全閉環控制系統在搖籃式工作臺的應用

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摘要：YHK250搖籃式數控回轉工作臺是高端數控銑床及加工中心上第4、第5回轉軸的關鍵配套零部件，可以解決零件的復雜曲面加工和多工序加工，提高產品加工質量和效率。對于高精度的機床附件來說，精度是機械加工中的重中之重，全閉環控制系統可以很好的提高工作臺分度的定位精度和重復定位精度。此次研究主要完成了YHK250搖籃式工作臺全閉環控制系統的設計、安裝和調試，經過反復測試使得控制精度達到了工作臺的設計要求。

關鍵詞：全閉環；機床附件；高精度；YHK250

1概述

1.1YHK250搖籃式數控回轉工作臺

YHK250搖籃式數控回轉工作臺則采用了交流伺服電機驅動，雙導程精密蝸輪、蝸桿副傳動，電磁盤剎車夾緊，磁環檢測反饋，可實現全閉環控制，從而提高轉臺分度的定位精度和重復定位精度。與同類型產品相比，該工作臺具有分度精度高，可控性好，電磁剎車夾緊可靠，安裝方便等優點，改進了液壓（或氣動）剎車夾緊方式的不方便和不穩定性。該項目產品主要應用于高端五軸聯動數控加工設備之上，性價比高、高效節能，在制造行業使用價值較高，市場前景很好，競爭潛力很大。

1.2應用全閉環控制系統的意義和目的

機床的加工精度是數控機床生產中最為重要的指標，也是機床附件生產中所必須重視和保證的要素之一，現在的高端機床一般都采用64位高速度、高性能的CPU來提高基本運算能力，由于高位處理器有更高的數據吞吐能力，因而大大減小了控制的采樣周期，可是控制環路得到較高的增益，提升系統在高速進給下的插補誤差，從而有效保證了加工精度。YHK250搖籃式數控回轉工作臺緊湊的結構設計良好的保證了工作臺的剛度，為全閉環控制系統的精確控制提供了良好的必要條件。全閉環控制系統則為YHK250搖籃式數控回轉工作臺提供了更精確的控制，使工作臺的分度定位精度和重復定位精度達到設計要求。

2半閉環控制系統

2.1半閉環控制系統原理

半閉環控制系統是在開環控制系統的基礎上增加了一個輸出量的反饋，通過比較系統計算控制行為（輸出量）與期望（給定值）的偏差，并消除偏差來達到控制系統的期望值（給定值）。對于數控系統的半閉環控制系統來說，一般是在伺服電機端增加速度與位置量的檢測反饋，此反饋與數控系統中的給定值比較，得到差值、消除差值的控制系統。

2.2半閉環控制系統的應用

由于半閉環控制系統的反饋如上所述是在伺服電機端增加的反饋量，所以如果半閉環控制系統應用在YHK250搖籃式數控回轉工作臺中，搖擺渦輪和回轉渦輪的傳動誤差仍會影響工作臺的分度精度。由于半閉環控制系統結構簡單，成本低，目前應用比較廣泛。半閉環控制方式所能達到的精度、速度等性能優于開環控制，一般用于中小型機床或者加工精度不高的機床。

2.3半閉環控制系統的結構

若半閉環控制系統應用在YHK250搖籃式數控回轉工作臺中，則伺服電機端的速度反饋和位置反饋都由編碼器來實現，這種控制方式不能消除或減小機械傳動系統中所帶來的誤差，隨著當今社會的發展，機床的加工精度要求越來越高，半閉環控制系統已經滿足不了現在的需求。圖1為半閉環控制系統結構框圖

3全閉環控制系統及其在YHK250搖籃式數控回轉工作臺中的應用

3.1YHK250搖籃式數控回轉工作臺結構

如圖2所示為YHK250搖籃式數控回轉工作臺的結構，其回轉臺采用角接觸軸承和推力軸承相結合的安裝方式，對軸承預緊，可保證足夠的承載和對中心軸線的同軸度。搖擺軸采用角接觸軸承對稱布局，左右兩側預緊，底座設計為整體鑄件，穩定性好，可保證足夠的承載和對中心軸線的同軸度。傳動系統上，該工作臺采用高精度雙導程蝸輪蝸桿副傳動，可沿蝸桿軸向調整傳動間隙，消除傳動誤差，從機械上提高了傳動精度，保證了工作臺的剛性。

3.2全閉環控制系統的實現

3.2.1位置檢測的全閉環控制由于半閉環控制系統已不能滿足現代高精度機床的需求，為了獲得更高的控制精度，在YHK250搖籃式數控回轉工作臺的回轉軸和搖擺軸增加高精度的檢測裝置如磁環式傳感器來實現全閉環控制。YHK250搖籃式數控回轉工作臺磁環測量位置反饋全閉環控制結構框圖如圖3所示。圖3中：伺服驅動器與伺服電機通過編碼器的速度反饋來實現閉環控制，通過數控系統調節工作臺轉速。磁環作為位移量反饋的檢測原件，用來測量工作臺回轉軸和搖擺軸的轉動角度，同時將其轉換成數控系統可分析的正弦波信號。其測量輸出的正弦波信號，具有檢測范圍寬，精度高，穩定可靠，使用壽命高的特點。而且正弦波信號控制方式使工作臺運行更平穩，輸出效率更好，實時反饋各軸旋轉誤差，使數控系統對工作臺進行誤差跟蹤補償，從而保證工作臺回轉軸和搖擺軸具有很好的動態響應和定位精度。全閉環控制系統可以提高系統控制的精度和效率，直接安裝在回轉軸和搖擺軸的磁環檢測工作臺位置變化形成反饋，使數控系統得到工作臺的位置反饋從而進行修正；伺服電機上的編碼器只檢測工作臺速度，反饋到數控系統后做速度修正。這樣的控制系統就可以消除機械傳動鏈路中的各種誤差，達到工作臺所設計的精度要求。3.2.2位置檢測與測量磁環是磁性旋轉編碼器的簡稱，磁性旋轉編碼器有三個主要組件：磁盤，傳感器和調節電路。磁盤已磁化，其圓周上有許多磁極。由于位移量是矢量，傳感器檢測磁盤旋轉時磁場的變化，并將此信息轉換為正弦波；傳感器可以是感應電壓變化的霍爾效應器件，也可以是感應磁場變化的磁阻器件，通過傳感器傳遞出來的正弦波信號的幅值大小可以反推出磁環旋轉的角度進而得到工作臺的位移量，正弦波信號的相位差可以判斷出工作臺的旋轉方向，調節電路對信號進行倍增，分頻或內插以產生所需的輸出，從而完成工作臺位置的測量。磁性編碼器的最大優勢是其堅固性，磁性編碼器對灰塵，污垢，液體和油脂等污染物以及震動和振動不敏感。與光學編碼器類似，磁性編碼器確實需要在磁盤和傳感器之間留有氣隙，但是，磁性編碼器中的氣隙不需要像光學編碼器那樣清潔和透明。只要在磁盤和傳感器之間不存在任何含鐵材料，就會檢測到電磁脈沖。同時，磁性編碼器還有結構簡單緊湊，易于小型化，安裝調試簡單，轉速高，響應速度快等優點，現已大量應用于我過高端機床的檢測環節中。3.2.3數控系統參數設置要想實現高精度加工，必須對數控系統機床運行參數進行必要的設置，才能發揮出全閉環控制系統的控制性能：如基本參數，軸控制/設定相關參數，進給速度相關參數，伺服控制相關參數，硬件相關參數，螺補/間補相關參數，螺距誤差補償相關參數等各種參數。工作臺各種間隙、誤差的測量是通過激光干涉儀精密測量得到的，將數據輸入數控系統，數控系統就可以根據全閉環控制系統實時追蹤補償誤差，使工作臺達到設計要求精度，不同的數控系統參數略有區別，以實際使用的數控系統為準。

4總結

本文研究了全閉環控制系統在YHK250搖籃式工作臺中的應用，從實際效果可以看出，工作臺的位置反饋由直接安裝在回轉軸和搖擺軸上的磁環來完成，中間沒有多余的機械傳動部件，可以使數控系統可以很好的消除回轉渦輪、搖擺渦輪的傳動誤差。只需要合理選擇磁環，保證磁盤與傳感器之間間隙中沒有磁性物質，就可以保證反饋信號的準確，達到設計的分度精度，從而滿足工作臺設計要求。其應用對機床附件的設計與開發提供了很好的實際應用案例，對設計者設計開發起到了一定的積極推動作用。

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作者：張大麟 金朝鮮 單位：陜西省機械研究院