Metódy na elimináciu vibrácií CNC obrábacích strojov
CNC obrábacie stroje zohrávajú dôležitú úlohu v modernej priemyselnej výrobe. Problém s kmitaním však často trápi operátorov a výrobcov. Príčiny kmitania CNC obrábacích strojov sú pomerne zložité. Okrem mnohých faktorov, ako sú neodstrániteľné prevodové medzery, elastická deformácia a trecí odpor z mechanického hľadiska, je dôležitým aspektom aj vplyv príslušných parametrov servosystému. Výrobca CNC obrábacích strojov teraz podrobne predstaví metódy na elimináciu kmitania CNC obrábacích strojov.
I. Zníženie zosilnenia polohovej slučky
Proporcionálno-integračno-derivačný regulátor je multifunkčný regulátor, ktorý hrá kľúčovú úlohu v CNC obrábacích strojoch. Dokáže nielen efektívne vykonávať proporcionálne zosilnenie prúdových a napäťových signálov, ale aj upravovať problém oneskorenia alebo predbiehania výstupného signálu. V dôsledku oneskorenia alebo predbiehania výstupného prúdu a napätia sa niekedy vyskytujú oscilačné poruchy. V tomto prípade je možné PID použiť na nastavenie fázy výstupného prúdu a napätia.
Zisk polohovej slučky je kľúčovým parametrom v riadiacom systéme CNC obrábacích strojov. Keď je zisk polohovej slučky príliš vysoký, systém je príliš citlivý na chyby polohy a je náchylný na kmitanie. Zníženie zosilnenia polohovej slučky môže znížiť rýchlosť odozvy systému a tým znížiť možnosť kmitania.
Pri nastavovaní zosilnenia polohovej slučky je potrebné ho primerane nastaviť podľa konkrétneho modelu obrábacieho stroja a požiadaviek na spracovanie. Vo všeobecnosti sa zosilnenie polohovej slučky môže najprv znížiť na relatívne nízku úroveň a potom sa postupne zvyšovať pri pozorovaní prevádzky obrábacieho stroja, kým sa nenájde optimálna hodnota, ktorá spĺňa požiadavky na presnosť spracovania a zabraňuje kmitaniu.
Proporcionálno-integračno-derivačný regulátor je multifunkčný regulátor, ktorý hrá kľúčovú úlohu v CNC obrábacích strojoch. Dokáže nielen efektívne vykonávať proporcionálne zosilnenie prúdových a napäťových signálov, ale aj upravovať problém oneskorenia alebo predbiehania výstupného signálu. V dôsledku oneskorenia alebo predbiehania výstupného prúdu a napätia sa niekedy vyskytujú oscilačné poruchy. V tomto prípade je možné PID použiť na nastavenie fázy výstupného prúdu a napätia.
Zisk polohovej slučky je kľúčovým parametrom v riadiacom systéme CNC obrábacích strojov. Keď je zisk polohovej slučky príliš vysoký, systém je príliš citlivý na chyby polohy a je náchylný na kmitanie. Zníženie zosilnenia polohovej slučky môže znížiť rýchlosť odozvy systému a tým znížiť možnosť kmitania.
Pri nastavovaní zosilnenia polohovej slučky je potrebné ho primerane nastaviť podľa konkrétneho modelu obrábacieho stroja a požiadaviek na spracovanie. Vo všeobecnosti sa zosilnenie polohovej slučky môže najprv znížiť na relatívne nízku úroveň a potom sa postupne zvyšovať pri pozorovaní prevádzky obrábacieho stroja, kým sa nenájde optimálna hodnota, ktorá spĺňa požiadavky na presnosť spracovania a zabraňuje kmitaniu.
II. Nastavenie parametrov servosystému s uzavretou slučkou
Servosystém s polouzavretou slučkou
Niektoré CNC servosystémy používajú zariadenia s polouzavretou slučkou. Pri nastavovaní servosystému s polouzavretou slučkou je potrebné zabezpečiť, aby lokálny systém s polouzavretou slučkou nekmital. Keďže servosystém s plne uzavretou slučkou vykonáva nastavenie parametrov za predpokladu, že jeho lokálny systém s polouzavretou slučkou je stabilný, tieto dva systémy majú podobné metódy nastavenia.
Servosystém s polouzavretou slučkou nepriamo poskytuje spätnú väzbu o polohe obrábacieho stroja detekciou uhla natočenia alebo rýchlosti motora. Pri nastavovaní parametrov je potrebné venovať pozornosť nasledujúcim aspektom:
(1) Parametre rýchlostnej slučky: Nastavenia zosilnenia rýchlostnej slučky a integračnej časovej konštanty majú veľký vplyv na stabilitu a rýchlosť odozvy systému. Príliš vysoké zosilnenie rýchlostnej slučky povedie k príliš rýchlej odozve systému a je náchylné na generovanie oscilácií; zatiaľ čo príliš dlhá integračná časová konštanta spomalí odozvu systému a ovplyvní efektivitu spracovania.
(2) Parametre polohovej slučky: Nastavenie zosilnenia polohovej slučky a parametrov filtra môže zlepšiť presnosť polohy a stabilitu systému. Príliš vysoké zosilnenie polohovej slučky spôsobí kmitanie a filter môže odfiltrovať vysokofrekvenčný šum v spätnoväzobnom signáli a zlepšiť stabilitu systému.
Servosystém s plne uzavretou slučkou
Servosystém s plne uzavretou slučkou realizuje presné riadenie polohy priamym snímaním skutočnej polohy obrábacieho stroja. Pri nastavovaní servosystému s plne uzavretou slučkou je potrebné starostlivejšie voliť parametre, aby sa zabezpečila stabilita a presnosť systému.
Nastavenie parametrov servosystému s plne uzavretou slučkou zahŕňa najmä nasledujúce aspekty:
(1) Zisk polohovej slučky: Podobne ako v prípade systému s polouzavretou slučkou, príliš vysoký zisk polohovej slučky povedie k oscilácii. Keďže však systém s plne uzavretou slučkou detekuje chyby polohy presnejšie, je možné nastaviť relatívne vysoký zisk polohovej slučky, aby sa zlepšila presnosť polohy systému.
(2) Parametre rýchlostnej slučky: Nastavenia zosilnenia rýchlostnej slučky a integračnej časovej konštanty je potrebné upraviť podľa dynamických charakteristík a požiadaviek na spracovanie obrábacieho stroja. Vo všeobecnosti možno zosilnenie rýchlostnej slučky nastaviť o niečo vyššie ako v systéme s polouzavretou slučkou, aby sa zlepšila rýchlosť odozvy systému.
(3) Parametre filtra: Systém s plne uzavretou slučkou je citlivejší na šum v signáli spätnej väzby, preto je potrebné nastaviť vhodné parametre filtra na filtrovanie šumu. Typ a výber parametrov filtra by sa mali upraviť podľa konkrétneho scenára aplikácie.
Servosystém s polouzavretou slučkou
Niektoré CNC servosystémy používajú zariadenia s polouzavretou slučkou. Pri nastavovaní servosystému s polouzavretou slučkou je potrebné zabezpečiť, aby lokálny systém s polouzavretou slučkou nekmital. Keďže servosystém s plne uzavretou slučkou vykonáva nastavenie parametrov za predpokladu, že jeho lokálny systém s polouzavretou slučkou je stabilný, tieto dva systémy majú podobné metódy nastavenia.
Servosystém s polouzavretou slučkou nepriamo poskytuje spätnú väzbu o polohe obrábacieho stroja detekciou uhla natočenia alebo rýchlosti motora. Pri nastavovaní parametrov je potrebné venovať pozornosť nasledujúcim aspektom:
(1) Parametre rýchlostnej slučky: Nastavenia zosilnenia rýchlostnej slučky a integračnej časovej konštanty majú veľký vplyv na stabilitu a rýchlosť odozvy systému. Príliš vysoké zosilnenie rýchlostnej slučky povedie k príliš rýchlej odozve systému a je náchylné na generovanie oscilácií; zatiaľ čo príliš dlhá integračná časová konštanta spomalí odozvu systému a ovplyvní efektivitu spracovania.
(2) Parametre polohovej slučky: Nastavenie zosilnenia polohovej slučky a parametrov filtra môže zlepšiť presnosť polohy a stabilitu systému. Príliš vysoké zosilnenie polohovej slučky spôsobí kmitanie a filter môže odfiltrovať vysokofrekvenčný šum v spätnoväzobnom signáli a zlepšiť stabilitu systému.
Servosystém s plne uzavretou slučkou
Servosystém s plne uzavretou slučkou realizuje presné riadenie polohy priamym snímaním skutočnej polohy obrábacieho stroja. Pri nastavovaní servosystému s plne uzavretou slučkou je potrebné starostlivejšie voliť parametre, aby sa zabezpečila stabilita a presnosť systému.
Nastavenie parametrov servosystému s plne uzavretou slučkou zahŕňa najmä nasledujúce aspekty:
(1) Zisk polohovej slučky: Podobne ako v prípade systému s polouzavretou slučkou, príliš vysoký zisk polohovej slučky povedie k oscilácii. Keďže však systém s plne uzavretou slučkou detekuje chyby polohy presnejšie, je možné nastaviť relatívne vysoký zisk polohovej slučky, aby sa zlepšila presnosť polohy systému.
(2) Parametre rýchlostnej slučky: Nastavenia zosilnenia rýchlostnej slučky a integračnej časovej konštanty je potrebné upraviť podľa dynamických charakteristík a požiadaviek na spracovanie obrábacieho stroja. Vo všeobecnosti možno zosilnenie rýchlostnej slučky nastaviť o niečo vyššie ako v systéme s polouzavretou slučkou, aby sa zlepšila rýchlosť odozvy systému.
(3) Parametre filtra: Systém s plne uzavretou slučkou je citlivejší na šum v signáli spätnej väzby, preto je potrebné nastaviť vhodné parametre filtra na filtrovanie šumu. Typ a výber parametrov filtra by sa mali upraviť podľa konkrétneho scenára aplikácie.
III. Prijatie funkcie potlačenia vysokých frekvencií
Vyššie uvedená diskusia sa týka metódy optimalizácie parametrov pre nízkofrekvenčné oscilácie. CNC systém CNC obrábacích strojov niekedy generuje spätnoväzobné signály obsahujúce vysokofrekvenčné harmonické z určitých dôvodov oscilácie v mechanickej časti, čo spôsobuje, že výstupný krútiaci moment nie je konštantný, a tým generuje vibrácie. Pre túto vysokofrekvenčnú oscilačnú situáciu je možné do rýchlostnej slučky pridať nízkopriepustný filtračný článok prvého rádu, ktorým je filter krútiaceho momentu.
Filter momentu dokáže účinne filtrovať vysokofrekvenčné harmonické v signáli spätnej väzby, čím sa výstupný moment stabilizuje a tým sa znížia vibrácie. Pri výbere parametrov filtra momentu je potrebné zvážiť nasledujúce faktory:
(1) Medzná frekvencia: Medzná frekvencia určuje stupeň útlmu filtra pre vysokofrekvenčné signály. Príliš nízka medzná frekvencia ovplyvní rýchlosť odozvy systému, zatiaľ čo príliš vysoká medzná frekvencia nebude schopná účinne filtrovať vysokofrekvenčné harmonické.
(2) Typ filtra: Medzi bežné typy filtrov patrí Butterworthov filter, Čebyševov filter atď. Rôzne typy filtrov majú rôzne charakteristiky frekvenčnej odozvy a je potrebné ich vyberať podľa konkrétneho scenára aplikácie.
(3) Poradie filtra: Čím vyššie je poradie filtra, tým lepší je útlm vysokofrekvenčných signálov, ale zároveň sa zvyšuje aj výpočtová záťaž systému. Pri výbere poradia filtra je potrebné komplexne zvážiť výkon a výpočtové zdroje systému.
Vyššie uvedená diskusia sa týka metódy optimalizácie parametrov pre nízkofrekvenčné oscilácie. CNC systém CNC obrábacích strojov niekedy generuje spätnoväzobné signály obsahujúce vysokofrekvenčné harmonické z určitých dôvodov oscilácie v mechanickej časti, čo spôsobuje, že výstupný krútiaci moment nie je konštantný, a tým generuje vibrácie. Pre túto vysokofrekvenčnú oscilačnú situáciu je možné do rýchlostnej slučky pridať nízkopriepustný filtračný článok prvého rádu, ktorým je filter krútiaceho momentu.
Filter momentu dokáže účinne filtrovať vysokofrekvenčné harmonické v signáli spätnej väzby, čím sa výstupný moment stabilizuje a tým sa znížia vibrácie. Pri výbere parametrov filtra momentu je potrebné zvážiť nasledujúce faktory:
(1) Medzná frekvencia: Medzná frekvencia určuje stupeň útlmu filtra pre vysokofrekvenčné signály. Príliš nízka medzná frekvencia ovplyvní rýchlosť odozvy systému, zatiaľ čo príliš vysoká medzná frekvencia nebude schopná účinne filtrovať vysokofrekvenčné harmonické.
(2) Typ filtra: Medzi bežné typy filtrov patrí Butterworthov filter, Čebyševov filter atď. Rôzne typy filtrov majú rôzne charakteristiky frekvenčnej odozvy a je potrebné ich vyberať podľa konkrétneho scenára aplikácie.
(3) Poradie filtra: Čím vyššie je poradie filtra, tým lepší je útlm vysokofrekvenčných signálov, ale zároveň sa zvyšuje aj výpočtová záťaž systému. Pri výbere poradia filtra je potrebné komplexne zvážiť výkon a výpočtové zdroje systému.
Okrem toho, aby sa ďalej eliminovalo kmitanie CNC obrábacích strojov, možno prijať aj tieto opatrenia:
Optimalizácia mechanickej štruktúry
Skontrolujte mechanické časti obrábacieho stroja, ako sú vodiace lišty, vodiace skrutky, ložiská atď., aby ste sa uistili, že ich presnosť montáže a vôľa uloženia spĺňajú požiadavky. Silne opotrebované diely včas vymeňte alebo opravte. Zároveň primerane upravte protizávažie a vyváženie obrábacieho stroja, aby ste znížili vznik mechanických vibrácií.
Zlepšite schopnosť riadiaceho systému chrániť pred rušením
Riadiaci systém CNC obrábacích strojov je ľahko ovplyvnený vonkajším rušením, ako je elektromagnetické rušenie, kolísanie výkonu atď. Na zlepšenie odolnosti riadiaceho systému voči rušeniu je možné prijať nasledujúce opatrenia:
(1) Na zníženie vplyvu elektromagnetického rušenia použite tienené káble a uzemňovacie opatrenia.
(2) Na stabilizáciu napájacieho napätia nainštalujte výkonové filtre.
(3) Optimalizovať softvérový algoritmus riadiaceho systému s cieľom zlepšiť odolnosť systému voči rušeniu.
Pravidelná údržba a údržba
Pravidelne vykonávajte údržbu a údržbu CNC obrábacích strojov, čistite rôzne časti obrábacieho stroja, kontrolujte prevádzkové podmienky mazacieho a chladiaceho systému a včas vymieňajte opotrebované diely a mazací olej. Tým sa zabezpečí stabilný výkon obrábacieho stroja a zníži sa výskyt kmitania.
Optimalizácia mechanickej štruktúry
Skontrolujte mechanické časti obrábacieho stroja, ako sú vodiace lišty, vodiace skrutky, ložiská atď., aby ste sa uistili, že ich presnosť montáže a vôľa uloženia spĺňajú požiadavky. Silne opotrebované diely včas vymeňte alebo opravte. Zároveň primerane upravte protizávažie a vyváženie obrábacieho stroja, aby ste znížili vznik mechanických vibrácií.
Zlepšite schopnosť riadiaceho systému chrániť pred rušením
Riadiaci systém CNC obrábacích strojov je ľahko ovplyvnený vonkajším rušením, ako je elektromagnetické rušenie, kolísanie výkonu atď. Na zlepšenie odolnosti riadiaceho systému voči rušeniu je možné prijať nasledujúce opatrenia:
(1) Na zníženie vplyvu elektromagnetického rušenia použite tienené káble a uzemňovacie opatrenia.
(2) Na stabilizáciu napájacieho napätia nainštalujte výkonové filtre.
(3) Optimalizovať softvérový algoritmus riadiaceho systému s cieľom zlepšiť odolnosť systému voči rušeniu.
Pravidelná údržba a údržba
Pravidelne vykonávajte údržbu a údržbu CNC obrábacích strojov, čistite rôzne časti obrábacieho stroja, kontrolujte prevádzkové podmienky mazacieho a chladiaceho systému a včas vymieňajte opotrebované diely a mazací olej. Tým sa zabezpečí stabilný výkon obrábacieho stroja a zníži sa výskyt kmitania.
Záverom možno povedať, že eliminácia kmitania CNC obrábacích strojov si vyžaduje komplexné zváženie mechanických a elektrických faktorov. Primeraným nastavením parametrov servosystému, prijatím funkcie potlačenia vysokých frekvencií, optimalizáciou mechanickej štruktúry, zlepšením odolnosti riadiaceho systému voči rušeniu a vykonávaním pravidelnej údržby a údržby je možné účinne znížiť výskyt kmitania a zlepšiť presnosť obrábania a stabilitu obrábacieho stroja.