向拖板的間隙,細實線表示X向拖板的間隙。可以看出,不管是縱向拖板還是橫向拖板,它們的反向間隙在導軌的全程上均是隨機分布的。因此,開環系統即使具有固定量間隙補償的功能,它也無法克服隨機分布的間隙。

　　3.2 定位精度測定

　　表1為橫向拖板從同一點出發到達不同位置的定位精度。開環系統的定位精度不高,最大定位誤差是0.05mm,而閉環系統的定位誤差則穩定地控制在0.005mm(即一個脈沖當量) 之內。不同進給速度的定位精度實驗表明,進給速度對定位精度影響甚小,這一點由軟件中適當的降頻處理來保證。

　　3.3 重復定位精度測定

　表2為橫向拖板從同一點出發在不同位置的重復定位精度。從表2 可以看出,雖然開環系統的重復定位精度在某一點因采用固定量間隙補償而達到改善 ,但位移不同,重復定位精度也不同,這是由于導軌全長上的不均勻間隙造成的。而閉環系統的重復定位精度總是控制在0.005mm以內。

　　3. 4 人為失步實驗

　　在拖板移動過程中,對刀架施力,強迫步進電機失步。實驗結果表明,開環系統對此失步無能為力,而閉環系統則能補償此誤差。

　　3. 5 車削結果

　　通過對不同形狀零件的加工,包括內、外圓柱面,端面、溝槽、任意錐面、球面以及各種螺紋的切削,實踐表明,采用上述閉環系統時,加工誤差均能控制在一個脈沖當量之內,這對經濟型數控車床來說是相當理想的。

　　圖4 示出了一個典型零件,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 把刀尖的相對位置由自動對刀裝置在2 分鐘之內對好。毛坯為一根< 44 的40Cr 棒料,切削時間為2分32 秒。圖4 中,括號內的數字為圖紙標注尺寸,沒加括號的數字為切削后的實測尺寸。從圖中可以看出,該零件的尺寸精度均沒有超出0. 005mm。

4 結束語

　　本文提出的步進電機的位置準閉環控制技術已經成功地應用在多種經濟型數控系統上。大量的應用實踐表明,采用準閉環控制的數控機床具有較高的控制精度和良好的穩定性,并具有較高的性能價格比。準閉環控制能夠有效地克服機械部件的傳動誤差與步進電機的失步誤差,使得數控機床的控制精度達到一個脈沖當量。這種控制方式解決了目前經濟型CNC 機床控制精度普遍低的問題,具有一定的推廣和使用價值。