Metoder til eliminering af oscillation i CNC-maskiner
CNC-maskiner spiller en vigtig rolle i moderne industriel produktion. Imidlertid plager svingningsproblemet ofte operatører og producenter. Årsagerne til svingning i CNC-maskiner er relativt komplekse. Ud over mange faktorer såsom ikke-aftagelige transmissionsgab, elastisk deformation og friktionsmodstand i det mekaniske aspekt, er indflydelsen af relevante parametre i servosystemet også et vigtigt aspekt. Nu vil producenten af CNC-maskiner introducere metoderne til at eliminere svingning i CNC-maskiner i detaljer.
I. Reduktion af positionsløjfens forstærkning
Den proportional-integral-derivative controller er en multifunktionel controller, der spiller en afgørende rolle i CNC-maskiner. Den kan ikke kun effektivt udføre proportional forstærkning på strøm- og spændingssignaler, men også justere problemet med forsinkelse eller stigning i udgangssignalet. Oscillationsfejl opstår undertiden på grund af forsinkelse eller stigning i udgangsstrømmen og -spændingen. På dette tidspunkt kan PID bruges til at justere fasen af udgangsstrømmen og -spændingen.
Positionsløkkeforstærkningen er en nøgleparameter i styresystemet til CNC-maskiner. Når positionsløkkeforstærkningen er for høj, er systemet for følsomt over for positionsfejl og er tilbøjeligt til at forårsage oscillation. Reduktion af positionsløkkeforstærkningen kan reducere systemets responshastighed og dermed reducere muligheden for oscillation.
Når positionsløjfeforstærkningen justeres, skal den indstilles rimeligt i henhold til den specifikke maskinmodel og bearbejdningskrav. Generelt kan positionsløjfeforstærkningen først reduceres til et relativt lavt niveau og derefter gradvist øges, mens man observerer maskinens drift, indtil der findes en optimal værdi, der kan opfylde bearbejdningsnøjagtighedskravene og undgå oscillationer.
Den proportional-integral-derivative controller er en multifunktionel controller, der spiller en afgørende rolle i CNC-maskiner. Den kan ikke kun effektivt udføre proportional forstærkning på strøm- og spændingssignaler, men også justere problemet med forsinkelse eller stigning i udgangssignalet. Oscillationsfejl opstår undertiden på grund af forsinkelse eller stigning i udgangsstrømmen og -spændingen. På dette tidspunkt kan PID bruges til at justere fasen af udgangsstrømmen og -spændingen.
Positionsløkkeforstærkningen er en nøgleparameter i styresystemet til CNC-maskiner. Når positionsløkkeforstærkningen er for høj, er systemet for følsomt over for positionsfejl og er tilbøjeligt til at forårsage oscillation. Reduktion af positionsløkkeforstærkningen kan reducere systemets responshastighed og dermed reducere muligheden for oscillation.
Når positionsløjfeforstærkningen justeres, skal den indstilles rimeligt i henhold til den specifikke maskinmodel og bearbejdningskrav. Generelt kan positionsløjfeforstærkningen først reduceres til et relativt lavt niveau og derefter gradvist øges, mens man observerer maskinens drift, indtil der findes en optimal værdi, der kan opfylde bearbejdningsnøjagtighedskravene og undgå oscillationer.
II. Parameterjustering af lukket servosystem
Semi-lukket servosystem
Nogle CNC-servosystemer bruger semi-closed-loop-enheder. Når man justerer det semi-closed-loop servosystem, er det nødvendigt at sikre, at det lokale semi-closed-loop system ikke oscillerer. Da det fuldt lukkede servosystem udfører parameterjustering ud fra den forudsætning, at dets lokale semi-closed-loop system er stabilt, er de to justeringsmetoder ens.
Det semi-lukkede servosystem sender indirekte positionsinformationen fra værktøjsmaskinen tilbage ved at detektere motorens rotationsvinkel eller hastighed. Ved justering af parametre skal følgende aspekter være opmærksomme:
(1) Hastighedsloopparametre: Indstillingerne af hastighedsloopforstærkning og integraltidskonstant har stor indflydelse på systemets stabilitet og responshastighed. En for høj hastighedsloopforstærkning vil føre til en for hurtig systemrespons og er tilbøjelig til at generere oscillationer; mens en for lang integraltidskonstant vil bremse systemresponsen og påvirke behandlingseffektiviteten.
(2) Positionsløkkeparametre: Justering af positionsløkkeforstærkning og filterparametre kan forbedre systemets positionsnøjagtighed og stabilitet. For høj positionsløkkeforstærkning vil forårsage oscillation, og filteret kan filtrere højfrekvent støj fra feedbacksignalet og forbedre systemets stabilitet.
Fuldt lukket servosystem
Fuldt lukket-loop servosystem opnår præcis positionskontrol ved direkte at detektere maskinens faktiske position. Ved justering af fuldt lukket-loop servosystem skal parametrene vælges mere omhyggeligt for at sikre systemets stabilitet og nøjagtighed.
Parameterjusteringen af det fuldt lukkede servosystem omfatter hovedsageligt følgende aspekter:
(1) Positionsløkkeforstærkning: Ligesom i det semi-lukkede løkkesystem vil en for høj positionsløkkeforstærkning føre til oscillation. Da det fuldt lukkede løkkesystem registrerer positionsfejl mere præcist, kan positionsløkkeforstærkningen dog indstilles relativt højt for at forbedre systemets positionsnøjagtighed.
(2) Hastighedsløkkeparametre: Indstillingerne for hastighedsløkkeforstærkning og integraltidskonstant skal justeres i henhold til maskinværktøjets dynamiske egenskaber og bearbejdningskrav. Generelt kan hastighedsløkkeforstærkningen indstilles en smule højere end for det semi-lukkede løkkesystem for at forbedre systemets responshastighed.
(3) Filterparametre: Det fuldt lukkede system er mere følsomt over for støj i feedbacksignalet, så passende filterparametre skal indstilles for at filtrere støj fra. Filtertypen og parametervalget bør justeres i henhold til det specifikke anvendelsesscenarie.
Semi-lukket servosystem
Nogle CNC-servosystemer bruger semi-closed-loop-enheder. Når man justerer det semi-closed-loop servosystem, er det nødvendigt at sikre, at det lokale semi-closed-loop system ikke oscillerer. Da det fuldt lukkede servosystem udfører parameterjustering ud fra den forudsætning, at dets lokale semi-closed-loop system er stabilt, er de to justeringsmetoder ens.
Det semi-lukkede servosystem sender indirekte positionsinformationen fra værktøjsmaskinen tilbage ved at detektere motorens rotationsvinkel eller hastighed. Ved justering af parametre skal følgende aspekter være opmærksomme:
(1) Hastighedsloopparametre: Indstillingerne af hastighedsloopforstærkning og integraltidskonstant har stor indflydelse på systemets stabilitet og responshastighed. En for høj hastighedsloopforstærkning vil føre til en for hurtig systemrespons og er tilbøjelig til at generere oscillationer; mens en for lang integraltidskonstant vil bremse systemresponsen og påvirke behandlingseffektiviteten.
(2) Positionsløkkeparametre: Justering af positionsløkkeforstærkning og filterparametre kan forbedre systemets positionsnøjagtighed og stabilitet. For høj positionsløkkeforstærkning vil forårsage oscillation, og filteret kan filtrere højfrekvent støj fra feedbacksignalet og forbedre systemets stabilitet.
Fuldt lukket servosystem
Fuldt lukket-loop servosystem opnår præcis positionskontrol ved direkte at detektere maskinens faktiske position. Ved justering af fuldt lukket-loop servosystem skal parametrene vælges mere omhyggeligt for at sikre systemets stabilitet og nøjagtighed.
Parameterjusteringen af det fuldt lukkede servosystem omfatter hovedsageligt følgende aspekter:
(1) Positionsløkkeforstærkning: Ligesom i det semi-lukkede løkkesystem vil en for høj positionsløkkeforstærkning føre til oscillation. Da det fuldt lukkede løkkesystem registrerer positionsfejl mere præcist, kan positionsløkkeforstærkningen dog indstilles relativt højt for at forbedre systemets positionsnøjagtighed.
(2) Hastighedsløkkeparametre: Indstillingerne for hastighedsløkkeforstærkning og integraltidskonstant skal justeres i henhold til maskinværktøjets dynamiske egenskaber og bearbejdningskrav. Generelt kan hastighedsløkkeforstærkningen indstilles en smule højere end for det semi-lukkede løkkesystem for at forbedre systemets responshastighed.
(3) Filterparametre: Det fuldt lukkede system er mere følsomt over for støj i feedbacksignalet, så passende filterparametre skal indstilles for at filtrere støj fra. Filtertypen og parametervalget bør justeres i henhold til det specifikke anvendelsesscenarie.
III. Anvendelse af højfrekvent undertrykkelsesfunktion
Ovenstående diskussion omhandler parameteroptimeringsmetoden til lavfrekvente oscillationer. Nogle gange vil CNC-systemet i CNC-maskiner generere feedbacksignaler, der indeholder højfrekvente harmoniske på grund af visse oscillationsårsager i den mekaniske del, hvilket gør, at udgangsmomentet ikke er konstant og dermed genererer vibrationer. I denne situation med højfrekvente oscillationer kan et førsteordens lavpasfilterforbindelse tilføjes til hastighedssløjfen, hvilket er momentfilteret.
Momentfilteret kan effektivt filtrere højfrekvente harmoniske svingninger fra feedbacksignalet, hvilket gør udgangsmomentet mere stabilt og dermed reducerer vibrationer. Ved valg af parametre for momentfilteret skal følgende faktorer tages i betragtning:
(1) Grænsefrekvens: Grænsefrekvensen bestemmer filterets dæmpningsgrad for højfrekvente signaler. En for lav grænsefrekvens vil påvirke systemets responshastighed, mens en for høj grænsefrekvens ikke vil være i stand til effektivt at filtrere højfrekvente harmoniske fra.
(2) Filtertype: Almindelige filtertyper omfatter Butterworth-filter, Chebyshev-filter osv. Forskellige filtertyper har forskellige frekvensresponskarakteristika og skal vælges i henhold til det specifikke anvendelsesscenarie.
(3) Filterrækkefølge: Jo højere filterrækkefølgen er, desto bedre er dæmpningseffekten på højfrekvente signaler, men samtidig vil det også øge systemets beregningsbyrde. Ved valg af filterrækkefølgen skal systemets ydeevne og beregningsressourcer tages i betragtning.
Ovenstående diskussion omhandler parameteroptimeringsmetoden til lavfrekvente oscillationer. Nogle gange vil CNC-systemet i CNC-maskiner generere feedbacksignaler, der indeholder højfrekvente harmoniske på grund af visse oscillationsårsager i den mekaniske del, hvilket gør, at udgangsmomentet ikke er konstant og dermed genererer vibrationer. I denne situation med højfrekvente oscillationer kan et førsteordens lavpasfilterforbindelse tilføjes til hastighedssløjfen, hvilket er momentfilteret.
Momentfilteret kan effektivt filtrere højfrekvente harmoniske svingninger fra feedbacksignalet, hvilket gør udgangsmomentet mere stabilt og dermed reducerer vibrationer. Ved valg af parametre for momentfilteret skal følgende faktorer tages i betragtning:
(1) Grænsefrekvens: Grænsefrekvensen bestemmer filterets dæmpningsgrad for højfrekvente signaler. En for lav grænsefrekvens vil påvirke systemets responshastighed, mens en for høj grænsefrekvens ikke vil være i stand til effektivt at filtrere højfrekvente harmoniske fra.
(2) Filtertype: Almindelige filtertyper omfatter Butterworth-filter, Chebyshev-filter osv. Forskellige filtertyper har forskellige frekvensresponskarakteristika og skal vælges i henhold til det specifikke anvendelsesscenarie.
(3) Filterrækkefølge: Jo højere filterrækkefølgen er, desto bedre er dæmpningseffekten på højfrekvente signaler, men samtidig vil det også øge systemets beregningsbyrde. Ved valg af filterrækkefølgen skal systemets ydeevne og beregningsressourcer tages i betragtning.
Derudover kan følgende foranstaltninger også træffes for yderligere at eliminere oscillationen af CNC-maskiner:
Optimer den mekaniske struktur
Kontroller maskinens mekaniske dele, såsom føringsskinner, føringsskruer, lejer osv., for at sikre, at deres monteringsnøjagtighed og pasform opfylder kravene. Udskift eller reparer meget slidte dele i tide. Juster samtidig maskinens modvægt og balance på en rimelig måde for at reducere genereringen af mekaniske vibrationer.
Forbedre styresystemets anti-interferensevne
Styresystemet i CNC-maskiner påvirkes let af ekstern interferens, såsom elektromagnetisk interferens, strømudsving osv. For at forbedre styresystemets anti-interferensevne kan følgende foranstaltninger træffes:
(1) Brug afskærmede kabler og jordforbindelsesforanstaltninger for at reducere påvirkningen af elektromagnetisk interferens.
(2) Installer strømfiltre for at stabilisere strømforsyningsspændingen.
(3) Optimer styresystemets softwarealgoritme for at forbedre systemets anti-interferens ydeevne.
Regelmæssig vedligeholdelse og vedligeholdelse
Udfør regelmæssig vedligeholdelse og vedligeholdelse af CNC-maskiner, rengør forskellige dele af maskinværktøjet, kontroller smøresystemets og kølesystemets driftstilstand, og udskift slidte dele og smøreolie i tide. Dette kan sikre maskinværktøjets stabile ydeevne og reducere forekomsten af svingninger.
Optimer den mekaniske struktur
Kontroller maskinens mekaniske dele, såsom føringsskinner, føringsskruer, lejer osv., for at sikre, at deres monteringsnøjagtighed og pasform opfylder kravene. Udskift eller reparer meget slidte dele i tide. Juster samtidig maskinens modvægt og balance på en rimelig måde for at reducere genereringen af mekaniske vibrationer.
Forbedre styresystemets anti-interferensevne
Styresystemet i CNC-maskiner påvirkes let af ekstern interferens, såsom elektromagnetisk interferens, strømudsving osv. For at forbedre styresystemets anti-interferensevne kan følgende foranstaltninger træffes:
(1) Brug afskærmede kabler og jordforbindelsesforanstaltninger for at reducere påvirkningen af elektromagnetisk interferens.
(2) Installer strømfiltre for at stabilisere strømforsyningsspændingen.
(3) Optimer styresystemets softwarealgoritme for at forbedre systemets anti-interferens ydeevne.
Regelmæssig vedligeholdelse og vedligeholdelse
Udfør regelmæssig vedligeholdelse og vedligeholdelse af CNC-maskiner, rengør forskellige dele af maskinværktøjet, kontroller smøresystemets og kølesystemets driftstilstand, og udskift slidte dele og smøreolie i tide. Dette kan sikre maskinværktøjets stabile ydeevne og reducere forekomsten af svingninger.
Afslutningsvis kræver eliminering af oscillation i CNC-maskiner omfattende overvejelser af mekaniske og elektriske faktorer. Ved at justere servosystemets parametre på en rimelig måde, anvende en højfrekvent undertrykkelsesfunktion, optimere den mekaniske struktur, forbedre styresystemets anti-interferensevne og udføre regelmæssig vedligeholdelse og vedligeholdelse kan forekomsten af oscillation reduceres effektivt, og maskinværktøjets bearbejdningsnøjagtighed og stabilitet kan forbedres.