Metody pro eliminaci kmitání CNC obráběcích strojů
CNC obráběcí stroje hrají důležitou roli v moderní průmyslové výrobě. Problém s kmitaním však často trápí obsluhu i výrobce. Důvody kmitání CNC obráběcích strojů jsou poměrně složité. Kromě mnoha faktorů, jako jsou neodstranitelné převodové mezery, elastická deformace a třecí odpor z mechanického hlediska, je důležitým aspektem také vliv příslušných parametrů servosystému. Nyní výrobce CNC obráběcích strojů podrobně představí metody, jak eliminovat kmitání CNC obráběcích strojů.
I. Snížení zesílení polohové smyčky
Proporcionálně-integračně-derivační regulátor je multifunkční regulátor, který hraje klíčovou roli v CNC obráběcích strojích. Dokáže nejen efektivně provádět proporcionální zesílení proudových a napěťových signálů, ale také upravovat problém zpoždění nebo předběhnutí výstupního signálu. K oscilačním poruchám někdy dochází v důsledku zpoždění nebo předběhnutí výstupního proudu a napětí. V tomto případě lze PID použít k nastavení fáze výstupního proudu a napětí.
Zesílení polohové smyčky je klíčovým parametrem v řídicím systému CNC obráběcích strojů. Pokud je zesílení polohové smyčky příliš vysoké, je systém příliš citlivý na chyby polohy a je náchylný k kmitání. Snížení zesílení polohové smyčky může snížit rychlost odezvy systému a tím snížit možnost kmitání.
Při nastavování zesílení polohovací smyčky je třeba jej přiměřeně nastavit podle konkrétního modelu obráběcího stroje a požadavků na zpracování. Obecně lze zesílení polohovací smyčky nejprve snížit na relativně nízkou úroveň a poté jej postupně zvyšovat za současného pozorování provozu obráběcího stroje, dokud se nenajde optimální hodnota, která splňuje požadavky na přesnost zpracování a zabraňuje kmitání.
Proporcionálně-integračně-derivační regulátor je multifunkční regulátor, který hraje klíčovou roli v CNC obráběcích strojích. Dokáže nejen efektivně provádět proporcionální zesílení proudových a napěťových signálů, ale také upravovat problém zpoždění nebo předběhnutí výstupního signálu. K oscilačním poruchám někdy dochází v důsledku zpoždění nebo předběhnutí výstupního proudu a napětí. V tomto případě lze PID použít k nastavení fáze výstupního proudu a napětí.
Zesílení polohové smyčky je klíčovým parametrem v řídicím systému CNC obráběcích strojů. Pokud je zesílení polohové smyčky příliš vysoké, je systém příliš citlivý na chyby polohy a je náchylný k kmitání. Snížení zesílení polohové smyčky může snížit rychlost odezvy systému a tím snížit možnost kmitání.
Při nastavování zesílení polohovací smyčky je třeba jej přiměřeně nastavit podle konkrétního modelu obráběcího stroje a požadavků na zpracování. Obecně lze zesílení polohovací smyčky nejprve snížit na relativně nízkou úroveň a poté jej postupně zvyšovat za současného pozorování provozu obráběcího stroje, dokud se nenajde optimální hodnota, která splňuje požadavky na přesnost zpracování a zabraňuje kmitání.
II. Nastavení parametrů servosystému s uzavřenou smyčkou
Servosystém s polouzavřenou smyčkou
Některé CNC servosystémy používají zařízení s polouzavřenou smyčkou. Při nastavování servosystému s polouzavřenou smyčkou je nutné zajistit, aby lokální systém s polouzavřenou smyčkou neosciloval. Protože servosystém s plně uzavřenou smyčkou provádí nastavení parametrů za předpokladu, že jeho lokální systém s polouzavřenou smyčkou je stabilní, jsou si oba podobné v metodách nastavení.
Servosystém s polouzavřenou smyčkou nepřímo poskytuje zpětnou vazbu informací o poloze obráběcího stroje detekcí úhlu natočení nebo otáček motoru. Při nastavování parametrů je třeba věnovat pozornost následujícím aspektům:
(1) Parametry rychlostní smyčky: Nastavení zesílení rychlostní smyčky a integrační časové konstanty má velký vliv na stabilitu a rychlost odezvy systému. Příliš vysoké zesílení rychlostní smyčky povede k příliš rychlé odezvě systému a je náchylné ke generování oscilací; zatímco příliš dlouhá integrační časová konstanta zpomalí odezvu systému a ovlivní efektivitu zpracování.
(2) Parametry polohové smyčky: Úprava zesílení polohové smyčky a parametrů filtru může zlepšit přesnost polohování a stabilitu systému. Příliš vysoké zesílení polohové smyčky způsobí oscilace a filtr může odfiltrovat vysokofrekvenční šum v signálu zpětné vazby a zlepšit stabilitu systému.
Servosystém s plně uzavřenou smyčkou
Servosystém s plně uzavřenou smyčkou realizuje přesné řízení polohy přímou detekcí skutečné polohy obráběcího stroje. Při nastavování servosystému s plně uzavřenou smyčkou je třeba pečlivěji volit parametry, aby byla zajištěna stabilita a přesnost systému.
Nastavení parametrů servosystému s plně uzavřenou smyčkou zahrnuje zejména následující aspekty:
(1) Zesílení polohové smyčky: Podobně jako u systému s polouzavřenou smyčkou vede příliš vysoké zesílení polohové smyčky k oscilaci. Protože však systém s plně uzavřenou smyčkou detekuje chyby polohy přesněji, lze zesílení polohové smyčky nastavit relativně vysoko, aby se zlepšila přesnost polohy systému.
(2) Parametry rychlostní smyčky: Nastavení zesílení rychlostní smyčky a integrační časové konstanty je třeba upravit podle dynamických charakteristik a požadavků na zpracování obráběcího stroje. Obecně lze zesílení rychlostní smyčky nastavit o něco vyšší než u systému s polouzavřenou smyčkou, aby se zlepšila rychlost odezvy systému.
(3) Parametry filtru: Systém s plně uzavřenou smyčkou je citlivější na šum v signálu zpětné vazby, proto je třeba nastavit vhodné parametry filtru pro odfiltrování šumu. Typ a výběr parametrů filtru by měl být upraven podle konkrétního scénáře aplikace.
Servosystém s polouzavřenou smyčkou
Některé CNC servosystémy používají zařízení s polouzavřenou smyčkou. Při nastavování servosystému s polouzavřenou smyčkou je nutné zajistit, aby lokální systém s polouzavřenou smyčkou neosciloval. Protože servosystém s plně uzavřenou smyčkou provádí nastavení parametrů za předpokladu, že jeho lokální systém s polouzavřenou smyčkou je stabilní, jsou si oba podobné v metodách nastavení.
Servosystém s polouzavřenou smyčkou nepřímo poskytuje zpětnou vazbu informací o poloze obráběcího stroje detekcí úhlu natočení nebo otáček motoru. Při nastavování parametrů je třeba věnovat pozornost následujícím aspektům:
(1) Parametry rychlostní smyčky: Nastavení zesílení rychlostní smyčky a integrační časové konstanty má velký vliv na stabilitu a rychlost odezvy systému. Příliš vysoké zesílení rychlostní smyčky povede k příliš rychlé odezvě systému a je náchylné ke generování oscilací; zatímco příliš dlouhá integrační časová konstanta zpomalí odezvu systému a ovlivní efektivitu zpracování.
(2) Parametry polohové smyčky: Úprava zesílení polohové smyčky a parametrů filtru může zlepšit přesnost polohování a stabilitu systému. Příliš vysoké zesílení polohové smyčky způsobí oscilace a filtr může odfiltrovat vysokofrekvenční šum v signálu zpětné vazby a zlepšit stabilitu systému.
Servosystém s plně uzavřenou smyčkou
Servosystém s plně uzavřenou smyčkou realizuje přesné řízení polohy přímou detekcí skutečné polohy obráběcího stroje. Při nastavování servosystému s plně uzavřenou smyčkou je třeba pečlivěji volit parametry, aby byla zajištěna stabilita a přesnost systému.
Nastavení parametrů servosystému s plně uzavřenou smyčkou zahrnuje zejména následující aspekty:
(1) Zesílení polohové smyčky: Podobně jako u systému s polouzavřenou smyčkou vede příliš vysoké zesílení polohové smyčky k oscilaci. Protože však systém s plně uzavřenou smyčkou detekuje chyby polohy přesněji, lze zesílení polohové smyčky nastavit relativně vysoko, aby se zlepšila přesnost polohy systému.
(2) Parametry rychlostní smyčky: Nastavení zesílení rychlostní smyčky a integrační časové konstanty je třeba upravit podle dynamických charakteristik a požadavků na zpracování obráběcího stroje. Obecně lze zesílení rychlostní smyčky nastavit o něco vyšší než u systému s polouzavřenou smyčkou, aby se zlepšila rychlost odezvy systému.
(3) Parametry filtru: Systém s plně uzavřenou smyčkou je citlivější na šum v signálu zpětné vazby, proto je třeba nastavit vhodné parametry filtru pro odfiltrování šumu. Typ a výběr parametrů filtru by měl být upraven podle konkrétního scénáře aplikace.
III. Použití funkce potlačení vysokých frekvencí
Výše uvedená diskuse se týká metody optimalizace parametrů pro nízkofrekvenční oscilace. CNC systém CNC obráběcích strojů někdy generuje zpětnovazební signály obsahující vysokofrekvenční harmonické z určitých důvodů oscilace v mechanické části, což způsobuje, že výstupní moment není konstantní, a tím vznikají vibrace. Pro tuto situaci vysokofrekvenčních oscilací lze do rychlostní smyčky přidat nízkofrekvenční filtr prvního řádu, kterým je momentový filtr.
Momentový filtr dokáže účinně filtrovat vysokofrekvenční harmonické v signálu zpětné vazby, čímž se výstupní moment stabilizuje a tím se sníží vibrace. Při výběru parametrů momentového filtru je třeba zvážit následující faktory:
(1) Mezní frekvence: Mezní frekvence určuje stupeň útlumu filtru pro vysokofrekvenční signály. Příliš nízká mezní frekvence ovlivní rychlost odezvy systému, zatímco příliš vysoká mezní frekvence nebude schopna účinně filtrovat vysokofrekvenční harmonické.
(2) Typ filtru: Mezi běžné typy filtrů patří Butterworthův filtr, Čebyševův filtr atd. Různé typy filtrů mají různé charakteristiky frekvenční odezvy a je třeba je volit podle konkrétního scénáře aplikace.
(3) Řád filtru: Čím vyšší je řád filtru, tím lepší je útlumový efekt na vysokofrekvenční signály, ale zároveň se tím zvýší výpočetní zátěž systému. Při výběru řádu filtru je třeba komplexně zvážit výkon a výpočetní zdroje systému.
Výše uvedená diskuse se týká metody optimalizace parametrů pro nízkofrekvenční oscilace. CNC systém CNC obráběcích strojů někdy generuje zpětnovazební signály obsahující vysokofrekvenční harmonické z určitých důvodů oscilace v mechanické části, což způsobuje, že výstupní moment není konstantní, a tím vznikají vibrace. Pro tuto situaci vysokofrekvenčních oscilací lze do rychlostní smyčky přidat nízkofrekvenční filtr prvního řádu, kterým je momentový filtr.
Momentový filtr dokáže účinně filtrovat vysokofrekvenční harmonické v signálu zpětné vazby, čímž se výstupní moment stabilizuje a tím se sníží vibrace. Při výběru parametrů momentového filtru je třeba zvážit následující faktory:
(1) Mezní frekvence: Mezní frekvence určuje stupeň útlumu filtru pro vysokofrekvenční signály. Příliš nízká mezní frekvence ovlivní rychlost odezvy systému, zatímco příliš vysoká mezní frekvence nebude schopna účinně filtrovat vysokofrekvenční harmonické.
(2) Typ filtru: Mezi běžné typy filtrů patří Butterworthův filtr, Čebyševův filtr atd. Různé typy filtrů mají různé charakteristiky frekvenční odezvy a je třeba je volit podle konkrétního scénáře aplikace.
(3) Řád filtru: Čím vyšší je řád filtru, tím lepší je útlumový efekt na vysokofrekvenční signály, ale zároveň se tím zvýší výpočetní zátěž systému. Při výběru řádu filtru je třeba komplexně zvážit výkon a výpočetní zdroje systému.
Kromě toho, aby se dále eliminovalo kmitání CNC obráběcích strojů, lze přijmout i následující opatření:
Optimalizace mechanické struktury
Zkontrolujte mechanické části obráběcího stroje, jako jsou vodicí lišty, vodicí šrouby, ložiska atd., abyste se ujistili, že jejich přesnost montáže a vůle při uložení splňují požadavky. Silně opotřebované díly včas vyměňte nebo opravte. Zároveň přiměřeně seřiďte protizávaží a vyvážení obráběcího stroje, abyste snížili vznik mechanických vibrací.
Zlepšete odolnost řídicího systému proti rušení
Řídicí systém CNC obráběcích strojů je snadno ovlivněn vnějším rušením, jako je elektromagnetické rušení, kolísání výkonu atd. Pro zlepšení odolnosti řídicího systému proti rušení lze přijmout následující opatření:
(1) Použijte stíněné kabely a uzemňovací opatření ke snížení vlivu elektromagnetického rušení.
(2) Nainstalujte výkonové filtry pro stabilizaci napájecího napětí.
(3) Optimalizovat softwarový algoritmus řídicího systému pro zlepšení jeho odolnosti proti rušení.
Pravidelná údržba a údržba
Pravidelně provádějte údržbu a servis CNC obráběcích strojů, čistěte různé části obráběcího stroje, kontrolujte provozní podmínky mazacího a chladicího systému a včas vyměňujte opotřebované díly a mazací olej. Tím zajistíte stabilní výkon obráběcího stroje a snížíte výskyt kmitání.
Optimalizace mechanické struktury
Zkontrolujte mechanické části obráběcího stroje, jako jsou vodicí lišty, vodicí šrouby, ložiska atd., abyste se ujistili, že jejich přesnost montáže a vůle při uložení splňují požadavky. Silně opotřebované díly včas vyměňte nebo opravte. Zároveň přiměřeně seřiďte protizávaží a vyvážení obráběcího stroje, abyste snížili vznik mechanických vibrací.
Zlepšete odolnost řídicího systému proti rušení
Řídicí systém CNC obráběcích strojů je snadno ovlivněn vnějším rušením, jako je elektromagnetické rušení, kolísání výkonu atd. Pro zlepšení odolnosti řídicího systému proti rušení lze přijmout následující opatření:
(1) Použijte stíněné kabely a uzemňovací opatření ke snížení vlivu elektromagnetického rušení.
(2) Nainstalujte výkonové filtry pro stabilizaci napájecího napětí.
(3) Optimalizovat softwarový algoritmus řídicího systému pro zlepšení jeho odolnosti proti rušení.
Pravidelná údržba a údržba
Pravidelně provádějte údržbu a servis CNC obráběcích strojů, čistěte různé části obráběcího stroje, kontrolujte provozní podmínky mazacího a chladicího systému a včas vyměňujte opotřebované díly a mazací olej. Tím zajistíte stabilní výkon obráběcího stroje a snížíte výskyt kmitání.
Závěrem lze říci, že eliminace kmitání CNC obráběcích strojů vyžaduje komplexní zvážení mechanických a elektrických faktorů. Rozumným nastavením parametrů servosystému, přijetím funkce potlačení vysokých frekvencí, optimalizací mechanické struktury, zlepšením odolnosti řídicího systému proti rušení a prováděním pravidelné údržby lze účinně snížit výskyt kmitání a zlepšit přesnost obrábění a stabilitu obráběcího stroje.