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數(shù)控銑床拉刀故障診斷與維修論文
數(shù)控銑床拉刀故障的診斷與維修論文
摘要：拉刀故障是數(shù)控銑床的常見(jiàn)故障之一，主軸松、拉刀動(dòng)作涉及電氣、機(jī)械及液壓回路，回路中任何一個(gè)環(huán)節(jié)的失效都會(huì)引起機(jī)床拉刀動(dòng)作故障。
本文從企業(yè)維修案例著手，介紹了XKA714B/F數(shù)控銑床主軸結(jié)構(gòu)和控制原理，分析了常見(jiàn)的故障點(diǎn)，并采用流程圖的形式介紹了故障診斷方法，最后對(duì)故障維修方式進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞：數(shù)控銑床;拉刀故障;診斷與維修;流程圖
在企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，XKA714B/F立式數(shù)控銑床主軸會(huì)出現(xiàn)如下故障現(xiàn)象：操作工人在進(jìn)行手動(dòng)換刀操作時(shí)，刀具可以拿下，但裝上刀后，按“主軸拉刀”按鈕，拉刀動(dòng)作明顯比平常慢，重復(fù)一次松、拉刀過(guò)程，拉刀時(shí)間變得更長(zhǎng)，再重復(fù)幾次后，拉刀動(dòng)作幾乎沒(méi)有了。
機(jī)床狀態(tài)提示：處于松刀狀態(tài)。
拉刀故障是數(shù)控銑床的常見(jiàn)故障之一。
主軸松、拉刀動(dòng)作涉及電氣、機(jī)械及液壓回路，回路中任何一個(gè)環(huán)節(jié)的失效都會(huì)引起機(jī)床拉刀動(dòng)作故障。
要分析和排除松、拉刀這一故障，首先要知道主軸部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成及松、拉刀動(dòng)作的原理及過(guò)程，然后熟悉常見(jiàn)的故障點(diǎn)，掌握故障診斷思路及流程，最后維修排除故障。
主軸結(jié)構(gòu)和控制原理
數(shù)控銑床一般可分為立式銑床、臥式銑床和立臥兩用數(shù)控銑床三種。
本維修案例使用的是XKA714B/F立式數(shù)控銑床，它由床身、立柱、主軸箱、工作臺(tái)、液壓系統(tǒng)、伺服裝置、數(shù)控系統(tǒng)等組成。
床身用于支撐和連接機(jī)床各部件，主軸箱用于安裝主軸，主軸內(nèi)裝有拉刀機(jī)構(gòu)，拉刀機(jī)構(gòu)采用液壓裝置及碟形彈簧來(lái)完成拉刀、松刀動(dòng)作。
主軸下端的錐孔用于安裝銑刀。
當(dāng)主軸箱內(nèi)的主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，銑刀能夠切削工件。
主軸箱還可沿立柱上的導(dǎo)軌在Z向移動(dòng)，使刀具上升或下降。
工作臺(tái)用于安裝工件或夾具，可沿滑鞍上的導(dǎo)軌在X向移動(dòng)，滑鞍可沿床身上的導(dǎo)軌在Y向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)工件在X和Y向的移動(dòng)。
無(wú)論是X、Y向，還是Z向的移動(dòng)都是靠伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)。
伺服裝置用于驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，主傳動(dòng)系統(tǒng)由5.5kW的變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)安裝在主軸箱的頂面，經(jīng)過(guò)齒輪傳動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。
控制器用于輸入零件加工程序和控制機(jī)床工作狀態(tài)，控制電源用于向伺服裝置和控制器供電。
(一)XKA714B/F立式數(shù)控銑床主軸部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)
主軸部件主要由刀具自動(dòng)夾緊裝置、自動(dòng)吹凈等裝置組成。
為了適應(yīng)主軸轉(zhuǎn)速高和工作性能要求，前、后支承都采用了向心推力軸承。
(1)前支承是三個(gè)向心推力球軸承，背靠背安裝，前面兩個(gè)支承大口朝向主軸前端，后一個(gè)軸承大口朝向主軸尾部。
前支承既承受徑向載荷，又承受兩個(gè)方向的軸向載荷。
(2)后支承是兩個(gè)向心推力球軸承，也是背靠背安裝，小口相對(duì)。
后支承只承受徑向載荷，故軸承外圈軸向不定位。
主軸軸承采用油脂潤(rùn)滑方式，迷宮式密封。
刀具自動(dòng)夾緊裝置 數(shù)控銑床主軸組件由活塞、螺旋彈簧、拉桿、碟形彈簧和4個(gè)鋼球組成。
該機(jī)床采用錐柄刀具，刀柄的錐度為7∶24，它與主軸前端錐孔錐面定心。
夾緊時(shí)，油缸上腔接回油，下腔接壓力油，壓力油和螺旋彈簧使活塞桿向上移動(dòng)，拉桿在碟形彈簧壓力作用下也向上移動(dòng)，鋼球被迫進(jìn)入刀柄尾部拉釘?shù)沫h(huán)形槽內(nèi)，將刀具的刀柄拉緊。
放松時(shí)，即需要換刀松開(kāi)刀柄時(shí)，油缸上腔通入壓力油，下腔接回油，使活塞桿向下移動(dòng)，推動(dòng)拉桿也向下移動(dòng)，直到鋼球被推至主軸孔徑較大處，便松開(kāi)刀柄，將刀具連同刀柄從主軸孔中取出。
刀具的刀柄是靠碟形彈簧產(chǎn)生的拉緊力進(jìn)行夾緊的，以防止在工作中突然停電時(shí)刀柄自行脫落。
在活塞桿上下移動(dòng)的兩個(gè)極限位置上，安裝行程開(kāi)關(guān)，用來(lái)發(fā)出刀柄夾緊和松開(kāi)的信號(hào)。
在夾緊時(shí)，活塞桿下端的活塞桿端部與拉桿的上端面之間應(yīng)留有一定的間隙，約為4mm，以防止主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)引起端面摩擦。
自動(dòng)吹凈裝置 主軸換刀時(shí)，需自動(dòng)清除主軸裝刀錐孔內(nèi)的切屑或灰塵，以便保護(hù)主軸錐孔和刀柄表面，確保刀具定位安裝精度。
因此，該機(jī)床采用壓縮空氣自動(dòng)吹凈裝置。
當(dāng)?shù)侗鷱闹鬏S錐孔拔出后，壓縮空氣通過(guò)活塞桿上端噴嘴經(jīng)活塞和拉桿的中心孔，自動(dòng)吹凈主軸錐孔。
(二)XKA714B/F立式數(shù)控銑床液壓系統(tǒng)控制原理
液壓站油箱位于機(jī)床的后側(cè)，油箱容積為40L。
當(dāng)油面低于油標(biāo)顯示位置時(shí)要及時(shí)添加;液壓油使用2000h后，要進(jìn)行更換。
液壓控制板裝在液壓站油箱上面，由一個(gè)1.1kW的電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵完成液壓系統(tǒng)的供油和主軸箱的潤(rùn)滑，液壓系統(tǒng)的調(diào)定壓力為3.5MPa。
液壓系統(tǒng)控制三個(gè)二位四通的電磁閥，電磁閥YV1控制主軸箱潤(rùn)滑油路，電磁閥YV1、YV2控制主傳動(dòng)系統(tǒng)中的液壓變速機(jī)構(gòu)(通電為高擋)，電磁閥YV1、YV3控制拉刀機(jī)構(gòu)。
松刀時(shí)，電磁閥YV1、YV3同時(shí)通電，閥芯切換油路，液壓油進(jìn)入油缸上腔，油缸下腔接回油，活塞桿向下動(dòng)作，油缸頂部行程限位開(kāi)關(guān)向PMC發(fā)出反饋信號(hào)，松刀完成。
拉刀時(shí)，電磁閥YV1吸合、YV3斷開(kāi)閥芯切換油路，液壓油進(jìn)入油缸下腔，油缸上腔接回油，活塞桿向上動(dòng)作，油缸頂部行程限位開(kāi)關(guān)向PMC發(fā)出反饋信號(hào)，拉刀完成。
需要變速時(shí)，電磁閥YV1通電，電磁閥YV2則按高低擋要求通或斷;變速完畢或裝刀完畢電磁閥YV1即斷。
液壓系統(tǒng)還負(fù)責(zé)潤(rùn)滑主軸箱內(nèi)的齒輪及軸承。
主軸箱內(nèi)的潤(rùn)滑油通過(guò)主軸箱背面的回油管流回油箱。
如發(fā)現(xiàn)主軸箱下柔性擋板防護(hù)罩處有漏油現(xiàn)象，應(yīng)立即停止使用并檢查主軸箱潤(rùn)滑回油管路是否通暢，嚴(yán)禁在主軸潤(rùn)滑回油系統(tǒng)不暢的情況下使用機(jī)床。
液壓油管均是通過(guò)拖鏈裝置到達(dá)主軸箱。
當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出油路堵塞報(bào)警時(shí)，應(yīng)對(duì)液壓箱的濾油器及時(shí)清理。
(三)XKA714B/F立式數(shù)控銑床主軸松、拉刀電氣系統(tǒng)控制原理
只要控制電磁閥YV1、YV3就可以實(shí)現(xiàn)拉刀、松刀的動(dòng)作，但是，電磁閥怎么跟PMC聯(lián)系呢?這需要通過(guò)PMC對(duì)電磁閥進(jìn)行控制。
一般而言，實(shí)現(xiàn)拉刀、松刀的動(dòng)作需要用到的PMC輸入接口有松緊刀允許、緊刀、拉刀;輸出接口有刀具松/緊、液壓油路開(kāi)關(guān)、松緊刀允許指示燈、松刀指示燈、緊刀指示燈，每個(gè)接口都用相應(yīng)的地址位來(lái)表示。
通過(guò)XKA714B/F立式數(shù)控銑床主面板輸入地址電氣圖可以查出，松緊刀允許按鈕的輸入地址位是X33.4，緊刀按鈕的輸入地址位是X34.0，松刀按鈕的輸入地址位是X34.1;通過(guò)XKA714B/F立式數(shù)控銑床PMC輸出地址電氣圖可以查出，刀具松/緊的輸出地址位是Y2.1，液壓油路開(kāi)關(guān)的輸出地址位是Y2.2;通過(guò)XKA714B/F立式數(shù)控銑床主面板輸出地址電氣圖可以查出，松緊刀允許指示燈的輸出地址位是Y33.4，緊刀指示燈的輸出地址位是Y34.0，松刀指示燈的輸出地址位是Y34.1。
那么，松緊刀允許按鈕的地址位X33.4、緊刀按鈕的地址位X34.0、松刀按鈕的地址位X34.1和控制拉刀以及松刀的輸出地址位Y2.1.Y2.2有什么關(guān)系呢?當(dāng)同時(shí)按下“松緊刀允許”和“松刀”按鈕后，輸入信號(hào)經(jīng)地址位X33.4和X34.1傳遞給PMC，PMC通過(guò)輸出接口Y2.1來(lái)控制拉刀或松刀動(dòng)作，具體控制過(guò)程查看XKA714B/F立式數(shù)控銑床松刀按鈕控制梯形圖，可以看出，當(dāng)觸點(diǎn)X33.4和X34.1接通時(shí)，松緊刀允許指示燈Y33.4和松刀指示燈Y34.1亮，線圈Y2.1工作，繼電器KA10和KA11指示燈亮，松刀完成。
也就是說(shuō)通過(guò)Y2.1來(lái)控制電磁閥，由于電磁閥所需要的驅(qū)動(dòng)電流比較大，而PMC的輸出接口驅(qū)動(dòng)能力比較小，所以先由Y2.1控制繼電器KA10，然后再由繼電器KA10來(lái)控制電磁閥YV3的動(dòng)作;同理，由Y2.2控制繼電器KA11，然后再由繼電器KA11來(lái)控制電磁閥YV1的動(dòng)作。
(四)XKA714B/F立式數(shù)控銑床主軸松、拉刀動(dòng)作控制過(guò)程
動(dòng)作控制過(guò)程包括松刀動(dòng)作控制過(guò)程和拉刀控制過(guò)程。
松刀控制過(guò)程 從圖1可以看出，當(dāng)按下松刀按鈕后，輸入信號(hào)經(jīng)地址位X34.1傳遞給PMC，PMC通過(guò)輸出接口Y2.1和Y2.2來(lái)控制繼電器KA10和KA11吸合，使得電磁閥YV1和YV3得電，閥芯切換油路，液壓油進(jìn)入油缸上腔，油缸下腔接回油，使活塞桿向下移動(dòng)，推動(dòng)拉桿也向下移動(dòng)，壓縮碟形彈簧，拉刀爪松開(kāi)，油缸頂部行程限位開(kāi)關(guān)向PMC發(fā)出反饋信號(hào)，松刀完成。
拉刀控制過(guò)程 從圖2所示拉刀動(dòng)作電氣控制流程圖可以看出，當(dāng)按下拉刀按鈕后，輸入信號(hào)經(jīng)地址位X34.0傳遞給PMC，PMC通過(guò)輸出接口Y2.1和Y2.2來(lái)控制繼電器KA10斷開(kāi)和KA11吸合，使得電磁閥YV1得電吸合、YV3斷開(kāi)，閥芯切換油路，液壓油進(jìn)入油缸下腔，油缸上腔接回油，壓力油和螺旋彈簧使活塞桿向上移動(dòng)，拉桿在碟形彈簧壓力作用下也向上移動(dòng)，拉刀爪拉緊，油缸頂部行程限位開(kāi)關(guān)向PMC發(fā)出反饋信號(hào)，繼電器KA11斷電，電磁閥YV1斷電，液壓油轉(zhuǎn)向潤(rùn)滑油路，拉刀完成。
XKA714B/F立式數(shù)控銑床拉刀常見(jiàn)故障點(diǎn)分析
數(shù)控銑床拉刀故障應(yīng)綜合考慮電氣故障、機(jī)械故障和液壓故障。
(一)電氣回路故障分析點(diǎn)
電氣回路故障分析點(diǎn)主要有：(1)松、拉刀按鈕開(kāi)關(guān);(2)拉刀活塞桿行程限位開(kāi)關(guān);(3)PMC控制器;(4)繼電器及線路;(5)電磁閥及線路等。
在這些故障分析點(diǎn)中，松、拉刀按鈕開(kāi)關(guān)、繼電器由于頻繁使用，容易疲勞損壞;PMC控制器屬于技術(shù)成熟的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品，在弱電環(huán)境下工作，一般不易損壞。
(二)機(jī)械及液壓回路故障分析點(diǎn)
機(jī)械及液壓回路故障分析點(diǎn)主要有：(1)主軸拉刀機(jī)構(gòu);(2)活塞油缸;(3)油管;(4)電磁閥;(5)單向閥;(6)溢流閥;(7)液壓泵;(8)壓力表;(9)碟形彈簧等。
在這些故障分析點(diǎn)中，主軸拉刀機(jī)構(gòu)中的活塞桿、拉刀爪、拉桿以及電磁閥、碟形彈簧等，由于頻繁動(dòng)作，容易疲勞損壞;油管易老化漏油。
XKA714B/F立式數(shù)控銑床拉刀故障診斷與維修
主軸松、拉刀動(dòng)作涉及電氣、機(jī)械及液壓回路，回路中任何一個(gè)環(huán)節(jié)的失效都會(huì)引起機(jī)床拉刀動(dòng)作故障，因?yàn)榘粹o開(kāi)關(guān)、繼電器、電磁閥的通斷狀態(tài)可以通過(guò)PMC診斷地址及發(fā)光二極管等狀態(tài)指示燈來(lái)快速判斷，直觀、快捷，故先從電氣回路開(kāi)始檢查(液壓泵及壓力表也可直觀檢查)，然后再對(duì)機(jī)械及液壓回路進(jìn)行檢查。
從圖3所示XKA714B/F數(shù)控銑床拉刀故障綜合診斷流程圖可知，故障診斷與維修步驟如下：
第一步，維修準(zhǔn)備。
準(zhǔn)備好XKA714B/F立式數(shù)控銑床對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)操作說(shuō)明書、機(jī)床生產(chǎn)廠家提供的機(jī)械說(shuō)明書、電氣說(shuō)明書、維修手冊(cè)和維修記錄等，同時(shí)準(zhǔn)備好機(jī)床維修的常用必備工具。
第二步，現(xiàn)場(chǎng)勘察。
首先察看一下XKA714B/F數(shù)控銑床的具體故障現(xiàn)象。
然后查看報(bào)警信息，鎖定故障范圍，機(jī)床狀態(tài)提示：處于松刀狀態(tài)。
最后，查閱發(fā)生故障銑床的機(jī)械及電氣說(shuō)明書，了解松/拉刀按鈕開(kāi)關(guān)地址位、PMC刀具松緊輸出地址位、松緊刀電磁閥控制和液壓系統(tǒng)原理圖。
第三步，懸掛“維修中，請(qǐng)勿靠近”警示牌，在機(jī)床手動(dòng)狀態(tài)下，主軸停轉(zhuǎn)，按下“緊刀”按鈕，檢查PMC輸入地址X34.0的狀態(tài)變化。
如果沒(méi)有變化，檢查“緊刀”按鈕開(kāi)關(guān)及其至PMC的線路。
若開(kāi)關(guān)損壞，則更換開(kāi)關(guān);電路斷路，則維修電路。
第四步，如果第一步不存在問(wèn)題，即PMC輸入地址X34.0的狀態(tài)有變化(由0變?yōu)?)，則檢查PMC輸出地址Y2.1、Y2.2的狀態(tài)變化。
若狀態(tài)沒(méi)有變化，根據(jù)梯形圖判斷哪些條件不滿足，針對(duì)不滿足條件，相應(yīng)調(diào)整機(jī)床操作方式。
第五步，如果第四步不存在問(wèn)題，即PMC輸出地址Y2.1、Y2.2的狀態(tài)有變化(由0變?yōu)?)，繼電器KA10和KA11應(yīng)依次由通到斷。
若KA11和KA10其中有未斷開(kāi)現(xiàn)象，則檢查PMC至KA10線圈的線路(因?yàn)樗傻秳?dòng)作正常，故可以判斷KA11和YV1都是正常的)，如果線路短路則檢修線路。
第六步，如果第五步不存在問(wèn)題，即KA11和KA10正常斷開(kāi)，電磁閥YV3由吸合轉(zhuǎn)為斷開(kāi)，線圈插頭指示燈由亮轉(zhuǎn)滅。
若電磁閥未由吸合轉(zhuǎn)為斷開(kāi)，檢查KA10觸點(diǎn)及YV3線圈至 KA10觸點(diǎn)的控制線路，如果觸點(diǎn)損壞，則更換繼電器;如果線路短路，則檢修線路。
第七步，如果第六步不存在問(wèn)題，即電磁閥YV3由吸合轉(zhuǎn)為斷開(kāi)，說(shuō)明YV1和YV3線圈正常，則檢查YV3閥芯是否正常動(dòng)作、能否切換油路。
若YV3閥芯動(dòng)作不正常，應(yīng)先檢查活塞缸下腔油管有無(wú)波動(dòng)，在機(jī)床斷電情況下，拆開(kāi)油管接頭，查看油管是否通油，如果不通油，則疏通或更換油管;然后用內(nèi)六角扳手插入閥芯孔，感知閥芯移動(dòng)距離，如果距離小于正常移動(dòng)距離，則說(shuō)明閥芯被堵塞或復(fù)位彈簧彈力不足，可用新閥替換或拆閥進(jìn)行檢修。
第八步，如果第七步不存在問(wèn)題，即YV3閥芯正常動(dòng)作，可正常切換油路，則檢查油缸及活塞桿是否正常。
如果不正常，油缸進(jìn)出油口及活塞桿被堵塞，則拆開(kāi)檢修。
第九步，如果以上各步檢查均正常，則診斷維修結(jié)束。
總之，針對(duì)這類故障，不管是主軸拉不緊刀，還是主軸松不下刀，只要掌握了控制回路的電氣、機(jī)械及液壓原理，依據(jù)故障現(xiàn)象，逐一分析控制回路的各個(gè)環(huán)節(jié)，由簡(jiǎn)到繁，就不難找出故障點(diǎn)并排除故障。
數(shù)控機(jī)床是一種自動(dòng)化程度高、機(jī)械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的加工設(shè)備，要充分發(fā)揮機(jī)床的高效益，就必須正確操作使用和精心維護(hù)，這樣可防止設(shè)備產(chǎn)生非正常性磨損，保持其良好的技術(shù)性能狀態(tài)，延緩劣化進(jìn)程，保證生產(chǎn)安全運(yùn)行。
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數(shù)控機(jī)床伺服閉環(huán)控制論文
摘要：文章介紹了數(shù)控機(jī)床伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)的主要要求，PID控制方法在速度閉環(huán)控制的應(yīng)用，以FANUC機(jī)床為例，具體闡述了PID參數(shù)的調(diào)試方法，具有實(shí)際的應(yīng)用意義。
關(guān)鍵詞：伺服系統(tǒng);閉環(huán)控制;PID
一、引言
數(shù)控系統(tǒng)中伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，均要考慮穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)特性、穩(wěn)態(tài)特性、魯棒性等方面的性能指標(biāo)。
穩(wěn)定性：這是伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最基本要求。
控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性可分為系統(tǒng)內(nèi)部穩(wěn)定性和系統(tǒng)外部的穩(wěn)定性。
所謂系統(tǒng)內(nèi)部的穩(wěn)定性即在任意初始狀態(tài)下伺服控制系統(tǒng)都能精準(zhǔn)定位;系統(tǒng)外部的穩(wěn)定性即為伺服控制系統(tǒng)有外部干擾時(shí)，也能自我調(diào)節(jié)，使得位移和速度達(dá)到控制目標(biāo)。
動(dòng)態(tài)特性：即系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)渡過(guò)程的形式和速度，其中包括響應(yīng)速度和超調(diào)量。
系統(tǒng)的響應(yīng)速度可用系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間來(lái)表示;而超調(diào)量是指系統(tǒng)的最大振幅度。
一般而言，不同的系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)特性會(huì)有不同的要求，對(duì)于數(shù)控伺服系統(tǒng)而言，響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)跟隨誤差越小，控制精度就越高。
穩(wěn)態(tài)特性：當(dāng)過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其被控量的穩(wěn)態(tài)值與望值一致性程度。
對(duì)于任何數(shù)控伺服系統(tǒng)，由于存在著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、外部干擾、以及內(nèi)摩擦等非線性因素的影響，被控量的穩(wěn)態(tài)值與期期望值之間總會(huì)有誤差存在，該誤差稱為穩(wěn)態(tài)誤差。
穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)控制精度的重要標(biāo)志，有好的穩(wěn)態(tài)誤差補(bǔ)償，伺服系統(tǒng)將獲得良好的位置控制精度和跟蹤速度。
魯棒性：當(dāng)系統(tǒng)的約束條件發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)的功能特性不會(huì)受到什么影響。
系統(tǒng)的魯棒性好，當(dāng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)依然能夠保持其穩(wěn)定性;在過(guò)渡過(guò)程中，系統(tǒng)的響應(yīng)速度和超調(diào)量基本上不受參數(shù)變化的影響。
機(jī)床在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，有機(jī)械磨損及其他硬件的變化，伺服系統(tǒng)必須保持加工誤差在一定范圍內(nèi)，因此，魯棒性很重要。
二、PID算法在數(shù)控伺服閉環(huán)控制中應(yīng)用
PID(Proportional Integraland Differential)控制技術(shù)是最早發(fā)展起來(lái)的控制策之一，至今已有數(shù)十年歷史。
它以算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中。
當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。
在實(shí)際工程應(yīng)用中，根據(jù)需要也可用PI控制和PD控制。
PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的偏差，通過(guò)比例、積分和微分運(yùn)算來(lái)對(duì)控制量進(jìn)行調(diào)節(jié)的。
數(shù)控伺服閉環(huán)速度控制如圖1所示，在數(shù)控加工中，加工軸雖然隨著負(fù)載特性變化而變化，但由于采用了PID控制，可以修正到等于指令速度。
PID控制器作為一種線性控制器，它將速度指令r(t)和反饋的實(shí)際速度y(t)進(jìn)行比較后構(gòu)成控制偏差e(t)，再將該偏差按比例(P)、積分(I)和微分(D)通過(guò)線性組合構(gòu)成系統(tǒng)控制量u(t)來(lái)控制驅(qū)動(dòng)器，輸出功率控制伺服電機(jī)，對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行精確控制。
上述PID控制器的輸出函數(shù)可描述為：
u(t)=Kpe(t)+Ki■e(t)dt+Kd■
三、PID參數(shù)調(diào)試的具體方法
以FANUCOi機(jī)床為例，有菜單操作，顯示伺服參數(shù)設(shè)置畫面如圖2所示。
當(dāng)設(shè)置驅(qū)動(dòng)器為速度模式控制時(shí)，在完成對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)的優(yōu)化后，引入控制器對(duì)速度環(huán)的作用。
控制器可調(diào)的基本伺服參數(shù)即為比例常數(shù)KP、微分常數(shù)Kd以及積分器Ki。
控制器濾波傳遞函數(shù)為：
D(z)=4 ×Kp+■+■
手動(dòng)調(diào)整PID各項(xiàng)參數(shù)：
第一，確定速度比例增益Kp值。
當(dāng)伺服系統(tǒng)安裝畢，必須調(diào)整各項(xiàng)PID參數(shù)，使得系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
可首先調(diào)整速度比例增益Kp值，因?yàn)镵p值是PID參數(shù)中對(duì)超調(diào)影響最大，可再調(diào)整之前將積分增益Ki及微分增益Kd設(shè)置為零，接著逐漸加大Kp值，主要考量伺服電機(jī)停止時(shí)是否有振蕩現(xiàn)象，以此手動(dòng)方式調(diào)整Kp參數(shù)，觀察電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度有無(wú)明顯忽快忽慢現(xiàn)象。
若Kp值加大到產(chǎn)生上述現(xiàn)象時(shí)，必須將Kp值降低，減少超調(diào)量，消除振蕩，穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)速度。
以此初步確定Kp值。
第二，確定積分增益Ki值。
逐漸加大積分增益Ki值，使積分效應(yīng)逐漸產(chǎn)生。
由PID控制原理可知，Kp值配合積分效應(yīng)增加到臨界值后會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象，此時(shí)回調(diào)Ki值，消除振蕩現(xiàn)象，穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)速度。
此時(shí)的Ki值既可為初步確定的參數(shù)值。
第三，調(diào)整微分增益Kd值。
微分增益主要目的就是平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)速度，降低超調(diào)量，微分控制也是一種預(yù)先控制，在超調(diào)量發(fā)生之前做適當(dāng)?shù)男Ｕ?/p>
可逐漸加大Kd的值，改善速度穩(wěn)定性。
最終，數(shù)控機(jī)床伺服閉環(huán)控制速度曲線如圖3所示。
四、總結(jié)
數(shù)控機(jī)床伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)整主要是針對(duì)閉環(huán)控制器的PID參數(shù)增益進(jìn)行調(diào)整，使得機(jī)床工作誤差最小，達(dá)到一個(gè)最優(yōu)狀態(tài)。
其中速度環(huán)的調(diào)整是整個(gè)系統(tǒng)調(diào)整中最關(guān)鍵的，也是最難調(diào)整的。
通常，在了解伺服增益的限制因素上，先調(diào)整比例增益參數(shù)，再調(diào)試積分參數(shù)，最好調(diào)整微分參數(shù)。
對(duì)于每個(gè)增益參數(shù)的調(diào)整，都是從低慢慢地增加，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定。
參考文獻(xiàn)：
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