数控机床双轴驱动同步控制方法的探讨
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作者:许晶
摘 要：在数控机床双轴驱动系统工作过程中，因为工作台与滑台的质量重心没有重合，导致两根滚珠丝杠的位置或转速出现一定的误差，从而影响了数控机床的加工精度。所以，可以说，两根驱动轴的同步控制精度是衡量数控机床工作性能的重要指标。数控机床双轴驱动同步控制方法变成了数控加工中的一个难题。为了有效地解决这一难题，该文把神经网络控制与传统PID控制进行了有机结合，提出了一种基于神经元PID的控制方式，同时采用交叉耦合控制方法实时改变神经元的连接权重，从而实现PID控制参数的在线整合，仿真结果表明，该方法能有效减小同步误差，提高工件加工精度，在实践中有一定的可推广性与实际应用性。
关键词：数控机床 加工精度 同步控制 神经网络 PID控制
中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）09（b）-0048-02
双轴驱动控制广泛应用于数控加工设备中，由于两套驱动系统存在制造方面和装配方面的双重误差，当电机输入相同指令时，会引起输出轴速度或位置产生很大偏差;同时，当工作台位置不在两根轴的中心线上时，作用到各轴上的负载力不同，再加上两根轴在高速进给时存在一定的耦合关系，这就会影响双轴驱动的控制精度，使数控机床的工作性能大大下降。因此，采用何种控制方法，提高双轴同步控制精度，是研究人员普遍关注的问题。也是我们业内研究的重要课题。
该文对数控机床双轴同步系统的工作原理及相关问题进行了深入研究，分析了影响同步控制精度的因素，并制定神经元PID控制策略用于双轴同步驱动控制系统中。同时，把两根驱动轴的位置误差、转速误差以及电机的电流作为控制的有效变量，实践中采用交叉耦合控制的方式进行系统地分析。实验结果表明，所采用控制方式能很好地减小双轴驱动系统在工作过程中产生的同步误差，并可以将此误差控制在一个允许的范围内，大大提高了机床控制精度，为数控机床双轴同步控制系统的研究开辟了新的局面。
1 数控机床理论研究
数控机床双轴驱动系统主要由工作台、交流伺服电机、数控装置、位置反馈机构、滚珠丝杠部件等部分组成。滚珠丝杆由两个相对独立的伺服电机驱动转动，同时两个电机驱动运动滑台左右移动，工作台在运动滑台与本身电机的复合运动下，进行曲线运动，完成对工件的加工。
机床在实现同步控制过程中，控制的方式有两种：
一是同等方式。这里所说的同等方式是指采用结构完全相同的两套驱动轴同时运行，同时以一个理想的输入信号为目标，进行跟踪输出，从而实现位置或速度同步的控制方法。由于两驱动轴间相互独立，没有相互作用，当某一轴受到干扰而运动时，将会产生无法消除的同步偏差，极大地降低了整个系统的控制精度，难以满足高精度数控机床中的双轴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础上，比较两组输出结果，同时把产生的偏差信号亦作为一个附加的信号进行信号反馈，实现调节和补偿轴间位置偏差以及控制交叉耦合的方式，從而达到同步控制的良好效果。这种控制方式具有响应的时速快的特点，也具有很准确地反映出每个负载的时时变化情况的优点。
2 双轴同步系统运动特性分析
两个同步电机驱动滑台能够在水平方向沿X轴进行运动，工作台可以在垂直方向沿Y轴进行运动，整个控制系统是一个在X轴和Y 轴方向进行运动的组合体。
3 以神经元PID为基本理念的同步控制方式的研究
神经元控制是基于对人体大脑功能的实际模拟而有创新性提出来的一种控制方式，它一种从多输入到单输出，具有一定的对应关系，能表达出任意形式的非线性函数，能实现自我学习效能，它是智能控制的一个全新理念和重要分支。
把神经元与传统PID控制相互结合，利用神经元自我学习的功能，使其连接权重与PID控制参数相融合，通过与其对应的学习规则，及时对PID参数进行在线整合。神经元PID控制方法不仅保持了传统PID操作简便、功能易实现的特点，还能适应外部环境的不同变化，更具有较强的预见性和智能性。在业内有一定的推广性。
4 实验结果的验证
实验中，我们将数控加工机床的两根驱动轴的位置偏差、转速偏差以及伺服电动机输入电流的偏差作为实际信号，在得到反馈后，经转换后作为神经元PID控制器的输入，同时连接权重采用有监督Delta学习规则进行调整;再采用加速度为梯形的S形速度指令作为电机输入，在Matlab软件中进行仿真验证，验证过程中取驱动轴位置偏差和伺服电机反馈电流作为研究对象，并把神经元PID控制策略与传统PID相对比。
从仿真结果显示，与传统PID控制相比较，神经元PID控制策略非常有效地缩小了两驱动轴间的同步误差，提高数控机床的加工精度，所用控制方法具有实效性。
5 结语
数控加工机床在设计、制造过程中，由于各种因素影响总会存在误差，双轴同步驱动在机械方面上也存在强耦合性，尤其是在机械加工运行中存在负载的不确定性和不平衡性等误差，导致双轴驱动系统的同步控制精度下降，造成被加工工件尺寸精度和形状精度降低，甚至出现机床被损坏的不良后果。基于此，该文把神经网络控制与PID控制相结合，提出了神经元PID控制策略，同时运用交叉耦合方法对两根驱动轴的位置误差和电机电流进行研究，研究结果表明所用方法能有效解决数控机床双轴同步控制系统中存在的问题，达到设计预期。
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