《Métodos para Eliminar a Oscilação de Máquinas-Ferramentas CNC》
As máquinas-ferramentas CNC desempenham um papel importante na produção industrial moderna. No entanto, o problema da oscilação frequentemente afeta operadores e fabricantes. As causas da oscilação em máquinas-ferramentas CNC são relativamente complexas. Além de muitos fatores, como folgas de transmissão irremovíveis, deformação elástica e resistência ao atrito no aspecto mecânico, a influência de parâmetros relevantes do sistema servo também é um aspecto importante. Agora, o fabricante de máquinas-ferramentas CNC apresentará em detalhes os métodos para eliminar a oscilação em máquinas-ferramentas CNC.
I. Reduzindo o ganho do loop de posição
O controlador proporcional-integral-derivativo é um controlador multifuncional que desempenha um papel crucial em máquinas-ferramentas CNC. Ele não só pode realizar o ganho proporcional de forma eficaz em sinais de corrente e tensão, como também ajustar problemas de atraso ou adiantamento do sinal de saída. Falhas de oscilação às vezes ocorrem devido ao atraso ou adiantamento da corrente e da tensão de saída. Nesse caso, o PID pode ser usado para ajustar a fase da corrente e da tensão de saída.
O ganho da malha de posição é um parâmetro fundamental no sistema de controle de máquinas-ferramenta CNC. Quando o ganho da malha de posição é muito alto, o sistema fica excessivamente sensível a erros de posicionamento e propenso a causar oscilações. Reduzir o ganho da malha de posição pode reduzir a velocidade de resposta do sistema e, portanto, a possibilidade de oscilação.
Ao ajustar o ganho do loop de posição, ele precisa ser razoavelmente definido de acordo com o modelo específico da máquina-ferramenta e os requisitos de processamento. De modo geral, o ganho do loop de posição pode ser reduzido inicialmente a um nível relativamente baixo e, em seguida, aumentado gradualmente, observando-se a operação da máquina-ferramenta, até que seja encontrado um valor ideal que atenda aos requisitos de precisão de processamento e evite oscilações.
O controlador proporcional-integral-derivativo é um controlador multifuncional que desempenha um papel crucial em máquinas-ferramentas CNC. Ele não só pode realizar o ganho proporcional de forma eficaz em sinais de corrente e tensão, como também ajustar problemas de atraso ou adiantamento do sinal de saída. Falhas de oscilação às vezes ocorrem devido ao atraso ou adiantamento da corrente e da tensão de saída. Nesse caso, o PID pode ser usado para ajustar a fase da corrente e da tensão de saída.
O ganho da malha de posição é um parâmetro fundamental no sistema de controle de máquinas-ferramenta CNC. Quando o ganho da malha de posição é muito alto, o sistema fica excessivamente sensível a erros de posicionamento e propenso a causar oscilações. Reduzir o ganho da malha de posição pode reduzir a velocidade de resposta do sistema e, portanto, a possibilidade de oscilação.
Ao ajustar o ganho do loop de posição, ele precisa ser razoavelmente definido de acordo com o modelo específico da máquina-ferramenta e os requisitos de processamento. De modo geral, o ganho do loop de posição pode ser reduzido inicialmente a um nível relativamente baixo e, em seguida, aumentado gradualmente, observando-se a operação da máquina-ferramenta, até que seja encontrado um valor ideal que atenda aos requisitos de precisão de processamento e evite oscilações.
II. Ajuste de parâmetros do sistema servo de malha fechada
Sistema servo de malha semifechada
Alguns sistemas servo CNC utilizam dispositivos de malha semifechada. Ao ajustar o sistema servo de malha semifechada, é necessário garantir que o sistema de malha semifechada local não oscile. Como o sistema servo de malha totalmente fechada realiza o ajuste de parâmetros com base na estabilidade do sistema de malha semifechada local, os dois são semelhantes em termos de métodos de ajuste.
O servo sistema de malha semifechada realimenta indiretamente as informações de posição da máquina-ferramenta, detectando o ângulo de rotação ou a velocidade do motor. Ao ajustar os parâmetros, é necessário prestar atenção aos seguintes aspectos:
(1) Parâmetros do loop de velocidade: As configurações de ganho do loop de velocidade e da constante de tempo integral têm grande influência na estabilidade e na velocidade de resposta do sistema. Um ganho de loop de velocidade muito alto resultará em uma resposta do sistema muito rápida e propensa a gerar oscilação; enquanto uma constante de tempo integral muito longa tornará a resposta do sistema mais lenta e afetará a eficiência do processamento.
(2) Parâmetros do loop de posição: O ajuste do ganho do loop de posição e dos parâmetros do filtro pode melhorar a precisão da posição e a estabilidade do sistema. Ganhos muito altos do loop de posição causarão oscilação, e o filtro pode filtrar ruídos de alta frequência no sinal de feedback e melhorar a estabilidade do sistema.
Sistema servo de malha totalmente fechada
O sistema servo de malha totalmente fechada realiza o controle preciso da posição, detectando diretamente a posição real da máquina-ferramenta. Ao ajustar o sistema servo de malha totalmente fechada, os parâmetros precisam ser selecionados com mais cuidado para garantir a estabilidade e a precisão do sistema.
O ajuste de parâmetros do sistema servo de malha totalmente fechada inclui principalmente os seguintes aspectos:
(1) Ganho da malha de posição: Semelhante ao sistema de malha semifechada, um ganho de malha de posição muito alto levará à oscilação. No entanto, como o sistema de malha totalmente fechada detecta erros de posição com mais precisão, o ganho da malha de posição pode ser definido relativamente alto para melhorar a precisão do posicionamento do sistema.
(2) Parâmetros do circuito de velocidade: As configurações de ganho do circuito de velocidade e da constante de tempo integral precisam ser ajustadas de acordo com as características dinâmicas e os requisitos de processamento da máquina-ferramenta. De modo geral, o ganho do circuito de velocidade pode ser definido ligeiramente acima do ganho do sistema de circuito semifechado para melhorar a velocidade de resposta do sistema.
(3) Parâmetros do filtro: O sistema de malha totalmente fechada é mais sensível ao ruído no sinal de feedback, portanto, parâmetros de filtro apropriados precisam ser definidos para filtrar o ruído. O tipo e a seleção dos parâmetros do filtro devem ser ajustados de acordo com o cenário de aplicação específico.
Sistema servo de malha semifechada
Alguns sistemas servo CNC utilizam dispositivos de malha semifechada. Ao ajustar o sistema servo de malha semifechada, é necessário garantir que o sistema de malha semifechada local não oscile. Como o sistema servo de malha totalmente fechada realiza o ajuste de parâmetros com base na estabilidade do sistema de malha semifechada local, os dois são semelhantes em termos de métodos de ajuste.
O servo sistema de malha semifechada realimenta indiretamente as informações de posição da máquina-ferramenta, detectando o ângulo de rotação ou a velocidade do motor. Ao ajustar os parâmetros, é necessário prestar atenção aos seguintes aspectos:
(1) Parâmetros do loop de velocidade: As configurações de ganho do loop de velocidade e da constante de tempo integral têm grande influência na estabilidade e na velocidade de resposta do sistema. Um ganho de loop de velocidade muito alto resultará em uma resposta do sistema muito rápida e propensa a gerar oscilação; enquanto uma constante de tempo integral muito longa tornará a resposta do sistema mais lenta e afetará a eficiência do processamento.
(2) Parâmetros do loop de posição: O ajuste do ganho do loop de posição e dos parâmetros do filtro pode melhorar a precisão da posição e a estabilidade do sistema. Ganhos muito altos do loop de posição causarão oscilação, e o filtro pode filtrar ruídos de alta frequência no sinal de feedback e melhorar a estabilidade do sistema.
Sistema servo de malha totalmente fechada
O sistema servo de malha totalmente fechada realiza o controle preciso da posição, detectando diretamente a posição real da máquina-ferramenta. Ao ajustar o sistema servo de malha totalmente fechada, os parâmetros precisam ser selecionados com mais cuidado para garantir a estabilidade e a precisão do sistema.
O ajuste de parâmetros do sistema servo de malha totalmente fechada inclui principalmente os seguintes aspectos:
(1) Ganho da malha de posição: Semelhante ao sistema de malha semifechada, um ganho de malha de posição muito alto levará à oscilação. No entanto, como o sistema de malha totalmente fechada detecta erros de posição com mais precisão, o ganho da malha de posição pode ser definido relativamente alto para melhorar a precisão do posicionamento do sistema.
(2) Parâmetros do circuito de velocidade: As configurações de ganho do circuito de velocidade e da constante de tempo integral precisam ser ajustadas de acordo com as características dinâmicas e os requisitos de processamento da máquina-ferramenta. De modo geral, o ganho do circuito de velocidade pode ser definido ligeiramente acima do ganho do sistema de circuito semifechado para melhorar a velocidade de resposta do sistema.
(3) Parâmetros do filtro: O sistema de malha totalmente fechada é mais sensível ao ruído no sinal de feedback, portanto, parâmetros de filtro apropriados precisam ser definidos para filtrar o ruído. O tipo e a seleção dos parâmetros do filtro devem ser ajustados de acordo com o cenário de aplicação específico.
III. Adoção da função de supressão de alta frequência
A discussão acima trata do método de otimização de parâmetros para oscilação de baixa frequência. Às vezes, o sistema CNC de máquinas-ferramentas CNC gera sinais de realimentação contendo harmônicos de alta frequência devido a certos fatores de oscilação na parte mecânica, o que torna o torque de saída não constante e, portanto, gera vibração. Para essa situação de oscilação de alta frequência, um filtro passa-baixa de primeira ordem pode ser adicionado ao circuito de velocidade, que é o filtro de torque.
O filtro de torque pode filtrar com eficácia harmônicos de alta frequência no sinal de feedback, tornando o torque de saída mais estável e, assim, reduzindo a vibração. Ao selecionar os parâmetros do filtro de torque, os seguintes fatores devem ser considerados:
(1) Frequência de corte: A frequência de corte determina o grau de atenuação do filtro para sinais de alta frequência. Uma frequência de corte muito baixa afetará a velocidade de resposta do sistema, enquanto uma frequência de corte muito alta não será capaz de filtrar harmônicos de alta frequência com eficácia.
(2) Tipo de filtro: Os tipos comuns de filtros incluem filtro Butterworth, filtro Chebyshev, etc. Diferentes tipos de filtros têm diferentes características de resposta de frequência e precisam ser selecionados de acordo com o cenário de aplicação específico.
(3) Ordem do filtro: Quanto maior a ordem do filtro, melhor o efeito de atenuação em sinais de alta frequência, mas, ao mesmo tempo, também aumentará a carga computacional do sistema. Ao selecionar a ordem do filtro, o desempenho e os recursos computacionais do sistema precisam ser considerados de forma abrangente.
A discussão acima trata do método de otimização de parâmetros para oscilação de baixa frequência. Às vezes, o sistema CNC de máquinas-ferramentas CNC gera sinais de realimentação contendo harmônicos de alta frequência devido a certos fatores de oscilação na parte mecânica, o que torna o torque de saída não constante e, portanto, gera vibração. Para essa situação de oscilação de alta frequência, um filtro passa-baixa de primeira ordem pode ser adicionado ao circuito de velocidade, que é o filtro de torque.
O filtro de torque pode filtrar com eficácia harmônicos de alta frequência no sinal de feedback, tornando o torque de saída mais estável e, assim, reduzindo a vibração. Ao selecionar os parâmetros do filtro de torque, os seguintes fatores devem ser considerados:
(1) Frequência de corte: A frequência de corte determina o grau de atenuação do filtro para sinais de alta frequência. Uma frequência de corte muito baixa afetará a velocidade de resposta do sistema, enquanto uma frequência de corte muito alta não será capaz de filtrar harmônicos de alta frequência com eficácia.
(2) Tipo de filtro: Os tipos comuns de filtros incluem filtro Butterworth, filtro Chebyshev, etc. Diferentes tipos de filtros têm diferentes características de resposta de frequência e precisam ser selecionados de acordo com o cenário de aplicação específico.
(3) Ordem do filtro: Quanto maior a ordem do filtro, melhor o efeito de atenuação em sinais de alta frequência, mas, ao mesmo tempo, também aumentará a carga computacional do sistema. Ao selecionar a ordem do filtro, o desempenho e os recursos computacionais do sistema precisam ser considerados de forma abrangente.
Além disso, para eliminar ainda mais a oscilação das máquinas-ferramentas CNC, as seguintes medidas também podem ser tomadas:
Otimizar a estrutura mecânica
Verifique as peças mecânicas da máquina-ferramenta, como trilhos-guia, fusos de avanço, rolamentos, etc., para garantir que a precisão de instalação e a folga de encaixe atendam aos requisitos. Para peças com desgaste severo, substitua-as ou repare-as a tempo. Ao mesmo tempo, ajuste razoavelmente o contrapeso e o balanceamento da máquina-ferramenta para reduzir a geração de vibração mecânica.
Melhorar a capacidade anti-interferência do sistema de controle
O sistema de controle de máquinas-ferramentas CNC é facilmente afetado por interferências externas, como interferência eletromagnética, flutuações de energia, etc. Para melhorar a capacidade antiinterferência do sistema de controle, as seguintes medidas podem ser tomadas:
(1) Adote cabos blindados e medidas de aterramento para reduzir a influência da interferência eletromagnética.
(2) Instale filtros de energia para estabilizar a tensão de alimentação.
(3) Otimizar o algoritmo de software do sistema de controle para melhorar o desempenho anti-interferência do sistema.
Manutenção e conservação regulares
Realize regularmente a manutenção e conservação das máquinas-ferramentas CNC, limpe as diversas peças da máquina-ferramenta, verifique as condições de funcionamento do sistema de lubrificação e do sistema de refrigeração e substitua as peças desgastadas e o óleo lubrificante em tempo hábil. Isso garante o desempenho estável da máquina-ferramenta e reduz a ocorrência de oscilações.
Otimizar a estrutura mecânica
Verifique as peças mecânicas da máquina-ferramenta, como trilhos-guia, fusos de avanço, rolamentos, etc., para garantir que a precisão de instalação e a folga de encaixe atendam aos requisitos. Para peças com desgaste severo, substitua-as ou repare-as a tempo. Ao mesmo tempo, ajuste razoavelmente o contrapeso e o balanceamento da máquina-ferramenta para reduzir a geração de vibração mecânica.
Melhorar a capacidade anti-interferência do sistema de controle
O sistema de controle de máquinas-ferramentas CNC é facilmente afetado por interferências externas, como interferência eletromagnética, flutuações de energia, etc. Para melhorar a capacidade antiinterferência do sistema de controle, as seguintes medidas podem ser tomadas:
(1) Adote cabos blindados e medidas de aterramento para reduzir a influência da interferência eletromagnética.
(2) Instale filtros de energia para estabilizar a tensão de alimentação.
(3) Otimizar o algoritmo de software do sistema de controle para melhorar o desempenho anti-interferência do sistema.
Manutenção e conservação regulares
Realize regularmente a manutenção e conservação das máquinas-ferramentas CNC, limpe as diversas peças da máquina-ferramenta, verifique as condições de funcionamento do sistema de lubrificação e do sistema de refrigeração e substitua as peças desgastadas e o óleo lubrificante em tempo hábil. Isso garante o desempenho estável da máquina-ferramenta e reduz a ocorrência de oscilações.
Em conclusão, a eliminação da oscilação em máquinas-ferramenta CNC requer uma consideração abrangente de fatores mecânicos e elétricos. Ajustando razoavelmente os parâmetros do servosistema, adotando a função de supressão de alta frequência, otimizando a estrutura mecânica, melhorando a capacidade antiparasitária do sistema de controle e realizando manutenção e conservação regulares, a ocorrência de oscilação pode ser efetivamente reduzida e a precisão e a estabilidade da usinagem da máquina-ferramenta podem ser aprimoradas.