全闭环控制系统在摇篮式工作台的应用

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摘要：YHK250摇篮式数控回转工作台是高端数控铣床及加工中心上第4、第5回转轴的关键配套零部件，可以解决零件的复杂曲面加工和多工序加工，提高产品加工质量和效率。对于高精度的机床附件来说，精度是机械加工中的重中之重，全闭环控制系统可以很好的提高工作台分度的定位精度和重复定位精度。此次研究主要完成了YHK250摇篮式工作台全闭环控制系统的设计、安装和调试，经过反复测试使得控制精度达到了工作台的设计要求。

关键词：全闭环；机床附件；高精度；YHK250

1概述

1.1YHK250摇篮式数控回转工作台

YHK250摇篮式数控回转工作台则采用了交流伺服电机驱动，双导程精密蜗轮、蜗杆副传动，电磁盘刹车夹紧，磁环检测反馈，可实现全闭环控制，从而提高转台分度的定位精度和重复定位精度。与同类型产品相比，该工作台具有分度精度高，可控性好，电磁刹车夹紧可靠，安装方便等优点，改进了液压（或气动）刹车夹紧方式的不方便和不稳定性。该项目产品主要应用于高端五轴联动数控加工设备之上，性价比高、高效节能，在制造行业使用价值较高，市场前景很好，竞争潜力很大。

1.2应用全闭环控制系统的意义和目的

机床的加工精度是数控机床生产中最为重要的指标，也是机床附件生产中所必须重视和保证的要素之一，现在的高端机床一般都采用64位高速度、高性能的CPU来提高基本运算能力，由于高位处理器有更高的数据吞吐能力，因而大大减小了控制的采样周期，可是控制环路得到较高的增益，提升系统在高速进给下的插补误差，从而有效保证了加工精度。YHK250摇篮式数控回转工作台紧凑的结构设计良好的保证了工作台的刚度，为全闭环控制系统的精确控制提供了良好的必要条件。全闭环控制系统则为YHK250摇篮式数控回转工作台提供了更精确的控制，使工作台的分度定位精度和重复定位精度达到设计要求。

2半闭环控制系统

2.1半闭环控制系统原理

半闭环控制系统是在开环控制系统的基础上增加了一个输出量的反馈，通过比较系统计算控制行为（输出量）与期望（给定值）的偏差，并消除偏差来达到控制系统的期望值（给定值）。对于数控系统的半闭环控制系统来说，一般是在伺服电机端增加速度与位置量的检测反馈，此反馈与数控系统中的给定值比较，得到差值、消除差值的控制系统。

2.2半闭环控制系统的应用

由于半闭环控制系统的反馈如上所述是在伺服电机端增加的反馈量，所以如果半闭环控制系统应用在YHK250摇篮式数控回转工作台中，摇摆涡轮和回转涡轮的传动误差仍会影响工作台的分度精度。由于半闭环控制系统结构简单，成本低，目前应用比较广泛。半闭环控制方式所能达到的精度、速度等性能优于开环控制，一般用于中小型机床或者加工精度不高的机床。

2.3半闭环控制系统的结构

若半闭环控制系统应用在YHK250摇篮式数控回转工作台中，则伺服电机端的速度反馈和位置反馈都由编码器来实现，这种控制方式不能消除或减小机械传动系统中所带来的误差，随着当今社会的发展，机床的加工精度要求越来越高，半闭环控制系统已经满足不了现在的需求。图1为半闭环控制系统结构框图

3全闭环控制系统及其在YHK250摇篮式数控回转工作台中的应用

3.1YHK250摇篮式数控回转工作台结构

如图2所示为YHK250摇篮式数控回转工作台的结构，其回转台采用角接触轴承和推力轴承相结合的安装方式，对轴承预紧，可保证足够的承载和对中心轴线的同轴度。摇摆轴采用角接触轴承对称布局，左右两侧预紧，底座设计为整体铸件，稳定性好，可保证足够的承载和对中心轴线的同轴度。传动系统上，该工作台采用高精度双导程蜗轮蜗杆副传动，可沿蜗杆轴向调整传动间隙，消除传动误差，从机械上提高了传动精度，保证了工作台的刚性。

3.2全闭环控制系统的实现

3.2.1位置检测的全闭环控制由于半闭环控制系统已不能满足现代高精度机床的需求，为了获得更高的控制精度，在YHK250摇篮式数控回转工作台的回转轴和摇摆轴增加高精度的检测装置如磁环式传感器来实现全闭环控制。YHK250摇篮式数控回转工作台磁环测量位置反馈全闭环控制结构框图如图3所示。图3中：伺服驱动器与伺服电机通过编码器的速度反馈来实现闭环控制，通过数控系统调节工作台转速。磁环作为位移量反馈的检测原件，用来测量工作台回转轴和摇摆轴的转动角度，同时将其转换成数控系统可分析的正弦波信号。其测量输出的正弦波信号，具有检测范围宽，精度高，稳定可靠，使用寿命高的特点。而且正弦波信号控制方式使工作台运行更平稳，输出效率更好，实时反馈各轴旋转误差，使数控系统对工作台进行误差跟踪补偿，从而保证工作台回转轴和摇摆轴具有很好的动态响应和定位精度。全闭环控制系统可以提高系统控制的精度和效率，直接安装在回转轴和摇摆轴的磁环检测工作台位置变化形成反馈，使数控系统得到工作台的位置反馈从而进行修正；伺服电机上的编码器只检测工作台速度，反馈到数控系统后做速度修正。这样的控制系统就可以消除机械传动链路中的各种误差，达到工作台所设计的精度要求。3.2.2位置检测与测量磁环是磁性旋转编码器的简称，磁性旋转编码器有三个主要组件：磁盘，传感器和调节电路。磁盘已磁化，其圆周上有许多磁极。由于位移量是矢量，传感器检测磁盘旋转时磁场的变化，并将此信息转换为正弦波；传感器可以是感应电压变化的霍尔效应器件，也可以是感应磁场变化的磁阻器件，通过传感器传递出来的正弦波信号的幅值大小可以反推出磁环旋转的角度进而得到工作台的位移量，正弦波信号的相位差可以判断出工作台的旋转方向，调节电路对信号进行倍增，分频或内插以产生所需的输出，从而完成工作台位置的测量。磁性编码器的最大优势是其坚固性，磁性编码器对灰尘，污垢，液体和油脂等污染物以及震动和振动不敏感。与光学编码器类似，磁性编码器确实需要在磁盘和传感器之间留有气隙，但是，磁性编码器中的气隙不需要像光学编码器那样清洁和透明。只要在磁盘和传感器之间不存在任何含铁材料，就会检测到电磁脉冲。同时，磁性编码器还有结构简单紧凑，易于小型化，安装调试简单，转速高，响应速度快等优点，现已大量应用于我过高端机床的检测环节中。3.2.3数控系统参数设置要想实现高精度加工，必须对数控系统机床运行参数进行必要的设置，才能发挥出全闭环控制系统的控制性能：如基本参数，轴控制/设定相关参数，进给速度相关参数，伺服控制相关参数，硬件相关参数，螺补/间补相关参数，螺距误差补偿相关参数等各种参数。工作台各种间隙、误差的测量是通过激光干涉仪精密测量得到的，将数据输入数控系统，数控系统就可以根据全闭环控制系统实时追踪补偿误差，使工作台达到设计要求精度，不同的数控系统参数略有区别，以实际使用的数控系统为准。

4总结

本文研究了全闭环控制系统在YHK250摇篮式工作台中的应用，从实际效果可以看出，工作台的位置反馈由直接安装在回转轴和摇摆轴上的磁环来完成，中间没有多余的机械传动部件，可以使数控系统可以很好的消除回转涡轮、摇摆涡轮的传动误差。只需要合理选择磁环，保证磁盘与传感器之间间隙中没有磁性物质，就可以保证反馈信号的准确，达到设计的分度精度，从而满足工作台设计要求。其应用对机床附件的设计与开发提供了很好的实际应用案例，对设计者设计开发起到了一定的积极推动作用。

参考文献：

[1]王文杰，宋扬.X-Y工作台的半闭环控制系统设计[J].机械工程与自动化，2007（06）：159-161.

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[3]杨林建.机床电器控制技术[M].北京：北京理工大学出版社，2008.

[4]陈复扬.自动控制原理（中文版）[M].国防工业出版社，2010.

作者：张大麟 金朝鲜 单位：陕西省机械研究院