精教控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)位置控命1的所堯王永青王春林樂忠（大連理工大學(xué)機(jī)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(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)中蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，提出了精密數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的雙向螺距誤差補(bǔ)償方法。該控制算法和補(bǔ)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(dāng)需要數(shù)控機(jī)床具有復(fù)雜的曲線和曲面加工能力時(shí)，必須配備回轉(zhuǎn)軸，而數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是在數(shù)控機(jī)床上完成回轉(zhuǎn)進(jìn)給功能的直接部件。采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)副的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，減速比大，可以提篼電機(jī)扭矩，并且具有“自鎖”功能，可以在電機(jī)失電后保持工件的位置，因此，在實(shí)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(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行位置控制過程中，為達(dá)到運(yùn)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(jī)床的精度要求，必須對(duì)蝸輪蝸桿傳動(dòng)副的反向間隙誤差和螺距誤差進(jìn)行補(bǔ)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(duì)于數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，若也象直線進(jìn)給軸那樣采用單方向的螺距誤差補(bǔ)償，并不能收到良好效果。為此，針對(duì)蝸輪蝸桿傳動(dòng)副的特點(diǎn)，開發(fā)了基于智能PID控制的雙向螺距誤差補(bǔ)償方法，能夠很好地滿足精密轉(zhuǎn)臺(tái)的位置控制要求。

　　1數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)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(dòng)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(shí)施，采用智能PID控制，具有魯棒性強(qiáng)、算法簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于奄秒級(jí)的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)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(tái)的運(yùn)動(dòng)過程，可以分為如所示的三種階段。中，巧為轉(zhuǎn)臺(tái)起始位置，P2為轉(zhuǎn)臺(tái)目標(biāo)位置。在階段/1時(shí)，位置控制處于速度跟蹤狀態(tài)，轉(zhuǎn)臺(tái)以編程指定速度跟蹤指令位置而轉(zhuǎn)動(dòng)。在階段B時(shí)，位置控制處于由動(dòng)態(tài)到穩(wěn)態(tài)的過渡狀態(tài)，轉(zhuǎn)臺(tái)減速并即將運(yùn)行至目標(biāo)位置。在階段C時(shí)，位置控制處于進(jìn)給保持狀態(tài)，轉(zhuǎn)臺(tái)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(jī)為便于實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的實(shí)時(shí)控制，智能PID控制的知識(shí)推理決策機(jī)必須簡(jiǎn)單快捷，且盡可能直接辯識(shí)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(duì)于階段S采用延時(shí)計(jì)數(shù)器counter控制過渡時(shí)間。所以，可以選取跟隨誤差門限值農(nóng)和延時(shí)計(jì)數(shù)常數(shù)G作為推理決策機(jī)的專家知識(shí)。推理決策機(jī)表達(dá)式為：在實(shí)際系統(tǒng)中開發(fā)智能PID位置控制方法，如所示。

　　知識(shí)推理決策機(jī)-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(tái)實(shí)際位置對(duì)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(biāo)增量，為比例控制系數(shù)，e（幻為當(dāng)前采樣周期的跟隨誤差值。

　　S階段是進(jìn)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?zhàn)饔茫徊捎帽壤刂?，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(duì)微小擾動(dòng)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(tái)PID控制參數(shù)值為：/=0.2，‘=0.1，’=0.2，=0.01，2雙向螺距誤差補(bǔ)償半閉環(huán)系統(tǒng)的反向間隙補(bǔ)償較簡(jiǎn)單，在此不贅述。

　　螺距誤差補(bǔ)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(duì)于直線運(yùn)動(dòng)軸，滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)副的精度較高，采用單方向螺距誤差補(bǔ)償可以達(dá)到設(shè)計(jì)和使用要求。對(duì)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(tái)，在同一坐標(biāo)區(qū)間內(nèi)，向正反兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，其嫌距誤差值差別較大。若也象直線運(yùn)動(dòng)軸那樣，只采用單方向嫌距誤差補(bǔ)償，補(bǔ)償效果并不理想，因此，當(dāng)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)向正反兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須采用不同的嫌距補(bǔ)償數(shù)據(jù)，即必須進(jìn)行雙向螺距誤差補(bǔ)償，其補(bǔ)償過程如所示。

　　其中，P；為實(shí)測(cè)機(jī)床坐標(biāo)值，i為誤差唯區(qū)間索引，i由下式給出：考慮到正負(fù)號(hào)因素，系統(tǒng)校正算法如下：指令坐標(biāo)/P；機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)回機(jī)床零點(diǎn)后，在轉(zhuǎn)臺(tái)上安裝標(biāo)準(zhǔn)36面體棱鏡，取螺距誤差補(bǔ)償區(qū)間為10°。數(shù)控編程令轉(zhuǎn)臺(tái)向正向轉(zhuǎn)動(dòng)，每101W得機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)一周實(shí)際坐標(biāo)值絕對(duì)誤差，如中折線系統(tǒng)正向媒距辛后，測(cè)得轉(zhuǎn)臺(tái)正向旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)值絕對(duì)誤差如中折線“□”所示。由該折線數(shù)據(jù)可以看出，轉(zhuǎn)臺(tái)正向補(bǔ)償數(shù)據(jù)已經(jīng)有效，效果明I轉(zhuǎn)臺(tái)單向鰾距誤差辛瞧成后，由36響0.負(fù)向轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)得數(shù)據(jù)如中折線“A”所示。由于蝸輪蝸桿副的機(jī)械加工誤差，盡管轉(zhuǎn)臺(tái)正向運(yùn)轉(zhuǎn)媒距誤差已經(jīng)哨，但是負(fù)向媒距誤差依然很大，需要對(duì)媒距誤差進(jìn)行負(fù)向哨。雙向辛嘴后的轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)測(cè)坐標(biāo)誤差如中的折線“□”和“O”所示?？梢钥闯?，經(jīng)過雙向嫌距誤差補(bǔ)償后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)的定位精度得到了極大的改善。

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

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