《Metodi per eliminare l'oscillazione delle macchine utensili CNC》
Le macchine utensili CNC svolgono un ruolo importante nella moderna produzione industriale. Tuttavia, il problema delle oscillazioni affligge spesso operatori e produttori. Le cause delle oscillazioni delle macchine utensili CNC sono relativamente complesse. Oltre a molti fattori come le fessure di trasmissione inamovibile, la deformazione elastica e la resistenza all'attrito nell'aspetto meccanico, anche l'influenza dei parametri rilevanti del servosistema è un aspetto importante. Ora, il produttore di macchine utensili CNC presenterà in dettaglio i metodi per eliminare le oscillazioni delle macchine utensili CNC.
I. Riduzione del guadagno del loop di posizione
Il controllore proporzionale-integrale-derivativo è un controllore multifunzionale che svolge un ruolo cruciale nelle macchine utensili CNC. Non solo può gestire efficacemente il guadagno proporzionale sui segnali di corrente e tensione, ma può anche correggere il problema del ritardo o dell'anticipo del segnale di uscita. A volte si verificano guasti di oscillazione a causa del ritardo o dell'anticipo della corrente e della tensione di uscita. In questo caso, il PID può essere utilizzato per regolare la fase della corrente e della tensione di uscita.
Il guadagno del loop di posizione è un parametro chiave nel sistema di controllo delle macchine utensili CNC. Quando il guadagno del loop di posizione è troppo elevato, il sistema è eccessivamente sensibile agli errori di posizione e tende a causare oscillazioni. Ridurre il guadagno del loop di posizione può ridurre la velocità di risposta del sistema e quindi ridurre la possibilità di oscillazioni.
Quando si regola il guadagno del loop di posizione, è necessario impostarlo in modo ragionevole in base al modello specifico della macchina utensile e ai requisiti di lavorazione. In generale, il guadagno del loop di posizione può essere inizialmente ridotto a un livello relativamente basso, per poi essere gradualmente aumentato osservando il funzionamento della macchina utensile fino a trovare un valore ottimale in grado di soddisfare i requisiti di precisione di lavorazione ed evitare oscillazioni.
Il controllore proporzionale-integrale-derivativo è un controllore multifunzionale che svolge un ruolo cruciale nelle macchine utensili CNC. Non solo può gestire efficacemente il guadagno proporzionale sui segnali di corrente e tensione, ma può anche correggere il problema del ritardo o dell'anticipo del segnale di uscita. A volte si verificano guasti di oscillazione a causa del ritardo o dell'anticipo della corrente e della tensione di uscita. In questo caso, il PID può essere utilizzato per regolare la fase della corrente e della tensione di uscita.
Il guadagno del loop di posizione è un parametro chiave nel sistema di controllo delle macchine utensili CNC. Quando il guadagno del loop di posizione è troppo elevato, il sistema è eccessivamente sensibile agli errori di posizione e tende a causare oscillazioni. Ridurre il guadagno del loop di posizione può ridurre la velocità di risposta del sistema e quindi ridurre la possibilità di oscillazioni.
Quando si regola il guadagno del loop di posizione, è necessario impostarlo in modo ragionevole in base al modello specifico della macchina utensile e ai requisiti di lavorazione. In generale, il guadagno del loop di posizione può essere inizialmente ridotto a un livello relativamente basso, per poi essere gradualmente aumentato osservando il funzionamento della macchina utensile fino a trovare un valore ottimale in grado di soddisfare i requisiti di precisione di lavorazione ed evitare oscillazioni.
II. Regolazione dei parametri del sistema servo a circuito chiuso
Sistema servo a circuito semi-chiuso
Alcuni sistemi servo CNC utilizzano dispositivi a circuito semi-chiuso. Quando si regola il sistema servo a circuito semi-chiuso, è necessario assicurarsi che il sistema a circuito semi-chiuso locale non oscilli. Poiché il sistema servo a circuito completamente chiuso esegue la regolazione dei parametri partendo dal presupposto che il suo sistema a circuito semi-chiuso locale sia stabile, i due sistemi sono simili nei metodi di regolazione.
Il servosistema a circuito semi-chiuso fornisce indirettamente informazioni sulla posizione della macchina utensile rilevando l'angolo di rotazione o la velocità del motore. Durante la regolazione dei parametri, è necessario prestare attenzione ai seguenti aspetti:
(1) Parametri del loop di velocità: le impostazioni del guadagno del loop di velocità e della costante di tempo integrale hanno una grande influenza sulla stabilità e sulla velocità di risposta del sistema. Un guadagno del loop di velocità troppo elevato porterà a una risposta troppo rapida del sistema e tenderà a generare oscillazioni; mentre una costante di tempo integrale troppo lunga rallenterà la risposta del sistema e influenzerà l'efficienza di elaborazione.
(2) Parametri del loop di posizione: la regolazione del guadagno del loop di posizione e dei parametri del filtro può migliorare la precisione di posizione e la stabilità del sistema. Un guadagno del loop di posizione troppo elevato causerà oscillazioni e il filtro può filtrare il rumore ad alta frequenza nel segnale di feedback e migliorare la stabilità del sistema.
Sistema servo a circuito completamente chiuso
Il sistema servo ad anello completamente chiuso realizza un controllo di posizione accurato rilevando direttamente la posizione effettiva della macchina utensile. Quando si regola il sistema servo ad anello completamente chiuso, i parametri devono essere selezionati con maggiore attenzione per garantire la stabilità e la precisione del sistema.
La regolazione dei parametri del sistema servo a circuito completamente chiuso comprende principalmente i seguenti aspetti:
(1) Guadagno del loop di posizione: analogamente al sistema a circuito semi-chiuso, un guadagno del loop di posizione troppo elevato causerà oscillazioni. Tuttavia, poiché il sistema a circuito completamente chiuso rileva gli errori di posizione con maggiore precisione, il guadagno del loop di posizione può essere impostato su un valore relativamente alto per migliorare la precisione di posizione del sistema.
(2) Parametri del loop di velocità: le impostazioni del guadagno del loop di velocità e della costante di tempo integrale devono essere regolate in base alle caratteristiche dinamiche e ai requisiti di elaborazione della macchina utensile. In generale, il guadagno del loop di velocità può essere impostato leggermente superiore a quello del sistema a circuito semichiuso per migliorare la velocità di risposta del sistema.
(3) Parametri del filtro: il sistema a circuito completamente chiuso è più sensibile al rumore nel segnale di feedback, pertanto è necessario impostare parametri di filtro appropriati per filtrare il rumore. Il tipo e la selezione dei parametri del filtro devono essere regolati in base allo specifico scenario applicativo.
Sistema servo a circuito semi-chiuso
Alcuni sistemi servo CNC utilizzano dispositivi a circuito semi-chiuso. Quando si regola il sistema servo a circuito semi-chiuso, è necessario assicurarsi che il sistema a circuito semi-chiuso locale non oscilli. Poiché il sistema servo a circuito completamente chiuso esegue la regolazione dei parametri partendo dal presupposto che il suo sistema a circuito semi-chiuso locale sia stabile, i due sistemi sono simili nei metodi di regolazione.
Il servosistema a circuito semi-chiuso fornisce indirettamente informazioni sulla posizione della macchina utensile rilevando l'angolo di rotazione o la velocità del motore. Durante la regolazione dei parametri, è necessario prestare attenzione ai seguenti aspetti:
(1) Parametri del loop di velocità: le impostazioni del guadagno del loop di velocità e della costante di tempo integrale hanno una grande influenza sulla stabilità e sulla velocità di risposta del sistema. Un guadagno del loop di velocità troppo elevato porterà a una risposta troppo rapida del sistema e tenderà a generare oscillazioni; mentre una costante di tempo integrale troppo lunga rallenterà la risposta del sistema e influenzerà l'efficienza di elaborazione.
(2) Parametri del loop di posizione: la regolazione del guadagno del loop di posizione e dei parametri del filtro può migliorare la precisione di posizione e la stabilità del sistema. Un guadagno del loop di posizione troppo elevato causerà oscillazioni e il filtro può filtrare il rumore ad alta frequenza nel segnale di feedback e migliorare la stabilità del sistema.
Sistema servo a circuito completamente chiuso
Il sistema servo ad anello completamente chiuso realizza un controllo di posizione accurato rilevando direttamente la posizione effettiva della macchina utensile. Quando si regola il sistema servo ad anello completamente chiuso, i parametri devono essere selezionati con maggiore attenzione per garantire la stabilità e la precisione del sistema.
La regolazione dei parametri del sistema servo a circuito completamente chiuso comprende principalmente i seguenti aspetti:
(1) Guadagno del loop di posizione: analogamente al sistema a circuito semi-chiuso, un guadagno del loop di posizione troppo elevato causerà oscillazioni. Tuttavia, poiché il sistema a circuito completamente chiuso rileva gli errori di posizione con maggiore precisione, il guadagno del loop di posizione può essere impostato su un valore relativamente alto per migliorare la precisione di posizione del sistema.
(2) Parametri del loop di velocità: le impostazioni del guadagno del loop di velocità e della costante di tempo integrale devono essere regolate in base alle caratteristiche dinamiche e ai requisiti di elaborazione della macchina utensile. In generale, il guadagno del loop di velocità può essere impostato leggermente superiore a quello del sistema a circuito semichiuso per migliorare la velocità di risposta del sistema.
(3) Parametri del filtro: il sistema a circuito completamente chiuso è più sensibile al rumore nel segnale di feedback, pertanto è necessario impostare parametri di filtro appropriati per filtrare il rumore. Il tipo e la selezione dei parametri del filtro devono essere regolati in base allo specifico scenario applicativo.
III. Adozione della funzione di soppressione delle alte frequenze
Quanto detto sopra riguarda il metodo di ottimizzazione dei parametri per le oscillazioni a bassa frequenza. Talvolta, il sistema CNC delle macchine utensili CNC genera segnali di feedback contenenti armoniche ad alta frequenza a causa di determinate oscillazioni nella parte meccanica, rendendo la coppia di uscita non costante e generando quindi vibrazioni. Per questa situazione di oscillazione ad alta frequenza, è possibile aggiungere un filtro passa-basso del primo ordine al loop di velocità, che rappresenta il filtro di coppia.
Il filtro di coppia può filtrare efficacemente le armoniche ad alta frequenza nel segnale di retroazione, rendendo la coppia di uscita più stabile e riducendo così le vibrazioni. Nella selezione dei parametri del filtro di coppia, è necessario considerare i seguenti fattori:
(1) Frequenza di taglio: la frequenza di taglio determina il grado di attenuazione del filtro sui segnali ad alta frequenza. Una frequenza di taglio troppo bassa influirà sulla velocità di risposta del sistema, mentre una frequenza di taglio troppo alta non sarà in grado di filtrare efficacemente le armoniche ad alta frequenza.
(2) Tipo di filtro: i tipi di filtro più comuni includono il filtro Butterworth, il filtro Chebyshev, ecc. Diversi tipi di filtri hanno caratteristiche di risposta in frequenza diverse e devono essere selezionati in base allo scenario applicativo specifico.
(3) Ordine del filtro: maggiore è l'ordine del filtro, migliore sarà l'effetto di attenuazione sui segnali ad alta frequenza, ma allo stesso tempo aumenterà anche il carico computazionale del sistema. Nella scelta dell'ordine del filtro, è necessario considerare attentamente le prestazioni e le risorse computazionali del sistema.
Quanto detto sopra riguarda il metodo di ottimizzazione dei parametri per le oscillazioni a bassa frequenza. Talvolta, il sistema CNC delle macchine utensili CNC genera segnali di feedback contenenti armoniche ad alta frequenza a causa di determinate oscillazioni nella parte meccanica, rendendo la coppia di uscita non costante e generando quindi vibrazioni. Per questa situazione di oscillazione ad alta frequenza, è possibile aggiungere un filtro passa-basso del primo ordine al loop di velocità, che rappresenta il filtro di coppia.
Il filtro di coppia può filtrare efficacemente le armoniche ad alta frequenza nel segnale di retroazione, rendendo la coppia di uscita più stabile e riducendo così le vibrazioni. Nella selezione dei parametri del filtro di coppia, è necessario considerare i seguenti fattori:
(1) Frequenza di taglio: la frequenza di taglio determina il grado di attenuazione del filtro sui segnali ad alta frequenza. Una frequenza di taglio troppo bassa influirà sulla velocità di risposta del sistema, mentre una frequenza di taglio troppo alta non sarà in grado di filtrare efficacemente le armoniche ad alta frequenza.
(2) Tipo di filtro: i tipi di filtro più comuni includono il filtro Butterworth, il filtro Chebyshev, ecc. Diversi tipi di filtri hanno caratteristiche di risposta in frequenza diverse e devono essere selezionati in base allo scenario applicativo specifico.
(3) Ordine del filtro: maggiore è l'ordine del filtro, migliore sarà l'effetto di attenuazione sui segnali ad alta frequenza, ma allo stesso tempo aumenterà anche il carico computazionale del sistema. Nella scelta dell'ordine del filtro, è necessario considerare attentamente le prestazioni e le risorse computazionali del sistema.
Inoltre, per eliminare ulteriormente l'oscillazione delle macchine utensili CNC, è possibile adottare anche le seguenti misure:
Ottimizzare la struttura meccanica
Controllare le parti meccaniche della macchina utensile, come guide, viti madri, cuscinetti, ecc., per assicurarsi che la precisione di installazione e il gioco di accoppiamento soddisfino i requisiti. Sostituire o riparare tempestivamente le parti gravemente usurate. Allo stesso tempo, regolare ragionevolmente il contrappeso e il bilanciamento della macchina utensile per ridurre la generazione di vibrazioni meccaniche.
Migliorare la capacità anti-interferenza del sistema di controllo
Il sistema di controllo delle macchine utensili CNC è facilmente influenzato da interferenze esterne, come interferenze elettromagnetiche, fluttuazioni di potenza, ecc. Per migliorare la capacità anti-interferenza del sistema di controllo, è possibile adottare le seguenti misure:
(1) Adottare cavi schermati e misure di messa a terra per ridurre l'influenza delle interferenze elettromagnetiche.
(2) Installare filtri di potenza per stabilizzare la tensione di alimentazione.
(3) Ottimizzare l'algoritmo software del sistema di controllo per migliorare le prestazioni anti-interferenza del sistema.
Manutenzione e cura regolari
Eseguire regolarmente la manutenzione e la cura delle macchine utensili CNC, pulire le varie parti della macchina utensile, controllare le condizioni di funzionamento del sistema di lubrificazione e di raffreddamento e sostituire tempestivamente le parti usurate e l'olio lubrificante. Ciò può garantire prestazioni stabili della macchina utensile e ridurre il verificarsi di oscillazioni.
Ottimizzare la struttura meccanica
Controllare le parti meccaniche della macchina utensile, come guide, viti madri, cuscinetti, ecc., per assicurarsi che la precisione di installazione e il gioco di accoppiamento soddisfino i requisiti. Sostituire o riparare tempestivamente le parti gravemente usurate. Allo stesso tempo, regolare ragionevolmente il contrappeso e il bilanciamento della macchina utensile per ridurre la generazione di vibrazioni meccaniche.
Migliorare la capacità anti-interferenza del sistema di controllo
Il sistema di controllo delle macchine utensili CNC è facilmente influenzato da interferenze esterne, come interferenze elettromagnetiche, fluttuazioni di potenza, ecc. Per migliorare la capacità anti-interferenza del sistema di controllo, è possibile adottare le seguenti misure:
(1) Adottare cavi schermati e misure di messa a terra per ridurre l'influenza delle interferenze elettromagnetiche.
(2) Installare filtri di potenza per stabilizzare la tensione di alimentazione.
(3) Ottimizzare l'algoritmo software del sistema di controllo per migliorare le prestazioni anti-interferenza del sistema.
Manutenzione e cura regolari
Eseguire regolarmente la manutenzione e la cura delle macchine utensili CNC, pulire le varie parti della macchina utensile, controllare le condizioni di funzionamento del sistema di lubrificazione e di raffreddamento e sostituire tempestivamente le parti usurate e l'olio lubrificante. Ciò può garantire prestazioni stabili della macchina utensile e ridurre il verificarsi di oscillazioni.
In conclusione, l'eliminazione delle oscillazioni delle macchine utensili CNC richiede una valutazione approfondita dei fattori meccanici ed elettrici. Regolando in modo razionale i parametri del servosistema, adottando la funzione di soppressione delle alte frequenze, ottimizzando la struttura meccanica, migliorando la capacità anti-interferenza del sistema di controllo ed eseguendo una manutenzione e riparazione regolari, è possibile ridurre efficacemente le oscillazioni e migliorare la precisione e la stabilità della macchina utensile.