CN115185231A - 一种双主轴双z轴立式加工中心的自动控制系统 - Google Patents

Abstract

一种双主轴双Z轴立式加工中心的自动控制系统，包括数控系统、主轴一进给伺服系统、主轴二进给伺服系统、Z轴一进给伺服系统、Z轴二进给伺服系统；所述数控系统采用PID控制，所述PID控制采用单轴迭代学习控制加交叉耦控制合控结构对追踪理想轨迹过程中产生的轮廓误差；由数控系统向主轴一进给伺服系统、主轴二进给伺服系统、Z轴一进给伺服系统、Z轴二进给伺服系统分别发送指令信息。本发明所述的双主轴双Z轴立式加工中心的自动控制系统，设计合理，对主轴一、主轴二、Z轴一、Z轴二的多轴运动进行控制，可以减少主轴一、主轴二、Z轴一、Z轴二的单轴的跟踪误差，降低了主轴一、主轴二、Z轴一、Z轴二的多轴联动时因为轴间参数不匹配而产生的轮廓误差。

Description

一种双主轴双Z轴立式加工中心的自动控制系统

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，具体涉及一种双主轴双Z轴立式加工中心的自动控制系统。

背景技术

加工中心，又称带刀库的数控铣床，其在工程机械、汽车工业、 电力设备、铁路机车和船舶行业等领域中均得到了广泛的应用。双主轴双Z轴立式加工中心就是加工中心的其中一种。

控制系统是一台加工中心的最为核心部件之一，如同人类的“大脑” 。 双主轴双Z轴立式加工中心的加工过程比单主轴单Z轴的加工中心更为复杂，如何保证加工中心各部件有条不紊地执行整个加工工序，一个高效、稳定、功能完善的机床控制系统十分关键。

双主轴双Z轴立式加工中心，双主轴系统由于具备两个主轴，拥有更好的加工柔性、更高的加工效率等优点，但同时也引入了更多的误差影响，刀具运动也更加复杂。因此，需要通过对其控制系统进行改进，使其能对误差进行检测与补偿，从而提高加工精度。此外，在加工过程中，由于双Z轴进给伺服系统的各轴动态响应不一致， 会导致机床加工精度降低，因此需要通过对其控制系统进行改进，提高每个单轴的跟踪精度，又能抑制各轴联动产生的轮廓误差。

中国专利申请号为CN107962188A公开了一种并列式双主轴数控车床及其加工方法，通过两个刀具的连续循环对待加工件进行加工，且其中一个刀具在加工时，通过顶料机构将待加工件顶送至另一个主轴卡头内，以及通过与顶料机构相配合的中顶机构将进料机构输送的待加工件推送至另一个顶料机构上，为后续连续循环加工做准备，实现了待加工件的自动进料、自动送料和自动加工，没有对控制系统进行改进，减少各轴动态响应不一致导致的加工精度降低，并且不具有误差检测与补偿的功能。

发明内容

发明目的：为了克服以上不足，本发明的目的是提供一种双主轴双Z轴立式加工中心的自动控制系统，设计合理，对主轴一、主轴二、Z轴一、Z轴二的多轴运动进行控制，可以减少主轴一、主轴二、Z轴一、Z轴二的单轴的跟踪误差，降低了主轴一、主轴二、Z轴一、Z轴二的多轴联动时因为轴间参数不匹配而产生的轮廓误差，应用前景广泛。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种双主轴双Z轴立式加工中心的自动控制系统，包括数控系统、主轴一进给伺服系统、主轴二进给伺服系统、Z轴一进给伺服系统、Z轴二进给伺服系统；所述数控系统采用PID控制，所述PID控制采用单轴迭代学习控制加交叉耦控制合控结构对追踪理想轨迹过程中产生的轮廓误差；由数控系统向主轴一进给伺服系统、主轴二进给伺服系统、Z轴一进给伺服系统、Z轴二进给伺服系统分别发送指令信息，主轴一进给伺服系统、主轴二进给伺服系统、Z轴一进给伺服系统、Z轴二进给伺服系统分别接收信息并且按照输入的指令分别控制主轴一执行机构、主轴二执行机构、Z轴一执行机构、Z轴二执行机构进行运动。

进一步的，上述的双主轴双Z轴立式加工中心的自动控制系统，在主轴一进给伺服系统与主轴一执行机构、主轴二进给伺服系统与主轴二执行机构、Z轴一进给伺服系统与Z轴一执行机构、Z轴二进给伺服系统与Z轴二执行机构分别安装有位置检测反馈装置，在主轴一、主轴二、Z轴一、Z轴二上分别安装有光栅尺，各位置检测反馈装置、光栅尺分别将双主轴双Z轴立式加工中心的各运动平台的实际输出位置反馈回数控系统，数控系统对反馈信息与指令信息进行对比分析，根据得到的偏差值向主轴一进给伺服系统、主轴二进给伺服系统、Z轴一进给伺服系统、Z轴二进给伺服系统分别持续地发送指令信息，主轴一进给伺服系统、主轴二进给伺服系统、Z轴一进给伺服系统、Z轴二进给伺服系统分别接收信息并且持续地按照输入的指令分别控制主轴一执行机构、主轴二执行机构、Z轴一执行机构、Z轴二执行机构进行运动调整，各位置检测反馈装置、光栅尺分别持续地将双主轴双Z轴立式加工中心的各运动平台的实际输出位置反馈回数控系统，以来不断减小偏差值，若偏差值一直存在，则不断执行上述过程，直至偏差值消失，实现输出位置与输入位置重合。

本发明所述的双主轴双Z轴立式加工中心的自动控制系统，设计合理，对主轴一、主轴二、Z轴一、Z轴二的多轴运动进行控制，可以减少主轴一、主轴二、Z轴一、Z轴二的单轴的跟踪误差，降低了主轴一、主轴二、Z轴一、Z轴二的多轴联动时因为轴间参数不匹配而产生的轮廓误差。

本发明的数控系统采用PID控制，作为最常用的控制方法， 因为PID 控制拥有简单易行、鲁棒性好、可靠性高的优点，常用PID 控制减小跟踪误差，PID 控制采用单轴迭代学习控制加交叉耦控制合控结构，主轴一、主轴二、Z轴一、Z轴二的运动的实际位置数据分别通过对应的光栅尺采集回来，传输到数控系统，通过数据处理分析、数据处理绘图软件中绘制出输出轨迹和期望轨迹，在降低轮廓误差上具有良好的效果。

其中，所述数控系统为上位机，例如采用计算机。所述主轴一进给伺服系统、主轴二进给伺服系统、Z轴一进给伺服系统、Z轴二进给伺服系统均包括与主轴一执行机构、主轴二执行机构、Z轴一执行机构、Z轴二执行机构的伺服电机相匹配的伺服驱动器和运动控制卡，运动控制卡的作用是对数控系统传输过来的数据进行处理转换，然后将转换后的信号传递给对应的伺服驱动器，通过伺服驱动器的驱动，使主轴一执行机构、主轴二执行机构、Z轴一执行机构、Z轴二执行机构在伺服电机的带动下进行运动。

所述主轴一执行机构、主轴二执行机构、Z轴一执行机构、Z轴二执行机构的结构可以均采用伺服电机、电机轴、联轴器、滚珠丝杆轴及螺母、承载轴承、导轨和运动平台构成单轴机械传动结构，该单轴机械传动结构的工作原理是：伺服电机的电机轴通过联轴器与滚珠丝杆相连，将伺服电机输出的旋转运动转化为丝杠的直线运动，同时丝杠通过螺母与运动平台连接，带动运动平台一起运动。

所述双主轴双Z轴立式加工中心的结构可以参考中国申请号为CN201721633751.2的专利，该专利的Y轴和Z轴是主轴轴，第一Z轴机头和第二Z轴机头为可以独立运动的双Z轴。

进一步的，上述的双主轴双Z轴立式加工中心的自动控制系统，每个所述位置检测反馈装置均采用三环结构，从内到外分别是电流环、速度环、位置环。

电流环的作用是为数控系统提供转矩数据，还用来确保进主轴一进给伺服系统、主轴二进给伺服系统、Z轴一进给伺服系统、Z轴二进给伺服系统中的电流稳定性；速度环的作用是为数控系统提供伺服电机的速度数据以来控制伺服电机转速，还用来确保主轴一进给伺服系统、主轴二进给伺服系统、Z轴一进给伺服系统、Z轴二进给伺服系统的实际输出速度和目标指令速度大体一致，其中转速控制包括速度和电流控制；位置环的作用是为数控系统提供主轴一、主轴二、Z轴一、Z轴二的位置数据，还用来确保主轴一进给伺服系统、主轴二进给伺服系统、Z轴一进给伺服系统、Z轴二进给伺服系统的实际输出位置与目标指令位置基本一致，辅助数控系统控制主轴一进给伺服系统、主轴二进给伺服系统、Z轴一进给伺服系统、Z轴二进给伺服系统，控制各个轴按指令位置进行精确定位，其中位置控制包括位置、速度和电流控制。

进一步的，上述的双主轴双Z轴立式加工中心的自动控制系统，所述电流环分别设置在主轴一进给伺服系统、主轴二进给伺服系统、Z轴一进给伺服系统、Z轴二进给伺服系统的伺服驱动器中，所述电流环的输入为速度环的输出，并且通过霍尔元件采集和计算输出电流反馈回数控系统1。

进一步的，上述的双主轴双Z轴立式加工中心的自动控制系统，所述速度环分别设置在主轴一执行机构、主轴二执行机构、Z轴一执行机构、Z轴二执行机构的伺服电机中，所述速度环的输入为位置环的输出，并且通过电机编码器采集得到速度信息然后反馈回数控系统。

进一步的，上述的双主轴双Z轴立式加工中心的自动控制系统，所述位置环分别设置在主轴一执行机构、主轴二执行机构、Z轴一执行机构、Z轴二执行机构的伺服电机中，所述位置环的输入为外部的脉冲信号，并且通过电机编码器反馈的脉冲信号反馈回数控系统。

进一步的，上述的双主轴双Z轴立式加工中心的自动控制系统，所述PID控制对位置、速度和电流的参数整定采用经验试凑法。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

（1）本发明公开的双主轴双Z轴立式加工中心的自动控制系统，数控系统采用PID控制，作为最常用的控制方法， 因为PID 控制拥有简单易行、鲁棒性好、可靠性高的优点，常用PID 控制减小跟踪误差，PID 控制采用单轴迭代学习控制加交叉耦控制合控结构，主轴一、主轴二、Z轴一、Z轴二的运动的实际位置数据分别通过对应的光栅尺采集回来，传输到数控系统，通过数据处理分析、数据处理绘图软件中绘制出输出轨迹和期望轨迹，在降低轮廓误差上具有良好的效果；

（2）本发明公开的双主轴双Z轴立式加工中心的自动控制系统，位置检测反馈装置均采用三环结构，电流环为数控系统提供转矩数据，确保进主轴一进给伺服系统、主轴二进给伺服系统、Z轴一进给伺服系统、Z轴二进给伺服系统中的电流稳定性；速度环为数控系统提供伺服电机的速度数据，确保主轴一进给伺服系统、主轴二进给伺服系统、Z轴一进给伺服系统、Z轴二进给伺服系统的实际输出速度和目标指令速度大体一致；位置环为数控系统提供主轴一、主轴二、Z轴一、Z轴二的位置数据，确保主轴一进给伺服系统、主轴二进给伺服系统、Z轴一进给伺服系统、Z轴二进给伺服系统的实际输出位置与目标指令位置基本一致；

（3）本发明公开的双主轴双Z轴立式加工中心的自动控制系统，数控系统的PID控制对位置、速度和电流的参数整定采用经验试凑法，减少参数选取不当会导致的超调量增大、振荡次数增加、调节时间加长、稳定性变弱的问题。

附图说明

图1为本发明所述双主轴双Z轴立式加工中心的自动控制系统的整体构架图；

图2为本发明所述双主轴双Z轴立式加工中心的自动控制系统的数控系统控制位置检测反馈装置的原理图；

图中：数控系统1、主轴一进给伺服系统2、主轴二进给伺服系统3、Z轴一进给伺服系统4、Z轴二进给伺服系统5、主轴一执行机构6、主轴二执行机构7、Z轴一执行机构8、Z轴二执行机构9、位置检测反馈装置10、光栅尺11。

具体实施方式

下面将结合附图1-2和实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

以下实施例1-3提供了一种双主轴双Z轴立式加工中心的自动控制系统，具体内容如下：

实施例1

如图1所示，本发明所述双主轴双Z轴立式加工中心的自动控制系统，包括数控系统1、主轴一进给伺服系统2、主轴二进给伺服系统3、Z轴一进给伺服系统4、Z轴二进给伺服系统5、主轴一执行机构6、主轴二执行机构7、Z轴一执行机构8、Z轴二执行机构9、位置检测反馈装置10、光栅尺11。

其中，所述数控系统1为上位机，例如采用计算机。所述主轴一进给伺服系统2、主轴二进给伺服系统3、Z轴一进给伺服系统4、Z轴二进给伺服系统5均包括与主轴一执行机构6、主轴二执行机构7、Z轴一执行机构8、Z轴二执行机构9的伺服电机相匹配的伺服驱动器和运动控制卡，运动控制卡的作用是对数控系统1传输过来的数据进行处理转换，然后将转换后的信号传递给对应的伺服驱动器，通过伺服驱动器的驱动，使主轴一执行机构6、主轴二执行机构7、Z轴一执行机构8、Z轴二执行机构9在伺服电机的带动下进行运动。

所述主轴一执行机构6、主轴二执行机构7、Z轴一执行机构8、Z轴二执行机构9的结构可以均采用伺服电机、电机轴、联轴器、滚珠丝杆轴及螺母、承载轴承、导轨和运动平台构成单轴机械传动结构，该单轴机械传动结构的工作原理是：伺服电机的电机轴通过联轴器与滚珠丝杆相连，将伺服电机输出的旋转运动转化为丝杠的直线运动，同时丝杠通过螺母与运动平台连接，带动运动平台一起运动。

所述双主轴双Z轴立式加工中心的结构可以参考中国申请号为CN201721633751.2的专利，该专利的Y轴和Z轴是主轴轴，第一Z轴机头和第二Z轴机头为可以独立运动的双Z轴。

上述设计，目的是数控系统1对主轴一、主轴二、Z轴一、Z轴二的多轴运动进行控制。

本发明的数控系统采用PID控制，作为最常用的控制方法， 因为PID 控制拥有简单易行、鲁棒性好、可靠性高的优点，常用PID 控制减小跟踪误差。 本发明中，PID 控制采用单轴迭代学习控制加交叉耦控制合控结构，主轴一、主轴二、Z轴一、Z轴二的运动的实际位置数据分别通过对应的光栅尺11采集回来，传输到数控系统，通过数据处理分析、数据处理绘图软件中绘制出输出轨迹和期望轨迹，在降低轮廓误差上具有良好的效果。

实施例2

基于实施例1以上的结构基础，如图2所示，图 1中各个字母代表含义如下：

Gp（s）—位置环传递函数， Gv（s）—速度环传递函数,

Gi（s）—电流环传递函数，Ai—A(X或Y或Z) 轴输入，

Ao—A(X或Y或Z) 轴输出

本发明所述双主轴双Z轴立式加工中心的自动控制系统，每个所述位置检测反馈装置10均采用三环结构，从内到外分别是电流环21、速度环22、位置环23。

进一步的，所述电流环21分别设置在主轴一进给伺服系统2、主轴二进给伺服系统3、Z轴一进给伺服系统4、Z轴二进给伺服系统5的伺服驱动器中，所述电流环21的输入为速度环22的输出，并且通过霍尔元件采集和计算输出电流反馈回数控系统1。

其中，电流环21的作用是为数控系统1提供转矩数据，还用来确保进主轴一进给伺服系统2、主轴二进给伺服系统3、Z轴一进给伺服系统4、Z轴二进给伺服系统5中的电流稳定性。

进一步的，所述速度环22分别设置在主轴一执行机构6、主轴二执行机构7、Z轴一执行机构8、Z轴二执行机构9的伺服电机中，所述速度环22的输入为位置环23的输出，并且通过电机编码器采集得到速度信息然后反馈回数控系统1。

其中，速度环22的作用是为数控系统1提供伺服电机的速度数据以来控制伺服电机转速，还用来确保主轴一进给伺服系统2、主轴二进给伺服系统3、Z轴一进给伺服系统4、Z轴二进给伺服系统5的实际输出速度和目标指令速度大体一致，其中转速控制包括速度和电流控制。

进一步的，所述位置环23分别设置在主轴一执行机构6、主轴二执行机构7、Z轴一执行机构8、Z轴二执行机构9的伺服电机中，所述位置环23的输入为外部的脉冲信号，并且通过电机编码器反馈的脉冲信号反馈回数控系统1。

其中，位置环23的作用是为数控系统提供主轴一、主轴二、Z轴一、Z轴二的位置数据，还用来确保主轴一进给伺服系统2、主轴二进给伺服系统3、Z轴一进给伺服系统4、Z轴二进给伺服系统5的实际输出位置与目标指令位置基本一致，辅助数控系统控制主轴一进给伺服系统2、主轴二进给伺服系统3、Z轴一进给伺服系统4、Z轴二进给伺服系统5，控制各个轴按指令位置进行精确定位，其中位置控制包括位置、速度和电流控制。

上述设计结合PID 控制，可以减少主轴一进给伺服系统2、主轴二进给伺服系统3、Z轴一进给伺服系统4、Z轴二进给伺服系统5对主轴一执行机构6、主轴二执行机构7、Z轴一执行机构8、Z轴二执行机构9的控制误差。

实施例3

基于实施例1或者实施例2以上的结构基础。

本发明所述双主轴双Z轴立式加工中心的自动控制系统，PID控制对位置、速度和电流的参数整定采用经验试凑法。

所述 PID控制的控制包括位置、速度和电流三个控制环节，为了避免 PID控制控制时，参数选取不当会导致超调量增大、振荡次数增加、调节时间加长、稳定性变弱的问题，需要根据环境的变化对 PID控制的参数进行对应的调整。

本发明 PID控制的参数整定采用经验试凑法，具体步骤为：1、进行比例调节：当进行比例调节时，令 PID控制的积分项和微分项都为零，仅保留比例环节，从零开始逐渐增加比例增益的值直至开始振荡；接着反过来，从此刻的值开始逐渐减小比例增益的值直至振荡消失；确定比例增益P 的大小为调整后值的百分之六十到七十之间；2、进行积分调节：得到比例增益 P 的值后，依然使 PID控制的微分项为零，然后使积分时间常数从一个较大的值开始调整，调整过程与比例调节相同；确定 Ti 的大小为调整后得到值的百分之一百五十到一百八十之间；3、进行微分调节：进行微分调节时，默认微分时间常数为 0 即可；4、动态响应测试：进行动态响应测试，依据测试结果，再对 PID控制的位置、速度和电流各个参数进行轻微调整，直到调试结果达到理想要求。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种双主轴双Z轴立式加工中心的自动控制系统，其特征在于，包括数控系统（1）、主轴一进给伺服系统（2）、主轴二进给伺服系统（3）、Z轴一进给伺服系统（4）、Z轴二进给伺服系统（5）；所述数控系统（1）采用PID控制，所述PID控制采用单轴迭代学习控制加交叉耦控制合控结构对追踪理想轨迹过程中产生的轮廓误差；由数控系统（1）向主轴一进给伺服系统（2）、主轴二进给伺服系统（3）、Z轴一进给伺服系统（4）、Z轴二进给伺服系统（5）分别发送指令信息，主轴一进给伺服系统（2）、主轴二进给伺服系统（3）、Z轴一进给伺服系统（4）、Z轴二进给伺服系统（5）分别接收信息并且按照输入的指令分别控制主轴一执行机构（6）、主轴二执行机构（7）、Z轴一执行机构（8）、Z轴二执行机构（9）进行运动。

2.根据权利要求1所述双主轴双Z轴立式加工中心的自动控制系统，其特征在于，在主轴一进给伺服系统（2）与主轴一执行机构（6）、主轴二进给伺服系统（3）与主轴二执行机构（7）、Z轴一进给伺服系统（4）与Z轴一执行机构（8）、Z轴二进给伺服系统（5）与Z轴二执行机构（9）分别安装有位置检测反馈装置（10），在主轴一、主轴二、Z轴一、Z轴二上分别安装有光栅尺（11），各位置检测反馈装置（10）、光栅尺（11）分别将双主轴双Z轴立式加工中心的各运动平台的实际输出位置反馈回数控系统（1），数控系统（1）对反馈信息与指令信息进行对比分析，根据得到的偏差值向主轴一进给伺服系统（2）、主轴二进给伺服系统（3）、Z轴一进给伺服系统（4）、Z轴二进给伺服系统（5）分别持续地发送指令信息，主轴一进给伺服系统（2）、主轴二进给伺服系统（3）、Z轴一进给伺服系统（4）、Z轴二进给伺服系统（5）分别接收信息并且持续地按照输入的指令分别控制主轴一执行机构（6）、主轴二执行机构（7）、Z轴一执行机构（8）、Z轴二执行机构（9）进行运动调整，各位置检测反馈装置（10）、光栅尺（11）分别持续地将双主轴双Z轴立式加工中心的各运动平台的实际输出位置反馈回数控系统（1），以来不断减小偏差值，若偏差值一直存在，则不断执行上述过程，直至偏差值消失，实现输出位置与输入位置重合。

3.根据权利要求1所述双主轴双Z轴立式加工中心的自动控制系统，其特征在于，每个所述位置检测反馈装置（10）均采用三环结构，从内到外分别是电流环（21）、速度环（22）、位置环（23）。

4.根据权利要求3所述双主轴双Z轴立式加工中心的自动控制系统，其特征在于，所述电流环（21）分别设置在主轴一进给伺服系统（2）、主轴二进给伺服系统（3）、Z轴一进给伺服系统（4）、Z轴二进给伺服系统（5）的伺服驱动器中，所述电流环（21）的输入为速度环（22）的输出，并且通过霍尔元件采集和计算输出电流反馈回数控系统（1）。

5.根据权利要求3所述双主轴双Z轴立式加工中心的自动控制系统，其特征在于，所述速度环（22）分别设置在主轴一执行机构（6）、主轴二执行机构（7）、Z轴一执行机构（8）、Z轴二执行机构（9）的伺服电机中，所述速度环（22）的输入为位置环（23）的输出，并且通过电机编码器采集得到速度信息然后反馈回数控系统（1）。

6.根据权利要求3所述双主轴双Z轴立式加工中心的自动控制系统，其特征在于，所述位置环（23）分别设置在主轴一执行机构（6）、主轴二执行机构（7）、Z轴一执行机构（8）、Z轴二执行机构（9）的伺服电机中，所述位置环（23）的输入为外部的脉冲信号，并且通过电机编码器反馈的脉冲信号反馈回数控系统（1）。

7.根据权利要求1所述双主轴双Z轴立式加工中心的自动控制系统，其特征在于，所述PID控制对位置、速度和电流的参数整定采用经验试凑法。

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