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钻铣床厂家介绍龙门数控钻铣床的龙门柱同步控制方法

发布日期:2015-07-14 |
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    龙门数控铣钻床的龙门柱同步控制方案
 
    1.同步控制问题的提出
本机床在设计上采用了龙门移动,工作台固定的结构。龙门移动的方式有利于适应集箱件(大管件)结构钢梁等较长零件的加工,而且龙门移动还可大大减小机床床身的长度和占地面积,在制造及使用上比较经济。这样机床的布局为动桥型框架,整体刚性高,可适应高精度的加工及较大切削能力要求。
 
在数控机床中双轴同步控制是一种关键的控制技术。在本机床中龙门框架的移动控制就是如此。在这种情况下,虽然可以采用单电机通过锥齿轮等机械机构驱动双边的方案,但是传动机构复杂、间隙较大,很可能造成闭环控制系统的不稳定,而且运行噪声也较大,维护困难。此外,该种方案若用于负载转动惯量较大的场合,因其传动效率低,必然要选用功率较大的电动机,从经济上考虑该方案就不是很理想。因此采用两台电机双边驱动是一个比较理想的方案。
 
    2同步控制方案的比较
普通机床的双电机同步控制一般采用以下解决方案。即由两套调速系统分别控制作为主从轴的两台伺服电机,两台电机各自提供自己的速度反馈信号。为了保持速度同步,两台电机轴必须保持刚性连接。这种控制系统属于位置开环系统,只能依靠轴的刚性连接保持电机的转速或位置的同步。虽然这种控制系统结构简单,可靠性较高,但其对电机所连接的运动部件的实际位置不作检测,对于丝杠螺距、丝杠轴向变形等因素所产生的误差无法补偿,使其控制精度较差。因此这种方法不能应用于数控机床。数控机床不同于普通机床的地方,在于其位置检测装置的引入,从而组成了位置速度双闭环系统,实现了位置同步控制。数控机床的同步控制方法就是将同步电机的给定位置参考量与两电机实际位置反馈量做比较后,作为被同步电机的位置参考量,从而完成位置同步控制。
 
    3 龙门移动式数控铣钻床的龙门柱同步控制方案
    本龙门数控钻铣床采用了双电机、滚珠丝杠的驱动方式。在龙门的两条导轨侧面各安装一条精密光栅尺,两读数头读出的位置测量数据分别进行放大后,再反馈到数控系统,两轴都可被定义为主动轴,主从轴定义后两轴构成同步轴对。其结构示意图见图1。在这种情况下每台电机都带有自己的位置检测系统,当这两个机械上刚性耦合的轴在进给时,两套驱动装置必须保持绝对的同步,以防止因机械元件的扭曲而导致的机器损坏。
 
    图1龙门驱动结构示意图
    在一般情况下,机床上电后主动轴和从动轴彼此之间不可能在理想的位置上(如一侧龙门柱的偏移),为保证两龙门柱的同步,两个轴必须首先进行归零操作。当龙门柱两轴都进行了归零操作后,它们都必须与已经确定的参考位置保持同步,从动轴的实际位置应首先与主动轴所确定的参考位置进行比较。在机床同步进给过程中,下一步的操作取决于主从轴实际位置之间的计算误差。若误差低于龙门同步误差报警限,则龙门柱继续进行同步进给。若误差超过了报警限,则进行报警输出并中断同步进给运动。
 
    为了保证尽可能好的同步性能,龙门柱主从轴都必须能对给定值的变化产生相同的动态响应,因此本机床同步控制系统采用位置速度双闭环控制,以便尽可能快和有效地消除扰动的影响。
 
    4.龙门移动数控铣钻床的同步解耦控制器设计
 
    当主从轴两套伺服系统输出通过机械方式耦合在一起,按同一速度给定信号运动,两轴间并无电气参数上的直接耦合关系。由于作用在两台电机上的负载不可能严格相同,所以当两台电机上的负载处于动态变化过程时,便引起了电机速度发生变化,从而引起位置不同步。为了使伺服系统回到同步状态,需要把机械位置的不同步转化为电气控制变量的变化,通过对控制变量的调整,使其恢复到同步状态。其同步控制原理如图2所示。
 
    图2龙门驱动控制原理图

在图2中, X r是位置给定量, F是不同步时与负载扰动有关的量, F i1、 F i2是外部扰动, u1、 u2是控制变量, M1(s)、 M2(s)为控制对象, Cp1、 Cp2是位置调节器, Cv1、 Cv2是解耦调节器。
 
    由上式可以看出,扰动对系统输出存在着耦合关系,这种耦合可以通过前馈解耦的方法将其变为对角阵或单位阵来实现解耦。解耦后系统变成了两个单回路系统,可以分别加以控制。为减轻或消除负载扰动对两龙门柱同步的影响,可以通过检测不同步时龙门横梁产生的应力变化,来补偿负载扰动产生的速度变化,从而实现两龙门柱同步。
 
    该机床由于采用了双电机、滚珠丝杠的驱动方式,在提高了滚珠丝杠精度的同时,提高了传动系统的刚度,并采用了龙门柱同步解耦控制器,从而使龙门移动有了较高的同步精度。经测试同步精度达到了0.005mm左右。因此该机床的龙门移动具有同步精度高,响应速度快,加工效率高的特点。
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