許晶

摘? 要：在數(shù)控機(jī)床雙軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作過(guò)程中，因?yàn)楣ぷ髋_(tái)與滑臺(tái)的質(zhì)量重心沒(méi)有重合，導(dǎo)致兩根滾珠絲杠的位置或轉(zhuǎn)速出現(xiàn)一定的誤差，從而影響了數(shù)控機(jī)床的加工精度。所以，可以說(shuō)，兩根驅(qū)動(dòng)軸的同步控制精度是衡量數(shù)控機(jī)床工作性能的重要指標(biāo)。數(shù)控機(jī)床雙軸驅(qū)動(dòng)同步控制方法變成了數(shù)控加工中的一個(gè)難題。為了有效地解決這一難題，該文把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與傳統(tǒng)PID控制進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，提出了一種基于神經(jīng)元PID的控制方式，同時(shí)采用交叉耦合控制方法實(shí)時(shí)改變神經(jīng)元的連接權(quán)重，從而實(shí)現(xiàn)PID控制參數(shù)的在線整合，仿真結(jié)果表明，該方法能有效減小同步誤差，提高工件加工精度，在實(shí)踐中有一定的可推廣性與實(shí)際應(yīng)用性。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床? 加工精度? 同步控制? 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)? PID控制

中圖分類號(hào)：TG659 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）09（b）-0048-02

雙軸驅(qū)動(dòng)控制廣泛應(yīng)用于數(shù)控加工設(shè)備中，由于兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在制造方面和裝配方面的雙重誤差，當(dāng)電機(jī)輸入相同指令時(shí)，會(huì)引起輸出軸速度或位置產(chǎn)生很大偏差;同時(shí)，當(dāng)工作臺(tái)位置不在兩根軸的中心線上時(shí)，作用到各軸上的負(fù)載力不同，再加上兩根軸在高速進(jìn)給時(shí)存在一定的耦合關(guān)系，這就會(huì)影響雙軸驅(qū)動(dòng)的控制精度，使數(shù)控機(jī)床的工作性能大大下降。因此，采用何種控制方法，提高雙軸同步控制精度，是研究人員普遍關(guān)注的問(wèn)題。也是我們業(yè)內(nèi)研究的重要課題。

該文對(duì)數(shù)控機(jī)床雙軸同步系統(tǒng)的工作原理及相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，分析了影響同步控制精度的因素，并制定神經(jīng)元PID控制策略用于雙軸同步驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中。同時(shí)，把兩根驅(qū)動(dòng)軸的位置誤差、轉(zhuǎn)速誤差以及電機(jī)的電流作為控制的有效變量，實(shí)踐中采用交叉耦合控制的方式進(jìn)行系統(tǒng)地分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所采用控制方式能很好地減小雙軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在工作過(guò)程中產(chǎn)生的同步誤差，并可以將此誤差控制在一個(gè)允許的范圍內(nèi)，大大提高了機(jī)床控制精度，為數(shù)控機(jī)床雙軸同步控制系統(tǒng)的研究開(kāi)辟了新的局面。

1? 數(shù)控機(jī)床理論研究

數(shù)控機(jī)床雙軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由工作臺(tái)、交流伺服電機(jī)、數(shù)控裝置、位置反饋機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠部件等部分組成。滾珠絲桿由兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)左右移動(dòng)，工作臺(tái)在運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)與本身電機(jī)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)下，進(jìn)行曲線運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)工件的加工。

機(jī)床在實(shí)現(xiàn)同步控制過(guò)程中，控制的方式有兩種：

一是同等方式。這里所說(shuō)的同等方式是指采用結(jié)構(gòu)完全相同的兩套驅(qū)動(dòng)軸同時(shí)運(yùn)行，同時(shí)以一個(gè)理想的輸入信號(hào)為目標(biāo)，進(jìn)行跟蹤輸出，從而實(shí)現(xiàn)位置或速度同步的控制方法。由于兩驅(qū)動(dòng)軸間相互獨(dú)立，沒(méi)有相互作用，當(dāng)某一軸受到干擾而運(yùn)動(dòng)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生無(wú)法消除的同步偏差，極大地降低了整個(gè)系統(tǒng)的控制精度，難以滿足高精度數(shù)控機(jī)床中的雙軸同步控制的精度要求。

二是交叉耦合方式。交叉耦合控制是在同等控制的基礎(chǔ)上，比較兩組輸出結(jié)果，同時(shí)把產(chǎn)生的偏差信號(hào)亦作為一個(gè)附加的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)反饋，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)和補(bǔ)償軸間位置偏差以及控制交叉耦合的方式，從而達(dá)到同步控制的良好效果。這種控制方式具有響應(yīng)的時(shí)速快的特點(diǎn)，也具有很準(zhǔn)確地反映出每個(gè)負(fù)載的時(shí)時(shí)變化情況的優(yōu)點(diǎn)。

2? 雙軸同步系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特性分析

兩個(gè)同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)能夠在水平方向沿X軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)可以在垂直方向沿Y軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，整個(gè)控制系統(tǒng)是一個(gè)在X軸和Y 軸方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的組合體。

3? 以神經(jīng)元PID為基本理念的同步控制方式的研究

神經(jīng)元控制是基于對(duì)人體大腦功能的實(shí)際模擬而有創(chuàng)新性提出來(lái)的一種控制方式，它一種從多輸入到單輸出，具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，能表達(dá)出任意形式的非線性函數(shù)，能實(shí)現(xiàn)自我學(xué)習(xí)效能，它是智能控制的一個(gè)全新理念和重要分支。

把神經(jīng)元與傳統(tǒng)PID控制相互結(jié)合，利用神經(jīng)元自我學(xué)習(xí)的功能，使其連接權(quán)重與PID控制參數(shù)相融合，通過(guò)與其對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)規(guī)則，及時(shí)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線整合。神經(jīng)元PID控制方法不僅保持了傳統(tǒng)PID操作簡(jiǎn)便、功能易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，還能適應(yīng)外部環(huán)境的不同變化，更具有較強(qiáng)的預(yù)見(jiàn)性和智能性。在業(yè)內(nèi)有一定的推廣性。

4? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)中，我們將數(shù)控加工機(jī)床的兩根驅(qū)動(dòng)軸的位置偏差、轉(zhuǎn)速偏差以及伺服電動(dòng)機(jī)輸入電流的偏差作為實(shí)際信號(hào)，在得到反饋后，經(jīng)轉(zhuǎn)換后作為神經(jīng)元PID控制器的輸入，同時(shí)連接權(quán)重采用有監(jiān)督Delta學(xué)習(xí)規(guī)則進(jìn)行調(diào)整;再采用加速度為梯形的S形速度指令作為電機(jī)輸入，在Matlab軟件中進(jìn)行仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證過(guò)程中取驅(qū)動(dòng)軸位置偏差和伺服電機(jī)反饋電流作為研究對(duì)象，并把神經(jīng)元PID控制策略與傳統(tǒng)PID相對(duì)比。

從仿真結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)PID控制相比較，神經(jīng)元PID控制策略非常有效地縮小了兩驅(qū)動(dòng)軸間的同步誤差，提高數(shù)控機(jī)床的加工精度，所用控制方法具有實(shí)效性。

5? 結(jié)語(yǔ)

數(shù)控加工機(jī)床在設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中，由于各種因素影響總會(huì)存在誤差，雙軸同步驅(qū)動(dòng)在機(jī)械方面上也存在強(qiáng)耦合性，尤其是在機(jī)械加工運(yùn)行中存在負(fù)載的不確定性和不平衡性等誤差，導(dǎo)致雙軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的同步控制精度下降，造成被加工工件尺寸精度和形狀精度降低，甚至出現(xiàn)機(jī)床被損壞的不良后果?；诖?，該文把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與PID控制相結(jié)合，提出了神經(jīng)元PID控制策略，同時(shí)運(yùn)用交叉耦合方法對(duì)兩根驅(qū)動(dòng)軸的位置誤差和電機(jī)電流進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明所用方法能有效解決數(shù)控機(jī)床雙軸同步控制系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。

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