XB4450仿型銑床數控化伺服改造及精度控制

　　摘要：將XB4450仿型銑床改造成四軸三聯動數控銑床，并采用交流伺服驅動。配上數控分度頭可以加工齒輪、蝸輪等復雜機械零件，同時應用數字化全閉環控制方法，使其具有很高的加工精度。

1 改造的必要性

     國內某廠為了滿足加工需要、節省資金、委托我們將該廠閑置的XB4450仿型銑床改造為四軸三聯動的數控銑床以滿足加工曲線、曲面類零件。改造后的數控銑床具有立式和臥式雙重功能，能實現四軸三聯動。改造方案簡單易行、改造性價比較高。同時廠方為了達到更高精度，要求我們嘗試著使用數字化全閉環高精度控制技術，在改造后的XB4450仿型銑床上進行應用之后，取得了滿意的效果。

2  數控化改造方案

2.1  原機床基本動作
    XB4450 仿型銑床是一種利用靠模近似加工簡單平面曲線的精密銑床，主軸靠一個雙速電機驅動，通過機械調速裝置可實現18種不同的速度變化。主軸進給由一個直流電機驅動，可以在一定范圍內調速，機床主軸箱的升降由一個電機驅動，來控制刀具的上下移動，主軸箱上有靠模儀座、剎車機構、操作面板等。工作臺由一臺直流電機驅動。

2.2  改造方案
（1）主軸進給直流電機改為交流伺服電機，精確控制主軸進給量（Z軸）。

（2）主軸箱升降驅動電機改為交流伺服電機，精確控制刀具上下移動（r軸）。

（3）工作臺直流電機改為交流伺服電機，精確控制工作臺往復運動（X軸）。

（4）在肋板上安裝豎向工作臺，并配數控分度頭（C軸），改造后具有立式和臥式雙重數控銑床功能，實現四軸三聯動。

（5）主軸進給、主軸箱升降、工作臺傳動的絲杠全部換成精度較高的滾珠絲杠。

（6）在工作臺移動和主軸箱升降兩個方向安裝直線光柵，形成全閉環控制，以提高機床加工精度。

（7）原機床主軸靠一個雙速電機驅動，通過機械調速裝置可實現18種不同的速度變化，基本上滿足使用要求。    

    改裝后傳動系統如圖1。

1.主軸箱升降伺服電機  2.工作臺伺服電機  3.數控分度頭  4.刀具進給伺服電機
圖1  改造后的銑床傳動系統

3  數字化全閉環位置控制系統

     改造后系統采用全閉環伺服系統，由于進給絲杠的拉壓、扭轉剛度以及摩擦阻尼特性和間隙等非線性因素，若各參數配置不當，將會引起振蕩，造成不穩定現象從而影響定位精度，為了滿足系統穩定性，所以采用全閉環。在全閉環伺服控制系統中，對位置檢測元件和反饋元件的選擇很關鍵。直線光刪具有檢測精度高、重復性好、抗干擾能力強，耐油耐污及維護簡單等優點。全閉環伺服系統工作原理：安裝在工作臺上的光柵位置檢測裝置測量出工作臺的實際位移x1，產生反饋脈沖F1 輸入到位置偏差檢測器，并與位置指令脈沖pp相比較，并產生偏差脈沖pe。此偏差脈沖位置控制信號經放大器和數模轉換器后加放大輸出工作電壓Uc，與編碼器反饋電壓Ug比較和放大后，產生伺服電機控制電壓Um，驅動電機旋轉，從而帶動滾珠絲杠旋轉，通過絲杠螺母副使工作臺輸出位移。

     數字化全閉環位置控制方法就是在對機床運動部件進行數字式驅動的基礎上，引入直接檢測運動部件最終位移的數字式測量環節，以充分獲取和利用系統信息，從反饋控制的角度對機床各坐標的運動進行數字化控制，由此構成包括各種誤差源和非線性環節的數字化全閉環系統。這樣，該系統不但可使運動部件的定位精度由檢測環節的測量精度決定，而且可對各種干擾和非線性因素對運動部件位移產生的影響進行有效的動態校正，使任何時刻運動的實際位移總是跟隨指令值變化，從而保證機床各坐標具有很高的動、穩態精度。其數字化全閉環控制系統的組成如圖2所示。

圖2  數字化全閉環位置控制系統的組成

     該系統采用光柵作為線位移檢測裝置直接獲取機床工作臺的位移信息，此信息經過前置處理后得到相位差為90‘的兩路位移脈沖信號，其頻率與工作臺的移動速度成正比，其數量為工作臺實際位移量除以脈沖當量。位移脈沖被送人可逆計數器進行計數，該計數器中的計數值即表示了工作臺的當前實際位置。系統中位置控制器的作用是，根據位置給定值與位置反饋之差，按預先設計的數字化控制規律控制整個系統的運行，以保證工作臺位移嚴格跟隨指令值變化。數字化全閉環位置控制系統的動態結構圖如圖3所示。

圖3  數字化全閉環位置控制系統的動態結構圖

    為使閉環系統具有較快的動態性能并且跟蹤斜坡輸入無穩態誤差，采用PID調節器作為位置控制器，其實現算法為：

  （1）

     式中：U_k為第k采樣周期控制器的輸出；e_k為第k采樣周期系統輸入與輸出之間的跟隨誤差；K_p為比例系數；T_i為積分時間常數；T_d為微分時間常數。

     實際調試時發現，系統動態過程的超調往往過大，有時甚至不能正常工作。為解決該問題，對式（1）中的積分作用進行分離控制。即當系統處于過渡過程，跟蹤誤差較大時，取消積分控制，以保證穩定工作。當系統進入穩態跟蹤過程時，加入積分控制，以保證跟蹤斜坡輸入的穩態差為0。由此得到的控制算法為：

  （2）
    式中：Ki為積分系數，；K_d為微分系數，；S為控制積分作用的開關變量，其取值為

   （3）

    式中：Δ為穩態跟蹤區間。

4  結論

（1）將XB4450仿型銑床進行數控化伺服改造后，可實現三軸聯動，能加工復雜的曲面，還可以加工齒輪、蝸輪等復雜型面機械零件。

（2）改造方案簡單易行，操作方便。其加工能力、自動化水平和加工精度明顯提高。

（3）改造后的XB4450數控銑床控制精度可以達到J0.005mm。