Методи за елиминиране на трептенията на CNC машини
CNC машините играят важна роля в съвременното промишлено производство. Проблемът с трептенията обаче често измъчва операторите и производителите. Причините за трептенето на CNC машините са сравнително сложни. В допълнение към много фактори, като например неотстраними трансмисионни хлабини, еластична деформация и съпротивление на триене в механичен аспект, влиянието на съответните параметри на серво системата също е важен аспект. Сега производителят на CNC машини ще представи подробно методите за елиминиране на трептенето на CNC машините.
I. Намаляване на усилването на контура за позициониране
Пропорционално-интегрално-деривативният контролер е многофункционален контролер, който играе ключова роля в CNC машините. Той може не само ефективно да осъществява пропорционално усилване на токови и напрежени сигнали, но и да регулира проблема със забавянето или изпреварването на изходния сигнал. Понякога възникват осцилационни грешки поради забавянето или изпреварването на изходния ток и напрежение. В този случай PID може да се използва за регулиране на фазата на изходния ток и напрежение.
Коефициентът на усилване на позиционния контур е ключов параметър в системата за управление на CNC машинни инструменти. Когато коефициентът на усилване на позиционния контур е твърде висок, системата е прекалено чувствителна към грешки в позицията и е склонна да предизвика трептене. Намаляването на коефициента на усилване на позиционния контур може да намали скоростта на реакция на системата и по този начин да намали възможността за трептене.
При регулиране на усилването на позиционния контур, то трябва да бъде разумно настроено според специфичния модел на машинния инструмент и изискванията за обработка. Най-общо казано, усилването на позиционния контур може първо да се намали до относително ниско ниво и след това постепенно да се увеличава, като се наблюдава работата на машинния инструмент, докато се намери оптимална стойност, която може да отговори на изискванията за точност на обработка и да избегне трептене.
Пропорционално-интегрално-деривативният контролер е многофункционален контролер, който играе ключова роля в CNC машините. Той може не само ефективно да осъществява пропорционално усилване на токови и напрежени сигнали, но и да регулира проблема със забавянето или изпреварването на изходния сигнал. Понякога възникват осцилационни грешки поради забавянето или изпреварването на изходния ток и напрежение. В този случай PID може да се използва за регулиране на фазата на изходния ток и напрежение.
Коефициентът на усилване на позиционния контур е ключов параметър в системата за управление на CNC машинни инструменти. Когато коефициентът на усилване на позиционния контур е твърде висок, системата е прекалено чувствителна към грешки в позицията и е склонна да предизвика трептене. Намаляването на коефициента на усилване на позиционния контур може да намали скоростта на реакция на системата и по този начин да намали възможността за трептене.
При регулиране на усилването на позиционния контур, то трябва да бъде разумно настроено според специфичния модел на машинния инструмент и изискванията за обработка. Най-общо казано, усилването на позиционния контур може първо да се намали до относително ниско ниво и след това постепенно да се увеличава, като се наблюдава работата на машинния инструмент, докато се намери оптимална стойност, която може да отговори на изискванията за точност на обработка и да избегне трептене.
II. Регулиране на параметрите на серво система със затворен контур
Полузатворена серво система
Някои CNC серво системи използват устройства с полузатворен контур. При настройване на серво системата с полузатворен контур е необходимо да се гарантира, че локалната полузатворена система не осцилира. Тъй като серво системата с пълен затворен контур извършва настройка на параметрите, приемайки, че локалната ѝ полузатворена система е стабилна, двете са сходни по отношение на методите за настройка.
Полузатворената серво система индиректно предоставя информация за позицията на машинния инструмент, като открива ъгъла на въртене или скоростта на двигателя. При настройване на параметрите е необходимо да се обърне внимание на следните аспекти:
(1) Параметри на скоростната верига: Настройките на усилването на скоростната верига и интегралната времева константа имат голямо влияние върху стабилността и скоростта на реакция на системата. Твърде високото усилване на скоростната верига ще доведе до твърде бърза реакция на системата и е склонно да генерира трептения; докато твърде дългата интегрална времева константа ще забави реакцията на системата и ще повлияе на ефективността на обработката.
(2) Параметри на контура за позициониране: Регулирането на усилването на контура за позициониране и параметрите на филтъра може да подобри точността на позициониране и стабилността на системата. Твърде високото усилване на контура за позициониране ще причини трептене, а филтърът може да филтрира високочестотния шум в сигнала за обратна връзка и да подобри стабилността на системата.
Серво система с напълно затворен контур
Серво системата с пълен затворен контур осъществява точен контрол на позицията чрез директно откриване на действителната позиция на машинния инструмент. При настройване на серво системата с пълен затворен контур, параметрите трябва да бъдат избрани по-внимателно, за да се гарантира стабилността и точността на системата.
Регулирането на параметрите на серво системата с пълен затворен контур включва главно следните аспекти:
(1) Коефициент на усилване на позиционния контур: Подобно на системата с полузатворен контур, твърде високият коефициент на усилване на позиционния контур ще доведе до трептене. Тъй като обаче системата с напълно затворен контур открива грешки в позиционирането по-точно, коефициентът на усилване на позиционния контур може да бъде зададен относително високо, за да се подобри точността на позициониране на системата.
(2) Параметри на скоростния контур: Настройките на усилването на скоростния контур и интегралната времева константа трябва да се регулират според динамичните характеристики и изискванията за обработка на машинния инструмент. Най-общо казано, усилването на скоростния контур може да се зададе малко по-високо от това на полузатворената система, за да се подобри скоростта на реакция на системата.
(3) Параметри на филтъра: Системата с напълно затворен контур е по-чувствителна към шума в сигнала за обратна връзка, така че е необходимо да се зададат подходящи параметри на филтъра, за да се филтрира шумът. Видът и изборът на параметри на филтъра трябва да се регулират според конкретния сценарий на приложение.
Полузатворена серво система
Някои CNC серво системи използват устройства с полузатворен контур. При настройване на серво системата с полузатворен контур е необходимо да се гарантира, че локалната полузатворена система не осцилира. Тъй като серво системата с пълен затворен контур извършва настройка на параметрите, приемайки, че локалната ѝ полузатворена система е стабилна, двете са сходни по отношение на методите за настройка.
Полузатворената серво система индиректно предоставя информация за позицията на машинния инструмент, като открива ъгъла на въртене или скоростта на двигателя. При настройване на параметрите е необходимо да се обърне внимание на следните аспекти:
(1) Параметри на скоростната верига: Настройките на усилването на скоростната верига и интегралната времева константа имат голямо влияние върху стабилността и скоростта на реакция на системата. Твърде високото усилване на скоростната верига ще доведе до твърде бърза реакция на системата и е склонно да генерира трептения; докато твърде дългата интегрална времева константа ще забави реакцията на системата и ще повлияе на ефективността на обработката.
(2) Параметри на контура за позициониране: Регулирането на усилването на контура за позициониране и параметрите на филтъра може да подобри точността на позициониране и стабилността на системата. Твърде високото усилване на контура за позициониране ще причини трептене, а филтърът може да филтрира високочестотния шум в сигнала за обратна връзка и да подобри стабилността на системата.
Серво система с напълно затворен контур
Серво системата с пълен затворен контур осъществява точен контрол на позицията чрез директно откриване на действителната позиция на машинния инструмент. При настройване на серво системата с пълен затворен контур, параметрите трябва да бъдат избрани по-внимателно, за да се гарантира стабилността и точността на системата.
Регулирането на параметрите на серво системата с пълен затворен контур включва главно следните аспекти:
(1) Коефициент на усилване на позиционния контур: Подобно на системата с полузатворен контур, твърде високият коефициент на усилване на позиционния контур ще доведе до трептене. Тъй като обаче системата с напълно затворен контур открива грешки в позиционирането по-точно, коефициентът на усилване на позиционния контур може да бъде зададен относително високо, за да се подобри точността на позициониране на системата.
(2) Параметри на скоростния контур: Настройките на усилването на скоростния контур и интегралната времева константа трябва да се регулират според динамичните характеристики и изискванията за обработка на машинния инструмент. Най-общо казано, усилването на скоростния контур може да се зададе малко по-високо от това на полузатворената система, за да се подобри скоростта на реакция на системата.
(3) Параметри на филтъра: Системата с напълно затворен контур е по-чувствителна към шума в сигнала за обратна връзка, така че е необходимо да се зададат подходящи параметри на филтъра, за да се филтрира шумът. Видът и изборът на параметри на филтъра трябва да се регулират според конкретния сценарий на приложение.
III. Приемане на функция за потискане на висока честота
Горното обсъждане е за метода за оптимизация на параметрите за нискочестотни трептения. Понякога, поради определени причини за трептене в механичната част, CNC системата на CNC машините генерира сигнали за обратна връзка, съдържащи високочестотни хармоници, което прави изходния въртящ момент непостоянен и по този начин генерира вибрации. За тази ситуация на високочестотни трептения, към контура за скорост може да се добави нискочестотен филтър от първи ред, който е филтърът на въртящия момент.
Филтърът на въртящия момент може ефективно да филтрира високочестотните хармоници в сигнала за обратна връзка, правейки изходния въртящ момент по-стабилен и по този начин намалявайки вибрациите. При избора на параметрите на филтъра на въртящия момент е необходимо да се вземат предвид следните фактори:
(1) Гранична честота: Граничната честота определя степента на затихване на филтъра към високочестотни сигнали. Твърде ниската гранична честота ще повлияе на скоростта на реакция на системата, докато твърде високата гранична честота няма да може ефективно да филтрира високочестотните хармоници.
(2) Тип филтър: Често срещаните типове филтри включват филтър на Бътъруърт, филтър на Чебишев и др. Различните видове филтри имат различни характеристики на честотната характеристика и трябва да бъдат избрани според конкретния сценарий на приложение.
(3) Ред на филтриране: Колкото по-висок е редът на филтриране, толкова по-добър е ефектът на затихване на високочестотните сигнали, но същевременно това ще увеличи и изчислителното натоварване на системата. При избора на реда на филтриране е необходимо да се вземат предвид цялостно производителността и изчислителните ресурси на системата.
Горното обсъждане е за метода за оптимизация на параметрите за нискочестотни трептения. Понякога, поради определени причини за трептене в механичната част, CNC системата на CNC машините генерира сигнали за обратна връзка, съдържащи високочестотни хармоници, което прави изходния въртящ момент непостоянен и по този начин генерира вибрации. За тази ситуация на високочестотни трептения, към контура за скорост може да се добави нискочестотен филтър от първи ред, който е филтърът на въртящия момент.
Филтърът на въртящия момент може ефективно да филтрира високочестотните хармоници в сигнала за обратна връзка, правейки изходния въртящ момент по-стабилен и по този начин намалявайки вибрациите. При избора на параметрите на филтъра на въртящия момент е необходимо да се вземат предвид следните фактори:
(1) Гранична честота: Граничната честота определя степента на затихване на филтъра към високочестотни сигнали. Твърде ниската гранична честота ще повлияе на скоростта на реакция на системата, докато твърде високата гранична честота няма да може ефективно да филтрира високочестотните хармоници.
(2) Тип филтър: Често срещаните типове филтри включват филтър на Бътъруърт, филтър на Чебишев и др. Различните видове филтри имат различни характеристики на честотната характеристика и трябва да бъдат избрани според конкретния сценарий на приложение.
(3) Ред на филтриране: Колкото по-висок е редът на филтриране, толкова по-добър е ефектът на затихване на високочестотните сигнали, но същевременно това ще увеличи и изчислителното натоварване на системата. При избора на реда на филтриране е необходимо да се вземат предвид цялостно производителността и изчислителните ресурси на системата.
Освен това, за да се елиминира допълнително трептенето на CNC машините, могат да се предприемат и следните мерки:
Оптимизиране на механичната структура
Проверете механичните части на машинния инструмент, като например направляващи релси, водещи винтове, лагери и др., за да се уверите, че точността на монтаж и хлабината на пасване отговарят на изискванията. Силно износените части трябва да бъдат сменени или ремонтирани своевременно. В същото време, регулирайте разумно противотежестта и баланса на машинния инструмент, за да намалите генерирането на механични вибрации.
Подобрете способността на системата за управление да предотвратява смущения
Системата за управление на CNC машинни инструменти лесно се влияе от външни смущения, като електромагнитни смущения, колебания в захранването и др. За да се подобри способността на системата за управление да се предпазва от смущения, могат да се предприемат следните мерки:
(1) Използвайте екранирани кабели и заземителни мерки, за да намалите влиянието на електромагнитните смущения.
(2) Инсталирайте силови филтри, за да стабилизирате захранващото напрежение.
(3) Оптимизирайте софтуерния алгоритъм на системата за управление, за да подобрите нейната защита от смущения.
Редовна поддръжка и ремонт
Редовно извършвайте поддръжка и ремонт на CNC машините, почиствайте различните части на машината, проверявайте работните условия на смазочната система и охладителната система и сменяйте износените части и смазочното масло навреме. Това може да осигури стабилна работа на машината и да намали появата на трептения.
Оптимизиране на механичната структура
Проверете механичните части на машинния инструмент, като например направляващи релси, водещи винтове, лагери и др., за да се уверите, че точността на монтаж и хлабината на пасване отговарят на изискванията. Силно износените части трябва да бъдат сменени или ремонтирани своевременно. В същото време, регулирайте разумно противотежестта и баланса на машинния инструмент, за да намалите генерирането на механични вибрации.
Подобрете способността на системата за управление да предотвратява смущения
Системата за управление на CNC машинни инструменти лесно се влияе от външни смущения, като електромагнитни смущения, колебания в захранването и др. За да се подобри способността на системата за управление да се предпазва от смущения, могат да се предприемат следните мерки:
(1) Използвайте екранирани кабели и заземителни мерки, за да намалите влиянието на електромагнитните смущения.
(2) Инсталирайте силови филтри, за да стабилизирате захранващото напрежение.
(3) Оптимизирайте софтуерния алгоритъм на системата за управление, за да подобрите нейната защита от смущения.
Редовна поддръжка и ремонт
Редовно извършвайте поддръжка и ремонт на CNC машините, почиствайте различните части на машината, проверявайте работните условия на смазочната система и охладителната система и сменяйте износените части и смазочното масло навреме. Това може да осигури стабилна работа на машината и да намали появата на трептения.
В заключение, елиминирането на трептенията на CNC машините изисква цялостно разглеждане на механичните и електрическите фактори. Чрез разумно регулиране на параметрите на серво системата, приемане на функция за потискане на високите честоти, оптимизиране на механичната структура, подобряване на способността за противосмущения на системата за управление и извършване на редовна поддръжка, появата на трептения може да бъде ефективно намалена и точността на обработка и стабилността на машинния инструмент могат да бъдат подобрени.