《Phương pháp loại bỏ dao động của máy công cụ CNC》
Máy công cụ CNC đóng vai trò quan trọng trong sản xuất công nghiệp hiện đại. Tuy nhiên, vấn đề dao động thường gây khó khăn cho người vận hành và nhà sản xuất. Nguyên nhân gây ra dao động của máy công cụ CNC khá phức tạp. Bên cạnh nhiều yếu tố như khe hở truyền động không thể tháo rời, biến dạng đàn hồi và lực cản ma sát về mặt cơ học, ảnh hưởng của các thông số liên quan đến hệ thống servo cũng là một khía cạnh quan trọng. Bây giờ, nhà sản xuất máy công cụ CNC sẽ giới thiệu chi tiết các phương pháp loại bỏ dao động của máy công cụ CNC.
I. Giảm độ lợi vòng lặp vị trí
Bộ điều khiển tỷ lệ-tích phân-vi phân là bộ điều khiển đa chức năng đóng vai trò quan trọng trong máy công cụ CNC. Nó không chỉ có thể thực hiện hiệu quả việc tăng tỷ lệ tín hiệu dòng điện và điện áp mà còn điều chỉnh hiện tượng trễ hoặc sớm của tín hiệu đầu ra. Lỗi dao động đôi khi xảy ra do hiện tượng trễ hoặc sớm của dòng điện và điện áp đầu ra. Lúc này, PID có thể được sử dụng để điều chỉnh pha của dòng điện và điện áp đầu ra.
Độ lợi vòng lặp vị trí là một thông số quan trọng trong hệ thống điều khiển máy công cụ CNC. Khi độ lợi vòng lặp vị trí quá cao, hệ thống sẽ quá nhạy cảm với sai số vị trí và dễ gây ra dao động. Việc giảm độ lợi vòng lặp vị trí có thể làm giảm tốc độ phản hồi của hệ thống, từ đó giảm khả năng dao động.
Khi điều chỉnh độ lợi vòng lặp vị trí, cần thiết lập hợp lý theo yêu cầu gia công và model máy công cụ cụ thể. Nhìn chung, độ lợi vòng lặp vị trí có thể được giảm xuống mức tương đối thấp trước, sau đó tăng dần trong khi quan sát hoạt động của máy công cụ cho đến khi tìm được giá trị tối ưu đáp ứng yêu cầu độ chính xác gia công và tránh dao động.
Bộ điều khiển tỷ lệ-tích phân-vi phân là bộ điều khiển đa chức năng đóng vai trò quan trọng trong máy công cụ CNC. Nó không chỉ có thể thực hiện hiệu quả việc tăng tỷ lệ tín hiệu dòng điện và điện áp mà còn điều chỉnh hiện tượng trễ hoặc sớm của tín hiệu đầu ra. Lỗi dao động đôi khi xảy ra do hiện tượng trễ hoặc sớm của dòng điện và điện áp đầu ra. Lúc này, PID có thể được sử dụng để điều chỉnh pha của dòng điện và điện áp đầu ra.
Độ lợi vòng lặp vị trí là một thông số quan trọng trong hệ thống điều khiển máy công cụ CNC. Khi độ lợi vòng lặp vị trí quá cao, hệ thống sẽ quá nhạy cảm với sai số vị trí và dễ gây ra dao động. Việc giảm độ lợi vòng lặp vị trí có thể làm giảm tốc độ phản hồi của hệ thống, từ đó giảm khả năng dao động.
Khi điều chỉnh độ lợi vòng lặp vị trí, cần thiết lập hợp lý theo yêu cầu gia công và model máy công cụ cụ thể. Nhìn chung, độ lợi vòng lặp vị trí có thể được giảm xuống mức tương đối thấp trước, sau đó tăng dần trong khi quan sát hoạt động của máy công cụ cho đến khi tìm được giá trị tối ưu đáp ứng yêu cầu độ chính xác gia công và tránh dao động.
II. Điều chỉnh tham số của hệ thống servo vòng kín
Hệ thống servo vòng bán kín
Một số hệ thống servo CNC sử dụng thiết bị vòng bán kín. Khi điều chỉnh hệ thống servo vòng bán kín, cần đảm bảo hệ thống vòng bán kín cục bộ không dao động. Vì hệ thống servo vòng kín hoàn toàn thực hiện điều chỉnh tham số dựa trên tiền đề hệ thống vòng bán kín cục bộ của nó ổn định, nên phương pháp điều chỉnh của cả hai tương tự nhau.
Hệ thống servo vòng bán kín gián tiếp phản hồi thông tin vị trí của máy công cụ bằng cách phát hiện góc quay hoặc tốc độ của động cơ. Khi điều chỉnh thông số, cần lưu ý những khía cạnh sau:
(1) Thông số vòng lặp tốc độ: Việc thiết lập độ lợi vòng lặp tốc độ và hằng số thời gian tích phân có ảnh hưởng lớn đến độ ổn định và tốc độ phản hồi của hệ thống. Độ lợi vòng lặp tốc độ quá cao sẽ dẫn đến phản hồi hệ thống quá nhanh và dễ tạo ra dao động; trong khi hằng số thời gian tích phân quá dài sẽ làm chậm phản hồi hệ thống và ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý.
(2) Tham số vòng lặp vị trí: Việc điều chỉnh độ lợi vòng lặp vị trí và tham số bộ lọc có thể cải thiện độ chính xác vị trí và độ ổn định của hệ thống. Độ lợi vòng lặp vị trí quá cao sẽ gây ra dao động, bộ lọc có thể lọc nhiễu tần số cao trong tín hiệu phản hồi, cải thiện độ ổn định của hệ thống.
Hệ thống servo vòng kín hoàn toàn
Hệ thống servo vòng kín hoàn toàn thực hiện điều khiển vị trí chính xác bằng cách phát hiện trực tiếp vị trí thực tế của máy công cụ. Khi điều chỉnh hệ thống servo vòng kín hoàn toàn, các thông số cần được lựa chọn cẩn thận hơn để đảm bảo tính ổn định và độ chính xác của hệ thống.
Việc điều chỉnh thông số của hệ thống servo vòng kín hoàn toàn chủ yếu bao gồm các khía cạnh sau:
(1) Độ lợi vòng lặp vị trí: Tương tự như hệ thống vòng bán kín, độ lợi vòng lặp vị trí quá cao sẽ dẫn đến dao động. Tuy nhiên, vì hệ thống vòng kín hoàn toàn phát hiện lỗi vị trí chính xác hơn, nên độ lợi vòng lặp vị trí có thể được đặt tương đối cao để cải thiện độ chính xác vị trí của hệ thống.
(2) Thông số vòng lặp tốc độ: Cài đặt độ lợi vòng lặp tốc độ và hằng số thời gian tích phân cần được điều chỉnh theo đặc tính động lực học và yêu cầu gia công của máy công cụ. Nhìn chung, độ lợi vòng lặp tốc độ có thể được cài đặt cao hơn một chút so với hệ thống vòng lặp bán kín để cải thiện tốc độ phản ứng của hệ thống.
(3) Tham số bộ lọc: Hệ thống vòng kín hoàn toàn nhạy cảm hơn với nhiễu trong tín hiệu phản hồi, do đó cần thiết lập các tham số bộ lọc phù hợp để lọc nhiễu. Loại bộ lọc và lựa chọn tham số bộ lọc cần được điều chỉnh theo tình huống ứng dụng cụ thể.
Hệ thống servo vòng bán kín
Một số hệ thống servo CNC sử dụng thiết bị vòng bán kín. Khi điều chỉnh hệ thống servo vòng bán kín, cần đảm bảo hệ thống vòng bán kín cục bộ không dao động. Vì hệ thống servo vòng kín hoàn toàn thực hiện điều chỉnh tham số dựa trên tiền đề hệ thống vòng bán kín cục bộ của nó ổn định, nên phương pháp điều chỉnh của cả hai tương tự nhau.
Hệ thống servo vòng bán kín gián tiếp phản hồi thông tin vị trí của máy công cụ bằng cách phát hiện góc quay hoặc tốc độ của động cơ. Khi điều chỉnh thông số, cần lưu ý những khía cạnh sau:
(1) Thông số vòng lặp tốc độ: Việc thiết lập độ lợi vòng lặp tốc độ và hằng số thời gian tích phân có ảnh hưởng lớn đến độ ổn định và tốc độ phản hồi của hệ thống. Độ lợi vòng lặp tốc độ quá cao sẽ dẫn đến phản hồi hệ thống quá nhanh và dễ tạo ra dao động; trong khi hằng số thời gian tích phân quá dài sẽ làm chậm phản hồi hệ thống và ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý.
(2) Tham số vòng lặp vị trí: Việc điều chỉnh độ lợi vòng lặp vị trí và tham số bộ lọc có thể cải thiện độ chính xác vị trí và độ ổn định của hệ thống. Độ lợi vòng lặp vị trí quá cao sẽ gây ra dao động, bộ lọc có thể lọc nhiễu tần số cao trong tín hiệu phản hồi, cải thiện độ ổn định của hệ thống.
Hệ thống servo vòng kín hoàn toàn
Hệ thống servo vòng kín hoàn toàn thực hiện điều khiển vị trí chính xác bằng cách phát hiện trực tiếp vị trí thực tế của máy công cụ. Khi điều chỉnh hệ thống servo vòng kín hoàn toàn, các thông số cần được lựa chọn cẩn thận hơn để đảm bảo tính ổn định và độ chính xác của hệ thống.
Việc điều chỉnh thông số của hệ thống servo vòng kín hoàn toàn chủ yếu bao gồm các khía cạnh sau:
(1) Độ lợi vòng lặp vị trí: Tương tự như hệ thống vòng bán kín, độ lợi vòng lặp vị trí quá cao sẽ dẫn đến dao động. Tuy nhiên, vì hệ thống vòng kín hoàn toàn phát hiện lỗi vị trí chính xác hơn, nên độ lợi vòng lặp vị trí có thể được đặt tương đối cao để cải thiện độ chính xác vị trí của hệ thống.
(2) Thông số vòng lặp tốc độ: Cài đặt độ lợi vòng lặp tốc độ và hằng số thời gian tích phân cần được điều chỉnh theo đặc tính động lực học và yêu cầu gia công của máy công cụ. Nhìn chung, độ lợi vòng lặp tốc độ có thể được cài đặt cao hơn một chút so với hệ thống vòng lặp bán kín để cải thiện tốc độ phản ứng của hệ thống.
(3) Tham số bộ lọc: Hệ thống vòng kín hoàn toàn nhạy cảm hơn với nhiễu trong tín hiệu phản hồi, do đó cần thiết lập các tham số bộ lọc phù hợp để lọc nhiễu. Loại bộ lọc và lựa chọn tham số bộ lọc cần được điều chỉnh theo tình huống ứng dụng cụ thể.
III. Áp dụng chức năng triệt tiêu tần số cao
Bài thảo luận trên là về phương pháp tối ưu hóa tham số cho dao động tần số thấp. Đôi khi, hệ thống CNC của máy công cụ CNC sẽ tạo ra tín hiệu phản hồi chứa sóng hài tần số cao do một số nguyên nhân dao động trong bộ phận cơ khí, khiến mô-men xoắn đầu ra không ổn định và do đó tạo ra rung động. Đối với tình huống dao động tần số cao này, có thể thêm một liên kết lọc thông thấp bậc nhất vào vòng lặp tốc độ, đó là bộ lọc mô-men xoắn.
Bộ lọc mô-men xoắn có thể lọc hiệu quả sóng hài tần số cao trong tín hiệu phản hồi, giúp mô-men xoắn đầu ra ổn định hơn và giảm độ rung. Khi lựa chọn thông số của bộ lọc mô-men xoắn, cần cân nhắc các yếu tố sau:
(1) Tần số cắt: Tần số cắt quyết định mức độ suy giảm của bộ lọc đối với tín hiệu tần số cao. Tần số cắt quá thấp sẽ ảnh hưởng đến tốc độ đáp ứng của hệ thống, trong khi tần số cắt quá cao sẽ không thể lọc hiệu quả sóng hài tần số cao.
(2) Loại bộ lọc: Các loại bộ lọc phổ biến bao gồm bộ lọc Butterworth, bộ lọc Chebyshev, v.v. Các loại bộ lọc khác nhau có đặc điểm đáp ứng tần số khác nhau và cần được lựa chọn theo tình huống ứng dụng cụ thể.
(3) Bậc lọc: Bậc lọc càng cao thì hiệu quả suy giảm tín hiệu tần số cao càng tốt, nhưng đồng thời cũng làm tăng gánh nặng tính toán của hệ thống. Khi lựa chọn bậc lọc, cần xem xét toàn diện hiệu suất và tài nguyên tính toán của hệ thống.
Bài thảo luận trên là về phương pháp tối ưu hóa tham số cho dao động tần số thấp. Đôi khi, hệ thống CNC của máy công cụ CNC sẽ tạo ra tín hiệu phản hồi chứa sóng hài tần số cao do một số nguyên nhân dao động trong bộ phận cơ khí, khiến mô-men xoắn đầu ra không ổn định và do đó tạo ra rung động. Đối với tình huống dao động tần số cao này, có thể thêm một liên kết lọc thông thấp bậc nhất vào vòng lặp tốc độ, đó là bộ lọc mô-men xoắn.
Bộ lọc mô-men xoắn có thể lọc hiệu quả sóng hài tần số cao trong tín hiệu phản hồi, giúp mô-men xoắn đầu ra ổn định hơn và giảm độ rung. Khi lựa chọn thông số của bộ lọc mô-men xoắn, cần cân nhắc các yếu tố sau:
(1) Tần số cắt: Tần số cắt quyết định mức độ suy giảm của bộ lọc đối với tín hiệu tần số cao. Tần số cắt quá thấp sẽ ảnh hưởng đến tốc độ đáp ứng của hệ thống, trong khi tần số cắt quá cao sẽ không thể lọc hiệu quả sóng hài tần số cao.
(2) Loại bộ lọc: Các loại bộ lọc phổ biến bao gồm bộ lọc Butterworth, bộ lọc Chebyshev, v.v. Các loại bộ lọc khác nhau có đặc điểm đáp ứng tần số khác nhau và cần được lựa chọn theo tình huống ứng dụng cụ thể.
(3) Bậc lọc: Bậc lọc càng cao thì hiệu quả suy giảm tín hiệu tần số cao càng tốt, nhưng đồng thời cũng làm tăng gánh nặng tính toán của hệ thống. Khi lựa chọn bậc lọc, cần xem xét toàn diện hiệu suất và tài nguyên tính toán của hệ thống.
Ngoài ra, để loại bỏ hơn nữa hiện tượng dao động của máy công cụ CNC, có thể áp dụng các biện pháp sau:
Tối ưu hóa cấu trúc cơ học
Kiểm tra các bộ phận cơ khí của máy công cụ, chẳng hạn như ray dẫn hướng, vít me, ổ trục, v.v., để đảm bảo độ chính xác lắp đặt và khe hở lắp ráp đáp ứng yêu cầu. Đối với các bộ phận bị mòn nghiêm trọng, cần thay thế hoặc sửa chữa kịp thời. Đồng thời, điều chỉnh hợp lý đối trọng và cân bằng của máy công cụ để giảm thiểu rung động cơ học.
Cải thiện khả năng chống nhiễu của hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển của máy công cụ CNC dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu bên ngoài như nhiễu điện từ, dao động điện áp... Để nâng cao khả năng chống nhiễu của hệ thống điều khiển, có thể thực hiện các biện pháp sau:
(1) Áp dụng cáp có vỏ bọc và biện pháp nối đất để giảm ảnh hưởng của nhiễu điện từ.
(2) Lắp đặt bộ lọc nguồn để ổn định điện áp nguồn.
(3) Tối ưu hóa thuật toán phần mềm của hệ thống điều khiển để cải thiện hiệu suất chống nhiễu của hệ thống.
Bảo trì và bảo dưỡng thường xuyên
Thường xuyên bảo trì, bảo dưỡng máy công cụ CNC, vệ sinh các bộ phận máy công cụ, kiểm tra tình trạng hoạt động của hệ thống bôi trơn và hệ thống làm mát, thay thế kịp thời các chi tiết bị mòn và dầu bôi trơn. Điều này có thể đảm bảo máy công cụ hoạt động ổn định và giảm thiểu hiện tượng dao động.
Tối ưu hóa cấu trúc cơ học
Kiểm tra các bộ phận cơ khí của máy công cụ, chẳng hạn như ray dẫn hướng, vít me, ổ trục, v.v., để đảm bảo độ chính xác lắp đặt và khe hở lắp ráp đáp ứng yêu cầu. Đối với các bộ phận bị mòn nghiêm trọng, cần thay thế hoặc sửa chữa kịp thời. Đồng thời, điều chỉnh hợp lý đối trọng và cân bằng của máy công cụ để giảm thiểu rung động cơ học.
Cải thiện khả năng chống nhiễu của hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển của máy công cụ CNC dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu bên ngoài như nhiễu điện từ, dao động điện áp... Để nâng cao khả năng chống nhiễu của hệ thống điều khiển, có thể thực hiện các biện pháp sau:
(1) Áp dụng cáp có vỏ bọc và biện pháp nối đất để giảm ảnh hưởng của nhiễu điện từ.
(2) Lắp đặt bộ lọc nguồn để ổn định điện áp nguồn.
(3) Tối ưu hóa thuật toán phần mềm của hệ thống điều khiển để cải thiện hiệu suất chống nhiễu của hệ thống.
Bảo trì và bảo dưỡng thường xuyên
Thường xuyên bảo trì, bảo dưỡng máy công cụ CNC, vệ sinh các bộ phận máy công cụ, kiểm tra tình trạng hoạt động của hệ thống bôi trơn và hệ thống làm mát, thay thế kịp thời các chi tiết bị mòn và dầu bôi trơn. Điều này có thể đảm bảo máy công cụ hoạt động ổn định và giảm thiểu hiện tượng dao động.
Tóm lại, việc loại bỏ dao động của máy công cụ CNC đòi hỏi phải xem xét toàn diện các yếu tố cơ học và điện. Bằng cách điều chỉnh hợp lý các thông số của hệ thống servo, áp dụng chức năng triệt tiêu tần số cao, tối ưu hóa cấu trúc cơ học, cải thiện khả năng chống nhiễu của hệ thống điều khiển và thực hiện bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên, có thể giảm thiểu hiệu quả hiện tượng dao động, đồng thời nâng cao độ chính xác và độ ổn định gia công của máy công cụ.