Métodos para eliminar la oscilación de las máquinas herramienta CNC
Las máquinas herramienta CNC desempeñan un papel importante en la producción industrial moderna. Sin embargo, el problema de la oscilación suele afectar a operadores y fabricantes. Las causas de la oscilación en las máquinas herramienta CNC son relativamente complejas. Además de numerosos factores como las holguras de transmisión inamovibles, la deformación elástica y la resistencia a la fricción en el aspecto mecánico, la influencia de los parámetros relevantes del servosistema también es un aspecto importante. A continuación, el fabricante de máquinas herramienta CNC presentará en detalle los métodos para eliminar la oscilación en las máquinas herramienta CNC.
I. Reducción de la ganancia del bucle de posición
El controlador proporcional-integral-derivativo es un controlador multifuncional crucial en las máquinas herramienta CNC. No solo puede aplicar eficazmente la ganancia proporcional a las señales de corriente y tensión, sino que también ajusta el retardo o adelanto de la señal de salida. A veces, se producen fallos de oscilación debido al adelanto o atraso de la corriente y la tensión de salida. En este caso, el PID puede utilizarse para ajustar la fase de la corriente y la tensión de salida.
La ganancia del bucle de posición es un parámetro clave en el sistema de control de las máquinas herramienta CNC. Cuando la ganancia del bucle de posición es demasiado alta, el sistema es demasiado sensible a errores de posición y propenso a causar oscilaciones. Reducir la ganancia del bucle de posición puede reducir la velocidad de respuesta del sistema y, por lo tanto, la posibilidad de oscilaciones.
Al ajustar la ganancia del bucle de posición, esta debe ajustarse razonablemente según el modelo específico de la máquina herramienta y los requisitos de procesamiento. En general, la ganancia del bucle de posición puede reducirse inicialmente a un nivel relativamente bajo y luego incrementarse gradualmente, observando el funcionamiento de la máquina herramienta, hasta encontrar un valor óptimo que cumpla con los requisitos de precisión de procesamiento y evite la oscilación.
El controlador proporcional-integral-derivativo es un controlador multifuncional crucial en las máquinas herramienta CNC. No solo puede aplicar eficazmente la ganancia proporcional a las señales de corriente y tensión, sino que también ajusta el retardo o adelanto de la señal de salida. A veces, se producen fallos de oscilación debido al adelanto o atraso de la corriente y la tensión de salida. En este caso, el PID puede utilizarse para ajustar la fase de la corriente y la tensión de salida.
La ganancia del bucle de posición es un parámetro clave en el sistema de control de las máquinas herramienta CNC. Cuando la ganancia del bucle de posición es demasiado alta, el sistema es demasiado sensible a errores de posición y propenso a causar oscilaciones. Reducir la ganancia del bucle de posición puede reducir la velocidad de respuesta del sistema y, por lo tanto, la posibilidad de oscilaciones.
Al ajustar la ganancia del bucle de posición, esta debe ajustarse razonablemente según el modelo específico de la máquina herramienta y los requisitos de procesamiento. En general, la ganancia del bucle de posición puede reducirse inicialmente a un nivel relativamente bajo y luego incrementarse gradualmente, observando el funcionamiento de la máquina herramienta, hasta encontrar un valor óptimo que cumpla con los requisitos de precisión de procesamiento y evite la oscilación.
II. Ajuste de parámetros del servosistema de bucle cerrado
Sistema servo de circuito semicerrado
Algunos servosistemas CNC utilizan dispositivos de bucle semicerrado. Al ajustar el servosistema de bucle semicerrado, es necesario asegurar que el sistema local de bucle semicerrado no oscile. Dado que el servosistema de bucle completamente cerrado realiza el ajuste de parámetros bajo la premisa de que su sistema local de bucle semicerrado sea estable, ambos son similares en cuanto a métodos de ajuste.
El servosistema de bucle semicerrado retroalimenta indirectamente la información de posición de la máquina herramienta detectando el ángulo de rotación o la velocidad del motor. Al ajustar los parámetros, se deben tener en cuenta los siguientes aspectos:
(1) Parámetros del bucle de velocidad: Los ajustes de la ganancia del bucle de velocidad y la constante de tiempo integral influyen considerablemente en la estabilidad y la velocidad de respuesta del sistema. Una ganancia de bucle de velocidad demasiado alta provocará una respuesta del sistema demasiado rápida y propensa a generar oscilaciones; mientras que una constante de tiempo integral demasiado larga ralentizará la respuesta del sistema y afectará la eficiencia del procesamiento.
(2) Parámetros del bucle de posición: El ajuste de la ganancia del bucle de posición y de los parámetros del filtro puede mejorar la precisión de la posición y la estabilidad del sistema. Una ganancia del bucle de posición demasiado alta provocará oscilaciones, y el filtro puede filtrar el ruido de alta frecuencia en la señal de retroalimentación y mejorar la estabilidad del sistema.
Sistema servo de bucle cerrado completo
El servosistema de bucle cerrado permite un control preciso de la posición mediante la detección directa de la posición real de la máquina herramienta. Al ajustar el servosistema de bucle cerrado, es necesario seleccionar los parámetros con mayor cuidado para garantizar la estabilidad y la precisión del sistema.
El ajuste de parámetros del sistema servo de bucle cerrado completo incluye principalmente los siguientes aspectos:
(1) Ganancia del bucle de posición: Al igual que en el sistema de bucle semicerrado, una ganancia demasiado alta del bucle de posición provocará oscilaciones. Sin embargo, dado que el sistema de bucle completamente cerrado detecta errores de posición con mayor precisión, la ganancia del bucle de posición puede ajustarse a un valor relativamente alto para mejorar la precisión de la posición del sistema.
(2) Parámetros del bucle de velocidad: La ganancia del bucle de velocidad y la constante de tiempo integral deben ajustarse según las características dinámicas y los requisitos de procesamiento de la máquina herramienta. En general, la ganancia del bucle de velocidad puede ajustarse ligeramente por encima de la del sistema de bucle semicerrado para mejorar la velocidad de respuesta del sistema.
(3) Parámetros del filtro: El sistema de lazo cerrado es más sensible al ruido en la señal de retroalimentación, por lo que es necesario configurar los parámetros de filtro adecuados para filtrarlo. El tipo y la selección de parámetros del filtro deben ajustarse según la aplicación específica.
Sistema servo de circuito semicerrado
Algunos servosistemas CNC utilizan dispositivos de bucle semicerrado. Al ajustar el servosistema de bucle semicerrado, es necesario asegurar que el sistema local de bucle semicerrado no oscile. Dado que el servosistema de bucle completamente cerrado realiza el ajuste de parámetros bajo la premisa de que su sistema local de bucle semicerrado sea estable, ambos son similares en cuanto a métodos de ajuste.
El servosistema de bucle semicerrado retroalimenta indirectamente la información de posición de la máquina herramienta detectando el ángulo de rotación o la velocidad del motor. Al ajustar los parámetros, se deben tener en cuenta los siguientes aspectos:
(1) Parámetros del bucle de velocidad: Los ajustes de la ganancia del bucle de velocidad y la constante de tiempo integral influyen considerablemente en la estabilidad y la velocidad de respuesta del sistema. Una ganancia de bucle de velocidad demasiado alta provocará una respuesta del sistema demasiado rápida y propensa a generar oscilaciones; mientras que una constante de tiempo integral demasiado larga ralentizará la respuesta del sistema y afectará la eficiencia del procesamiento.
(2) Parámetros del bucle de posición: El ajuste de la ganancia del bucle de posición y de los parámetros del filtro puede mejorar la precisión de la posición y la estabilidad del sistema. Una ganancia del bucle de posición demasiado alta provocará oscilaciones, y el filtro puede filtrar el ruido de alta frecuencia en la señal de retroalimentación y mejorar la estabilidad del sistema.
Sistema servo de bucle cerrado completo
El servosistema de bucle cerrado permite un control preciso de la posición mediante la detección directa de la posición real de la máquina herramienta. Al ajustar el servosistema de bucle cerrado, es necesario seleccionar los parámetros con mayor cuidado para garantizar la estabilidad y la precisión del sistema.
El ajuste de parámetros del sistema servo de bucle cerrado completo incluye principalmente los siguientes aspectos:
(1) Ganancia del bucle de posición: Al igual que en el sistema de bucle semicerrado, una ganancia demasiado alta del bucle de posición provocará oscilaciones. Sin embargo, dado que el sistema de bucle completamente cerrado detecta errores de posición con mayor precisión, la ganancia del bucle de posición puede ajustarse a un valor relativamente alto para mejorar la precisión de la posición del sistema.
(2) Parámetros del bucle de velocidad: La ganancia del bucle de velocidad y la constante de tiempo integral deben ajustarse según las características dinámicas y los requisitos de procesamiento de la máquina herramienta. En general, la ganancia del bucle de velocidad puede ajustarse ligeramente por encima de la del sistema de bucle semicerrado para mejorar la velocidad de respuesta del sistema.
(3) Parámetros del filtro: El sistema de lazo cerrado es más sensible al ruido en la señal de retroalimentación, por lo que es necesario configurar los parámetros de filtro adecuados para filtrarlo. El tipo y la selección de parámetros del filtro deben ajustarse según la aplicación específica.
III. Adopción de la función de supresión de alta frecuencia
El análisis anterior se centra en el método de optimización de parámetros para oscilaciones de baja frecuencia. En ocasiones, el sistema CNC de las máquinas herramienta CNC genera señales de retroalimentación con armónicos de alta frecuencia debido a oscilaciones en la parte mecánica, lo que hace que el par de salida sea inestable y, por lo tanto, genere vibración. Para estas oscilaciones de alta frecuencia, se puede añadir un filtro de paso bajo de primer orden al bucle de velocidad, que es el filtro de par.
El filtro de par filtra eficazmente los armónicos de alta frecuencia en la señal de retroalimentación, lo que aumenta la estabilidad del par de salida y reduce la vibración. Al seleccionar los parámetros del filtro de par, se deben considerar los siguientes factores:
(1) Frecuencia de corte: La frecuencia de corte determina el grado de atenuación del filtro para las señales de alta frecuencia. Una frecuencia de corte demasiado baja afectará la velocidad de respuesta del sistema, mientras que una frecuencia de corte demasiado alta no podrá filtrar eficazmente los armónicos de alta frecuencia.
(2) Tipo de filtro: Los tipos de filtros comunes incluyen el filtro Butterworth, el filtro Chebyshev, etc. Los diferentes tipos de filtros tienen diferentes características de respuesta de frecuencia y deben seleccionarse de acuerdo con el escenario de aplicación específico.
(3) Orden de filtro: Cuanto mayor sea el orden de filtro, mejor será la atenuación de las señales de alta frecuencia, pero también aumentará la carga computacional del sistema. Al seleccionar el orden de filtro, es necesario considerar exhaustivamente el rendimiento y los recursos computacionales del sistema.
El análisis anterior se centra en el método de optimización de parámetros para oscilaciones de baja frecuencia. En ocasiones, el sistema CNC de las máquinas herramienta CNC genera señales de retroalimentación con armónicos de alta frecuencia debido a oscilaciones en la parte mecánica, lo que hace que el par de salida sea inestable y, por lo tanto, genere vibración. Para estas oscilaciones de alta frecuencia, se puede añadir un filtro de paso bajo de primer orden al bucle de velocidad, que es el filtro de par.
El filtro de par filtra eficazmente los armónicos de alta frecuencia en la señal de retroalimentación, lo que aumenta la estabilidad del par de salida y reduce la vibración. Al seleccionar los parámetros del filtro de par, se deben considerar los siguientes factores:
(1) Frecuencia de corte: La frecuencia de corte determina el grado de atenuación del filtro para las señales de alta frecuencia. Una frecuencia de corte demasiado baja afectará la velocidad de respuesta del sistema, mientras que una frecuencia de corte demasiado alta no podrá filtrar eficazmente los armónicos de alta frecuencia.
(2) Tipo de filtro: Los tipos de filtros comunes incluyen el filtro Butterworth, el filtro Chebyshev, etc. Los diferentes tipos de filtros tienen diferentes características de respuesta de frecuencia y deben seleccionarse de acuerdo con el escenario de aplicación específico.
(3) Orden de filtro: Cuanto mayor sea el orden de filtro, mejor será la atenuación de las señales de alta frecuencia, pero también aumentará la carga computacional del sistema. Al seleccionar el orden de filtro, es necesario considerar exhaustivamente el rendimiento y los recursos computacionales del sistema.
Además, para eliminar aún más la oscilación de las máquinas herramienta CNC, también se pueden tomar las siguientes medidas:
Optimizar la estructura mecánica
Revise las piezas mecánicas de la máquina herramienta, como rieles guía, husillos, rodamientos, etc., para garantizar que su precisión de instalación y holgura de ajuste cumplan con los requisitos. Si las piezas presentan un desgaste considerable, reemplácelas o repárelas a tiempo. Al mismo tiempo, ajuste razonablemente el contrapeso y el equilibrado de la máquina herramienta para reducir la generación de vibraciones mecánicas.
Mejorar la capacidad antiinterferente del sistema de control.
El sistema de control de las máquinas herramienta CNC se ve fácilmente afectado por interferencias externas, como interferencias electromagnéticas, fluctuaciones de potencia, etc. Para mejorar la capacidad antiinterferente del sistema de control, se pueden tomar las siguientes medidas:
(1) Adopte cables blindados y medidas de conexión a tierra para reducir la influencia de la interferencia electromagnética.
(2) Instale filtros de potencia para estabilizar el voltaje de la fuente de alimentación.
(3) Optimizar el algoritmo de software del sistema de control para mejorar el rendimiento antiinterferencias del sistema.
Mantenimiento y conservación regulares
Realice el mantenimiento y la conservación regulares de las máquinas herramienta CNC, limpie sus distintas piezas, verifique el estado de funcionamiento de los sistemas de lubricación y refrigeración, y reemplace las piezas desgastadas y el aceite lubricante a tiempo. Esto garantiza un rendimiento estable de la máquina herramienta y reduce la oscilación.
Optimizar la estructura mecánica
Revise las piezas mecánicas de la máquina herramienta, como rieles guía, husillos, rodamientos, etc., para garantizar que su precisión de instalación y holgura de ajuste cumplan con los requisitos. Si las piezas presentan un desgaste considerable, reemplácelas o repárelas a tiempo. Al mismo tiempo, ajuste razonablemente el contrapeso y el equilibrado de la máquina herramienta para reducir la generación de vibraciones mecánicas.
Mejorar la capacidad antiinterferente del sistema de control.
El sistema de control de las máquinas herramienta CNC se ve fácilmente afectado por interferencias externas, como interferencias electromagnéticas, fluctuaciones de potencia, etc. Para mejorar la capacidad antiinterferente del sistema de control, se pueden tomar las siguientes medidas:
(1) Adopte cables blindados y medidas de conexión a tierra para reducir la influencia de la interferencia electromagnética.
(2) Instale filtros de potencia para estabilizar el voltaje de la fuente de alimentación.
(3) Optimizar el algoritmo de software del sistema de control para mejorar el rendimiento antiinterferencias del sistema.
Mantenimiento y conservación regulares
Realice el mantenimiento y la conservación regulares de las máquinas herramienta CNC, limpie sus distintas piezas, verifique el estado de funcionamiento de los sistemas de lubricación y refrigeración, y reemplace las piezas desgastadas y el aceite lubricante a tiempo. Esto garantiza un rendimiento estable de la máquina herramienta y reduce la oscilación.
En conclusión, eliminar la oscilación en las máquinas herramienta CNC requiere una consideración integral de los factores mecánicos y eléctricos. Mediante un ajuste razonable de los parámetros del servosistema, la adopción de una función de supresión de alta frecuencia, la optimización de la estructura mecánica, la mejora de la capacidad antiinterferencias del sistema de control y el mantenimiento periódico, se puede reducir eficazmente la oscilación y mejorar la precisión y la estabilidad del mecanizado de la máquina herramienta.