有关半闭环控制下的数控反向间隙补偿技术分析

闭环伺服系统可以提供稳定的动态负载特性和静态负载特性，即在数控机床进行实际加工作业中，如果改变了具体的加工条件和负载力矩,数控机床应该保持恒定的进给速度。如果采用的伺服系统具有良好的刚性,那么在加工条件和负载力矩发生改变时，对数控机床的进给速度产生的影响应该很小。通常的规定是，在产生的力矩变化在额定范围内的情况下,进给速度的静态速降和动态速降应该分别为小于5%和小于10%。为了提高数控机床表面加工的精细度，并且实现数控机床对轮廓加工的精确控制,除了有效提高伺服系统的定位精度以外，伺服系统的快速响应特性也非常重要,使伺服系统可以快速响应相关的操作指令。因此，在对伺服系统进行具体的动态性能分析时，需要考虑以下两方面的内容:首先，如果伺服系统需要在频繁地启动、改变速度、制动等动态过程中运行,为了使数控机床的生产质量和工作效率达到要求，需要实现一定程度的速度调整范围，以有效减少完成过渡过程所消耗的时间。一般要求电机在几十毫秒至200ms之内完成速度从静止到最大速度的变化,而且在改变电机速度是，不允许出现超调的情况;其次，如果负载力矩突然发生变化时，要求过渡过程具有较陡的前沿,还要求在较短的时间内恢复,并且保证无震荡，以保证表面加工的精细度。因此，本文通过采用高精度的闭环伺服系统，实现进给系统实现高速高精度运行。

1 闭环控制系统分析

闭环系统是一种根据需求进行误差控制的一种反馈控制系统或随动系统。当数控机床工作台到达的位置与操作人员通过CNC制定的位置出现差值时，就产生了进给系统的误差。由于闭环系统无法通过运动执行元件向操作人员提供操作的精确位置,因此通过安装位置检测装置的方法提高精确度。位置检测装置将工作台实际工作中的精确位置反馈到CNC装置，CNC将指令中设定的数据与位置检测装置提供的数据进行对比和计算，并从中得出误差值，形成对进给系统位移的闭环控制。闭环伺服控制系统是一种反馈控制系统,由于安装了高精度的位置检测装置，因此CNC可以根据反馈的数据精确的计算出传动系统误差，并对进给系统中的这种误差进行有效的补偿，从而有效的提高了数控机床在实际工作中工作台的定位精度和位移跟随精度，根据相关数据分析，采用上述高精度系统后，可以将分辨率从1μm提升至0.1μm，在定位精度方面，原来闭环系统一般的可以达到0.01μm~±0.005μm左右的定位精度，而高精度系统可以通过使用更高精度的位置检测装置和提高相关元件安装精度的方法，不断提高定位精度，因此可以有效的改善数控机床的加工精度。

2 反向间隙系统定位精度分析

在数控机床进给系统中的各个部件间都会存在间隙，比如：在十字滑块联轴节部件中存在的间隙、轴承部件和轴承座部件之间存在的间隙、丝杆和螺母部件之间存在的游隙等,虽然通过采用一系列的措施消除或者减小部件之间的间隙，但在由于在长期的运行总，机器部件的磨损等原因，使得消除间隙问题并没有得到理想的解决。如果在实际成产中，数控机床的伺服进给系统在某坐标轴传动部件中存在间隙，就会出现在该坐标轴中当伺服电机转动时，由于间隙的动态特性是非线性的，导致工作台向相应方向位移出现滞后的现象。因此为了对上述情况进行分析，本文对电机转速方面、进给速度方面、工作台定位方面分别进行了反向间隙仿真分析。

2.1 电机转速反响间隙影响

图1为在电机转速方面，反向间隙所产生的影响。其中左图(a)表示，如果电机转速为4 000mm/min，那么在不用的反向间隙影响下，电机在2秒的时间内，转速从静止变化到转速为40(rad/s)时，所产生的动态特性曲线；右图(b)主要描述了，在左图(a)的情况下，将左图时间为1s~1.3s之间，电机响应的动态特性曲线进行具体分析。如图中所描述的那样，反向间隙在0mm~0.005mm的范围中产生变化时，电机转速的动态曲线会表现出滞后现象，通过分析可知滞后量的增加与反向间隙的增加成正比。

2.2 反向间隙对进给速度的影响

在仿真模型中，如果在0mm~0.005mm之间产生反向间隙变化时，在运行环境为指令速度f=50的条件下，进给速度的动态特性曲线，通过对图中数据的分析表明，当反向间隙在0mm~0.005mm的范围内产生递增变化时，进给速度曲线中，响应速度表现出的滞后现象非常明显，同时速度曲线根据反向间隙的改变产生变化。

2.3 工作台位移反向间隙影响

在运行环境为指令速度f=50的条件下, 反向间隙在0mm~0.005mm的范围内产生变化时，工作台产生的位移数据。通过对曲线进行分析，可以得出反向间隙在0mm~0.005mm的范围内产生变化时，工作台位移的滞后量的增长与反向间隙增加成正比。通过在仿真模型中进行动态特性进行总结: 数控机床动力系统的电机转速以及进给速度将受到反向间隙的影响发生滞后现象，其中进给速度受到反向间隙的影响更加明显，而电机转速受到反向间隙的影响则不是那么明显，而且误差的增大与反向间隙的增加成正比。所以，反向间隙的产生会导致数控机床的加工精度降低，特别是数控机床在进行高速高精度的动作时，会对进给机构精确度提出更加严格的要求。因此，本文对反向间隙补偿的方法进行了探讨和尝试，希望对提高数控机床的控制精度有所帮助。

参考文献

[1]张耀满，等.高速机床进给系统的性能研究[J].机械工程师，2009(5)：7-9.

[2]苏义鑫，周祖德，陈幼平，等.位置跟踪系统的预测控制研究[J].中国机械工程，2011(12)：1356-1358.