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精教控回轉(zhuǎn)工作臺位置控命1的所堯王永青王春林樂忠（大連理工大學(xué)機械工程學(xué)院，大連116023）制，文中提出了半閉環(huán)智能PID控制方法，并針對轉(zhuǎn)臺中蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)的特點，提出了精密數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的雙向螺距誤差補償方法。該控制算法和補償算法已經(jīng)應(yīng)用在某航天火箭噴管銑槽加工控制系統(tǒng)中。

　　當需要數(shù)控機床具有復(fù)雜的曲線和曲面加工能力時，必須配備回轉(zhuǎn)軸，而數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺是在數(shù)控機床上完成回轉(zhuǎn)進給功能的直接部件。采用蝸輪蝸桿傳動副的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺，減速比大，可以提篼電機扭矩，并且具有“自鎖”功能，可以在電機失電后保持工件的位置，因此，在實際中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，由于受到成本較高及反饋元件安裝困難等因素的影響，較少采用全閉環(huán)控制方式，而更多采用半閉環(huán)控制，如所示。

　　在對數(shù)控轉(zhuǎn)臺進行位置控制過程中，為達到運行快速且平穩(wěn)的要求，必須開發(fā)一種智能的PID算法；為保證機床的精度要求，必須對蝸輪蝸桿傳動副的反向間隙誤差和螺距誤差進行補償。作者在調(diào)試某航天火箭噴管銑槽控制系統(tǒng)過程中發(fā)現(xiàn)，對于數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺，若也象直線進給軸那樣采用單方向的螺距誤差補償，并不能收到良好效果。為此，針對蝸輪蝸桿傳動副的特點，開發(fā)了基于智能PID控制的雙向螺距誤差補償方法，能夠很好地滿足精密轉(zhuǎn)臺的位置控制要求。

　　1數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的智能PID控制所示的控制系統(tǒng)是按跟隨誤差控制的隨動系統(tǒng)。系統(tǒng)的速度環(huán)和電流環(huán)控制由全數(shù)字交流伺服單元內(nèi)部完成。位置環(huán)在CNC的系統(tǒng)軟件內(nèi)實施，采用智能PID控制，具有魯棒性強、算法簡潔等優(yōu)點，非常適合于奄秒級的計算機實時控制，是目前絕大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)采用的控制算法。

　　數(shù)控轉(zhuǎn)臺的運動過程，可以分為如所示的三種階段。中，巧為轉(zhuǎn)臺起始位置，P2為轉(zhuǎn)臺目標位置。在階段/1時，位置控制處于速度跟蹤狀態(tài)，轉(zhuǎn)臺以編程速度跟蹤指令位置而轉(zhuǎn)動。在階段B時，位置控制處于由動態(tài)到穩(wěn)態(tài)的過渡狀態(tài)，轉(zhuǎn)臺減速并即將運行至目標位置。在階段C時，位置控制處于進給保持狀態(tài)，轉(zhuǎn)臺保持現(xiàn)有位置。

　　根據(jù)不同的位置控制階段，應(yīng)該分別采用不同的控制算法和PID參數(shù)，即智能PID控制。

　　指令位￡恂服輦元和伺服電機為便于實現(xiàn)毫秒級的實時控制，智能PID控制的知識推理決策機必須簡單快捷，且盡可能直接辯識出階段/1、階段B和階段C.在控制系統(tǒng)中，采用跟隨誤差e作為推理信息之一，對于階段S采用延時計數(shù)器counter控制過渡時間。所以，可以選取跟隨誤差門限值農(nóng)和延時計數(shù)常數(shù)G作為推理決策機的專家知識。推理決策機表達式為：在實際系統(tǒng)中開發(fā)智能PID位置控制方法，如所示。

　　知識推理決策機-控制SA控制B智能P1D控制器在階段七為了消除靜態(tài)誤差，改善轉(zhuǎn)臺實際位置對指令位置變化的跟蹤能力，提高響應(yīng)的快速性，引人“比例+前饋”復(fù)合控制。控制器/1的輸出u（a）為：u（a）=心S+‘eU）其中，尺/為前饋系數(shù)，S為指令坐標增量，為比例控制系數(shù)，e（幻為當前采樣周期的跟隨誤差值。

　　S階段是進人穩(wěn)態(tài)前的過渡階段，要求盡可能無超調(diào)，所以撤消前饋作用，只采用比例控制，控制器B輸出u（6）為：u（b）=Kf'e（k）C階段是位置保持階段，為保證系統(tǒng)定位精度，提高系統(tǒng)對微小擾動的抗干擾靈敏度，采用PID控制，控制器e輸出u（c）為：其中為比例控制系數(shù)，反為積分控制系數(shù)，心為微分控制系數(shù)。

　　在完成調(diào)試的某航天火箭噴管銑槽控制系統(tǒng)中，數(shù)控轉(zhuǎn)臺PID控制參數(shù)值為：/=0.2，‘=0.1，’=0.2，=0.01，2雙向螺距誤差補償半閉環(huán)系統(tǒng)的反向間隙補償較簡單，在此不贅述。

　　螺距誤差補償是半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)鍵功能之一，是提高系統(tǒng)定位精度的主要手段之一。對于直線運動軸，滾珠絲杠運動副的精度較高，采用單方向螺距誤差補償可以達到設(shè)計和使用要求。對于采用蝸輪蝸桿副作為速和分度執(zhí)行部件的數(shù)g轉(zhuǎn)臺，在同一坐標區(qū)間內(nèi)，向正反兩個方向運動時，其嫌距誤差值差別較大。若也象直線運動軸那樣，只采用單方向嫌距誤差補償，補償效果并不理想，因此，當數(shù)控轉(zhuǎn)臺向正反兩個方向運動時，必須采用不同的嫌距補償數(shù)據(jù)，即必須進行雙向螺距誤差補償，其補償過程如所示。

　　其中，P；為實測機床坐標值，i為誤差唯區(qū)間索引，i由下式給出：考慮到正負號因素，系統(tǒng)校正算法如下：指令坐標/P；機床轉(zhuǎn)臺回機床零點后，在轉(zhuǎn)臺上安裝標準36面體棱鏡，取螺距誤差補償區(qū)間為10°。數(shù)控編程令轉(zhuǎn)臺向正向轉(zhuǎn)動，每101W得機床轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)一周實際坐標值誤差，如中折線系統(tǒng)正向媒距辛后，測得轉(zhuǎn)臺正向旋轉(zhuǎn)坐標值誤差如中折線“□”所示。由該折線數(shù)據(jù)可以看出，轉(zhuǎn)臺正向補償數(shù)據(jù)已經(jīng)有效，效果明I轉(zhuǎn)臺單向鰾距誤差辛瞧成后，由36響0.負向轉(zhuǎn)動，測得數(shù)據(jù)如中折線“A”所示。由于蝸輪蝸桿副的機械加工誤差，盡管轉(zhuǎn)臺正向運轉(zhuǎn)媒距誤差已經(jīng)哨，但是負向媒距誤差依然很大，需要對媒距誤差進行負向哨。雙向辛嘴后的轉(zhuǎn)臺實測坐標誤差如中的折線“□”和“O”所示。可以看出，經(jīng)過雙向嫌距誤差補償后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺的定位精度得到了極大的改善。

　　3結(jié)語在對精密數(shù)控轉(zhuǎn)臺的位置控制中，根據(jù)數(shù)控轉(zhuǎn)臺的不同運行階段，所開發(fā)的智能PID控制算法效果良好，轉(zhuǎn)臺運行平穩(wěn)，響應(yīng)速度快。針對精密數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺中蝸輪蝸桿副的運行特點，提出并實施的雙向螺距誤差補償方法較好地解決了此類部件的螈距誤差補償問題。綜合運用智能PID算法和雙向虧距誤差補償方法，能夠?qū)崿F(xiàn)精密數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的精確位置控制。

　　這里所述的PID控制算法和誤差補償方法已經(jīng)應(yīng)用在實際的控制系統(tǒng)中，驗證了所開發(fā)的控制方案的可行性和正確性。