多运动轴协同控制的研究

图 5 机床存在噪音 时的运动轨迹
加工得到圆周上是没有规律的振动, 则可能是多种不 同振幅和频率的噪声源的综合, 也就是存在多种噪声 源。在实际加工过程中, 大部分情况是存在多种噪声 源, 有可能其中某一种噪声源尤为突出。处理方法与 处理偏振误差一样, 通过分析确定振动噪音来源, 采 取适当的措施逐一减小或消除振源的影响。
偿参数; 还有 运动 轴 的非 线性 因 素、摩 擦力 的 补偿
在多轴运动控制中, 运动轴之间存在着响应延时 等, 均是基于这种单轴控制的思想实现的。目前, 这
不一致以及参数不匹配等问题, 使得轴之间的相互影 种方法在国内外的数控系统中得到了广泛的运用。
响是动态的。这些往往会影响到运动轴的控制精度和
引起 的。当 出 现这 种 误差 时,
可以通过改善 z 轴 或主轴 头的
装配, 或者采用软件补 偿的方
法可以改善这种误差。
通过 上 述分 析 可以 看 出,
在加工过程中, 影响加 工轨迹
误差的因素很多。其中 如反向
间隙、螺距误差、轴反 向时产 图 6 主轴头摆动时
生的尖顶误差、轴反向 时的静
机床运动轨迹
采用各种参数补偿以及轴参数优化设计等措施, 可以 程, 也是在其它轴保持静止的情况下, 使当前轴按照
进一步减小单轴的跟踪误差。即使这样, 在多轴轨迹 设定轨迹进行运动, 并记录运动轨迹和理想轨迹之间
运动控制中, 由于多轴间运动关系也会影响系统的轨 的误差, 这些误差值就作为运动过程中, 轴的自动补
迹误差。
迹将是一个理想的圆。但是, 如果其中任何一个轴的 控制背离了理 想情况 ( 出现超 调和延 时) , 结 果将是
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一个长轴倾斜 于机 械轴 ? 45b的 椭圆。 当运 动方 向改
变时, 椭圆也将旋转 90b ( 图 1) 。而 且, 当进 给速率
增加时, 误差值也将增加。
在这种情况下, 通常可以通过调整伺服驱动器上
摩擦误差、编码器反馈误差等, 这些可以通过对单轴
进行参数化优化和各种补偿来加以解决或完善; 而由
运动所带来 的轴 间 的相 互影 响以 及 机床 本身 的 一些
因素所带来的误差, 则需要通过多轴间的协同控制来
加以解决。为了实现多轴间的协同控制, 可以采用很
多具 体 控 制 的 办 法。采 用 最 多 的 是 交 叉 耦 合 控 制
当系 统出 现 垂直 度 误差
时, 可 以根 据加 工 实验 的结
果, 调 整机 床运 动 轴间 的垂
直度或 通过 补偿 来 消除 或改
善这 种误 差。 显然, 如 果仅
考虑 单 个轴 时, 是 无法 解决
这种问题的。
213 直线度误差 在加工 过 程中, 如 果存 图 2
在直 线 度误 差, 加 工的 轨迹 可能会 显 示如 下 轮廓 ( 图
5 机床与液压6 20041No110
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多运动轴协同控制的研究
宋 宝, 周云飞
( 华中科技大学机械学院, 武汉 430074)
摘要: 首先介绍了影响多轴控制精度的若干因素。在此基础上, 着重分析了 几种典型的 由于轴间 的相互影响 和机床本 身因素所导致的轮廓误差。通过分析, 提出了在高速高精的加工过程中, 如何通过协同控制提高系统轮廓精度。
( cross- coupled control) , 通过机床运动控制系统分析,
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建立一个存在交叉耦合的多输入多输出系统 ( MIMO)
模型, 在对模型进行分析的基础上, 提出对应的控制 策略, 使系统最终具有较高的运动轨迹精度。 3 结论
在现代制造技术中, 高速高精的加工技术正在成 为新的研究方向。本文通过分析来自轴间的相互影响
在多轴运动控制中, 人们一直致力于追求更高的
通常人们在分析影响系统精度的因素时, 往往只
运动轨迹控 制精 度。从 轴的 开环 设 计到 闭环 反 馈设 注重各轴本身的因素和机床本身因素。例如, 在多轴
计, 使每个轴可以准确地响应输入指令, 尽量减少跟 运动控制中, 对伺服轴进行参数自整定的过程。这一
在这种情况下, 如果振动 的方向平行一个或两个轴, 很 有可 能振 动 来源 于机 床本 身。
否则, 可 能 是 由 机 床 外 围 设 备、机床基座或阻尼系统引起
的。通过分析振动 来源, 采取 适当的措施减小或消除振源的
影响, 可以很好地改善系统的 偏振误差。 215 自由振动
图 4 机床发生偏振 时的运动轨迹
个轴 得 到 较好 的 运 动 精 度,
但是 对 于 多轴 的 轮 廓 控 制,
就不一定能 达到较 高的控制
精度。这正 是由于 在进行轴 图 1 位置环增益不
参数配置时, 仅仅 只考虑了
匹配时机床的
单个轴的性能, 而 没有考虑
运动轨迹
多轴的性能 匹配或 者说机床
总体的性能。基于多轴协同控制的思想可以同时对两
然而, 在多轴运动控制过程中, 通过改善机床自
轮廓误差, 特别是在高速高精的运动控制过程中, 这 身的因素和机床各运动轴之间的相互影响, 可以进一
种影响就显得尤为突出。
步提高轮廓控制精度。一般通过分析机床自身因素引
当前的机床参 数优 化主要 针对单 轴进 行, 然而, 由于机床各轴动态特性不一, 特别是在高速运行时其 表现尤为突出, 这将导致轮廓误差增大。针对各轴间 动态的相互影响, 进行对应地协同控制, 不仅可以提 高控制精度, 改善系统的轮廓误差, 同时还可以改善 机床加工的其它动态性能。
踪误差。但对数控机床而言, 由于伺服系统自身的延 过程是在其它轴保持静止不动的情况下, 使需要整定
时, 机械系统的静 态摩 擦、反向间 隙等 因素的 影响,
的轴进行微动, 系统根据当前轴运动的情况, 自动选
依然存在较大的加工 误差[ 1] 。在闭 环设 计的源自文库 础上,
择最优或次 最优 的 参数; 另 外 在误 差自 动补 偿 的过
和机床本身因素的轮廓误差, 阐述了如何多轴间的协
同控制来消除或改善系统的轮廓误差。通过以上分析
可以看出, 在机床多轴控制领域中, 为了减少加工轮 廓误差, 提高控制精度, 采用多轴间的协同控制是很 有必要的。
参考文献
= 1> Syh- shiuh, Pau- Lo Hsu1Analysis and Design of the Integrated
( 正垂直度误差) 。当轴运动方向改变时, 椭圆的形状
不变化; 而且加工速率也不影响轮廓误差。通常, 当
运动的两轴之间 的角度 大于 90b时, 就会 出现一 个长
轴在 2、4 象 限的椭 圆; 当运 动的两 轴之 间的角 度小
于 90b时, 则会出现一个长轴在 1、3 象限 的椭圆。如
图 2 所示。
在这些众多因素中, 主要可以分为三大类: 各运
起的误差, 对各轴 进行独 立的补 偿或其 它处 理方式, 可以减少轨迹误差。但是, 如果仅仅对各单轴进行独 立补偿或参数调整, 在高速加工时, 很难进一步提高 轮廓精度。因此, 在进行高速高精的加工过程中, 不 仅要对单轴进 行参 数调 整 和采 取一 些相 关 的补 偿措 施, 而且要对多轴间的相互影响、机床结构等方面进 行研究, 从总体上优化和协调控制机床参数, 并进行 相互补偿。
位置环增益 或通 过 调整 机床 参数 来 控制 伺服 单 元位
置环增益来改善控制效果。如果位置环增益不能充分
调整或者加工精度要求较高, 则可以采取牺牲进给速
度的方法来提高精度。
这种误差来源于 两个轴
之间 的 位 置环 增 益 不 匹 配。
如果在调试过程 中, 单独对
机床单个轴 进行参 数最优配
置, 可以使 机床被 调整的这
controller for Precise Motion System1Proc. Of IEEE Int. Conf.
cussed in the high speed and high accuracy machining process.
Keywords: Multi- axis motion; Integrated control; Contour error
0 引言
动轴自身的因素、轴间的相互影响和机床本身因素。
2 面向协同控制的误差来源 在多轴运动控制中, 无论是在联动轴还是在非联
动轴之间, 它们的 相互影 响是一 个动态 关联 的过程。 本文以两轴联动进行圆周运动为例, 分析在机床的运 动控制中, 由轴间相互影响或机床本身因素带来的轮 廓误差。
211 位置环增益不匹配 当两个轴的运动控制都是理想的情况时, 运动轨
在机床运动轴不 垂直时机床运动 轨迹
3) 。
5 机床与液压6 20041No110
直线度误差主要来源于三
个方面: 一为润滑 系统, 润滑 液压系统的冲击通常导致类似
的直线度误差; 二为传动机械
或导轨的磨损, 例如没有良好
润滑的运动部件过度磨损, 也
会在 运动 中 产生 直线 度误 差;
三为运动部件的质量, 如果相 对于运动部件的质量, 机床的 结构刚度不够大 ( 特别是工作 台和立 柱) , 同 样 也会 导致 大
1 影响多轴控制精度的若干因素 通常在多轴运动控制中, 导致轮廓误差的因素有
多种多样。例如, 来自于各个轴的反向间隙、螺距误 差、轴反向时产生 的尖顶误 差和静 摩擦 引起的 误差、 编码器反馈误差、响应延时误差等; 还有来自于运动 轴之间相互影响 因素导 致的误 差等, 如 参数不 匹配、 延时不一致、运动轴在运动中产生振动等; 另外, 机 床自身的结构不合理也是一个误差源, 如机床轴之间 的垂直度、直线度、机床刚性、机床惯量、机床安装 的稳定性、润滑情况等都会影响机床最终的运动轨迹 误差[ 2] 。
图 3 机床存在直 线度误差时 的运动轨迹
的直线度误差。在调整机床直线度误差时, 可以通过
检查以上三方面的误差来源, 对机床进行合适的后续
处理, 从而提高机床精度。
214 单方向偏振
在加工过程中经常遇到机床的振动。在这些振动
中, 有一类振动会导致加工轨迹的位置和方向朝同一 个方向偏离, 这类误差即为单方向偏振误差。
216 主轴头的摆动 在机床运动中, y 轴 的角度 变化导 致了 z 轴导轨
5 机床与液压6 20041No110
的细微运动, 这种细微运动使得主轴切削位置发生了
变化, 直接导致了主轴头的摆动误差。当然, 主轴头
不良装配同样也会导致这种误差。
图 6 中展现的 这种误差很
多时候是由于 z 轴 导轨的 运动
个轴进行调整, 可能得到的调整参数对单个轴而言并
不是最优, 但由于考虑了轴与轴之间的配合与动态影
响, 所以可以得到较好的轮廓精度。
212 垂直度误差 当机床的运动轴相互间不垂直时, 就会出现垂直
度误差。垂直度误差轨迹表现为一个椭圆, 其长轴相
对于 0b轴倾 斜 大 约 + 45b ( 负 垂 直 度 误 差) 或 - 45b
图 5 的轮廓误差通常是由自由振动引起的, 自由
振动也称为噪声。
这种振动一部分可能来源
于机械本身。例如, 由于导轨 系统没有充分润滑或清洁而导
致的噪声。另一部分也有可能
来源于周围的环境, 例如其它 机床、压缩机、排气 扇、物流
设备、 传 送 设 备 等 产 生 的 干
扰。如果加工得到的圆周上是 频率不变、振幅变化的自由振 动, 则只有单一噪 声源; 如果
Abstract: Some factors that impact the control precision were presented, and some typical contour error coming from the inter- effect a-
mong the axes and the machine were analyzed. The method how to using the integrated control to improve the system contour precision was dis-
关键词: 多轴运动; 协同控制; 轮廓误差 中图分类号: TH13 文献标 识码: A 文章编号: 1001- 3881 ( 2004) 10- 141- 3
Research of the Multi- axis Integrated Control
SONG Bao, ZHOU Yun- fei
( Mechanical College, Huazhong University of Science and T echnology, Wuhan 430074, China)