«Методы устранения колебаний станков с ЧПУ»
Станки с ЧПУ играют важную роль в современном промышленном производстве. Однако проблема колебаний часто доставляет неудобства операторам и производителям. Причины колебаний станков с ЧПУ довольно сложны. Помимо множества факторов, таких как неустранимые зазоры в трансмиссии, упругая деформация и сопротивление трению в механической части, важным фактором также является влияние соответствующих параметров сервосистемы. Производители станков с ЧПУ подробно расскажут о методах устранения колебаний станков с ЧПУ.
I. Уменьшение коэффициента усиления контура положения
Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД) — это многофункциональный регулятор, играющий ключевую роль в станках с ЧПУ. Он может не только эффективно пропорционально усиливать сигналы тока и напряжения, но и устранять проблемы с запаздыванием или опережением выходного сигнала. Ошибки, связанные с колебаниями, иногда возникают из-за запаздывания или опережения выходного тока и напряжения. В этом случае ПИД-регулятор может использоваться для регулировки фазы выходного тока и напряжения.
Коэффициент усиления контура позиционирования является ключевым параметром системы управления станков с ЧПУ. При слишком высоком коэффициенте усиления контура позиционирования система становится чрезмерно чувствительной к ошибкам позиционирования и склонна к возникновению колебаний. Уменьшение коэффициента усиления контура позиционирования может снизить скорость реакции системы и, таким образом, снизить вероятность возникновения колебаний.
При регулировке коэффициента усиления контура позиционирования его необходимо разумно настроить в соответствии с конкретной моделью станка и требованиями к обработке. Как правило, коэффициент усиления контура позиционирования можно сначала уменьшить до относительно низкого уровня, а затем постепенно увеличивать, наблюдая за работой станка, пока не будет найдено оптимальное значение, обеспечивающее точность обработки и исключающее колебания.
Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД) — это многофункциональный регулятор, играющий ключевую роль в станках с ЧПУ. Он может не только эффективно пропорционально усиливать сигналы тока и напряжения, но и устранять проблемы с запаздыванием или опережением выходного сигнала. Ошибки, связанные с колебаниями, иногда возникают из-за запаздывания или опережения выходного тока и напряжения. В этом случае ПИД-регулятор может использоваться для регулировки фазы выходного тока и напряжения.
Коэффициент усиления контура позиционирования является ключевым параметром системы управления станков с ЧПУ. При слишком высоком коэффициенте усиления контура позиционирования система становится чрезмерно чувствительной к ошибкам позиционирования и склонна к возникновению колебаний. Уменьшение коэффициента усиления контура позиционирования может снизить скорость реакции системы и, таким образом, снизить вероятность возникновения колебаний.
При регулировке коэффициента усиления контура позиционирования его необходимо разумно настроить в соответствии с конкретной моделью станка и требованиями к обработке. Как правило, коэффициент усиления контура позиционирования можно сначала уменьшить до относительно низкого уровня, а затем постепенно увеличивать, наблюдая за работой станка, пока не будет найдено оптимальное значение, обеспечивающее точность обработки и исключающее колебания.
II. Настройка параметров замкнутой следящей системы
Полузамкнутая сервосистема
В некоторых сервосистемах ЧПУ используются устройства с полузамкнутым контуром регулирования. При настройке полузамкнутой сервосистемы необходимо обеспечить отсутствие колебаний в локальной полузамкнутой системе. Поскольку сервосистема с полным замкнутым контуром регулирования выполняет настройку параметров, исходя из предположения о стабильности её локальной полузамкнутой системы, методы настройки этих двух систем схожи.
Полузамкнутая сервосистема косвенно передает информацию о положении станка, определяя угол поворота или скорость двигателя. При настройке параметров необходимо учитывать следующие аспекты:
(1) Параметры контура скорости: Настройки коэффициента усиления контура скорости и постоянной времени интегрирования оказывают большое влияние на устойчивость и скорость отклика системы. Слишком большое значение коэффициента усиления контура скорости приведёт к слишком быстрому отклику системы и может привести к генерации колебаний; в то время как слишком большое значение постоянной времени интегрирования замедлит отклик системы и повлияет на эффективность обработки.
(2) Параметры контура позиционирования: Регулировка коэффициента усиления контура позиционирования и параметров фильтра может повысить точность позиционирования и стабильность системы. Слишком высокий коэффициент усиления контура позиционирования вызовет колебания, а фильтр может отфильтровать высокочастотный шум в сигнале обратной связи и повысить стабильность системы.
Полностью замкнутая сервосистема
Полностью замкнутая сервосистема обеспечивает точное позиционирование, напрямую определяя фактическое положение станка. При настройке полностью замкнутой сервосистемы необходимо тщательно подбирать параметры для обеспечения стабильности и точности работы системы.
Настройка параметров замкнутой сервосистемы в основном включает следующие аспекты:
(1) Коэффициент усиления контура позиционирования: Как и в полузамкнутой системе, слишком высокий коэффициент усиления контура позиционирования приведёт к колебаниям. Однако, поскольку система с полным замкнутым контуром точнее обнаруживает ошибки позиционирования, коэффициент усиления контура позиционирования можно установить относительно высоким для повышения точности позиционирования системы.
(2) Параметры контура скорости: Настройки коэффициента усиления контура скорости и постоянной времени интегрирования необходимо корректировать в соответствии с динамическими характеристиками и требованиями к обработке станка. В общем случае коэффициент усиления контура скорости можно установить немного выше, чем в полузамкнутой системе, чтобы повысить скорость отклика системы.
(3) Параметры фильтра: Полностью замкнутая система более чувствительна к шуму в сигнале обратной связи, поэтому для его подавления необходимо настроить соответствующие параметры фильтра. Тип и параметры фильтра следует выбирать в соответствии с конкретным сценарием применения.
Полузамкнутая сервосистема
В некоторых сервосистемах ЧПУ используются устройства с полузамкнутым контуром регулирования. При настройке полузамкнутой сервосистемы необходимо обеспечить отсутствие колебаний в локальной полузамкнутой системе. Поскольку сервосистема с полным замкнутым контуром регулирования выполняет настройку параметров, исходя из предположения о стабильности её локальной полузамкнутой системы, методы настройки этих двух систем схожи.
Полузамкнутая сервосистема косвенно передает информацию о положении станка, определяя угол поворота или скорость двигателя. При настройке параметров необходимо учитывать следующие аспекты:
(1) Параметры контура скорости: Настройки коэффициента усиления контура скорости и постоянной времени интегрирования оказывают большое влияние на устойчивость и скорость отклика системы. Слишком большое значение коэффициента усиления контура скорости приведёт к слишком быстрому отклику системы и может привести к генерации колебаний; в то время как слишком большое значение постоянной времени интегрирования замедлит отклик системы и повлияет на эффективность обработки.
(2) Параметры контура позиционирования: Регулировка коэффициента усиления контура позиционирования и параметров фильтра может повысить точность позиционирования и стабильность системы. Слишком высокий коэффициент усиления контура позиционирования вызовет колебания, а фильтр может отфильтровать высокочастотный шум в сигнале обратной связи и повысить стабильность системы.
Полностью замкнутая сервосистема
Полностью замкнутая сервосистема обеспечивает точное позиционирование, напрямую определяя фактическое положение станка. При настройке полностью замкнутой сервосистемы необходимо тщательно подбирать параметры для обеспечения стабильности и точности работы системы.
Настройка параметров замкнутой сервосистемы в основном включает следующие аспекты:
(1) Коэффициент усиления контура позиционирования: Как и в полузамкнутой системе, слишком высокий коэффициент усиления контура позиционирования приведёт к колебаниям. Однако, поскольку система с полным замкнутым контуром точнее обнаруживает ошибки позиционирования, коэффициент усиления контура позиционирования можно установить относительно высоким для повышения точности позиционирования системы.
(2) Параметры контура скорости: Настройки коэффициента усиления контура скорости и постоянной времени интегрирования необходимо корректировать в соответствии с динамическими характеристиками и требованиями к обработке станка. В общем случае коэффициент усиления контура скорости можно установить немного выше, чем в полузамкнутой системе, чтобы повысить скорость отклика системы.
(3) Параметры фильтра: Полностью замкнутая система более чувствительна к шуму в сигнале обратной связи, поэтому для его подавления необходимо настроить соответствующие параметры фильтра. Тип и параметры фильтра следует выбирать в соответствии с конкретным сценарием применения.
III. Применение функции подавления высокочастотных помех
Выше обсуждался метод оптимизации параметров низкочастотных колебаний. Иногда система ЧПУ станков с ЧПУ генерирует сигналы обратной связи, содержащие высокочастотные гармоники, обусловленные определёнными причинами колебаний в механической части, что приводит к нестабильности выходного крутящего момента и, следовательно, к вибрации. Для таких высокочастотных колебаний в контур управления скоростью можно добавить звено фильтра нижних частот первого порядка, которое и является фильтром крутящего момента.
Фильтр крутящего момента эффективно отфильтровывает высокочастотные гармоники в сигнале обратной связи, делая выходной крутящий момент более стабильным и, следовательно, снижая вибрацию. При выборе параметров фильтра крутящего момента необходимо учитывать следующие факторы:
(1) Частота среза: Частота среза определяет степень ослабления высокочастотных сигналов фильтром. Слишком низкая частота среза повлияет на скорость отклика системы, а слишком высокая частота среза не позволит эффективно фильтровать высокочастотные гармоники.
(2) Тип фильтра: К распространенным типам фильтров относятся фильтр Баттерворта, фильтр Чебышева и т. д. Различные типы фильтров имеют разные частотные характеристики и должны выбираться в соответствии с конкретным сценарием применения.
(3) Порядок фильтра: чем выше порядок фильтра, тем лучше ослабление высокочастотных сигналов, но в то же время увеличивается вычислительная нагрузка системы. При выборе порядка фильтра необходимо комплексно учитывать производительность и вычислительные ресурсы системы.
Выше обсуждался метод оптимизации параметров низкочастотных колебаний. Иногда система ЧПУ станков с ЧПУ генерирует сигналы обратной связи, содержащие высокочастотные гармоники, обусловленные определёнными причинами колебаний в механической части, что приводит к нестабильности выходного крутящего момента и, следовательно, к вибрации. Для таких высокочастотных колебаний в контур управления скоростью можно добавить звено фильтра нижних частот первого порядка, которое и является фильтром крутящего момента.
Фильтр крутящего момента эффективно отфильтровывает высокочастотные гармоники в сигнале обратной связи, делая выходной крутящий момент более стабильным и, следовательно, снижая вибрацию. При выборе параметров фильтра крутящего момента необходимо учитывать следующие факторы:
(1) Частота среза: Частота среза определяет степень ослабления высокочастотных сигналов фильтром. Слишком низкая частота среза повлияет на скорость отклика системы, а слишком высокая частота среза не позволит эффективно фильтровать высокочастотные гармоники.
(2) Тип фильтра: К распространенным типам фильтров относятся фильтр Баттерворта, фильтр Чебышева и т. д. Различные типы фильтров имеют разные частотные характеристики и должны выбираться в соответствии с конкретным сценарием применения.
(3) Порядок фильтра: чем выше порядок фильтра, тем лучше ослабление высокочастотных сигналов, но в то же время увеличивается вычислительная нагрузка системы. При выборе порядка фильтра необходимо комплексно учитывать производительность и вычислительные ресурсы системы.
Кроме того, для дальнейшего устранения колебаний станков с ЧПУ можно предпринять следующие меры:
Оптимизировать механическую структуру
Проверьте механические части станка, такие как направляющие, ходовые винты, подшипники и т.д., чтобы убедиться в том, что точность их установки и зазоры соответствуют требованиям. Сильно изношенные детали следует заменить или отремонтировать в установленные сроки. Одновременно с этим следует отрегулировать противовес и баланс станка, чтобы снизить уровень механической вибрации.
Улучшить помехоустойчивость системы управления
Система управления станками с ЧПУ легко подвержена внешним помехам, таким как электромагнитные помехи, колебания электропитания и т. д. Для повышения помехоустойчивости системы управления можно предпринять следующие меры:
(1) Используйте экранированные кабели и меры заземления для снижения влияния электромагнитных помех.
(2) Установите сетевые фильтры для стабилизации напряжения электропитания.
(3) Оптимизировать программный алгоритм системы управления для повышения помехоустойчивости системы.
Регулярное техническое обслуживание и ремонт
Регулярно проводите техническое обслуживание и ремонт станков с ЧПУ, очищайте различные части станка, проверяйте состояние систем смазки и охлаждения, а также своевременно заменяйте изношенные детали и смазочное масло. Это обеспечит стабильную работу станка и уменьшит возникновение колебаний.
Оптимизировать механическую структуру
Проверьте механические части станка, такие как направляющие, ходовые винты, подшипники и т.д., чтобы убедиться в том, что точность их установки и зазоры соответствуют требованиям. Сильно изношенные детали следует заменить или отремонтировать в установленные сроки. Одновременно с этим следует отрегулировать противовес и баланс станка, чтобы снизить уровень механической вибрации.
Улучшить помехоустойчивость системы управления
Система управления станками с ЧПУ легко подвержена внешним помехам, таким как электромагнитные помехи, колебания электропитания и т. д. Для повышения помехоустойчивости системы управления можно предпринять следующие меры:
(1) Используйте экранированные кабели и меры заземления для снижения влияния электромагнитных помех.
(2) Установите сетевые фильтры для стабилизации напряжения электропитания.
(3) Оптимизировать программный алгоритм системы управления для повышения помехоустойчивости системы.
Регулярное техническое обслуживание и ремонт
Регулярно проводите техническое обслуживание и ремонт станков с ЧПУ, очищайте различные части станка, проверяйте состояние систем смазки и охлаждения, а также своевременно заменяйте изношенные детали и смазочное масло. Это обеспечит стабильную работу станка и уменьшит возникновение колебаний.
В заключение, для устранения колебаний станков с ЧПУ требуется комплексный учет механических и электрических факторов. Рациональная настройка параметров сервосистемы, применение функции подавления высокочастотных помех, оптимизация механической конструкции, повышение помехоустойчивости системы управления, а также регулярное техническое обслуживание позволяют эффективно снизить возникновение колебаний и повысить точность и стабильность обработки станка.