GSHD系列伺服驅(qū)動器全閉環(huán)助力國產(chǎn)高精度五軸數(shù)控刀具磨床

數(shù)控機(jī)床是制造業(yè)皇冠上的明珠，2023年中國數(shù)控機(jī)床市場規(guī)模達(dá)到4128億人民幣，2020年-2024年預(yù)計保持8.53%的復(fù)合增長率。

我國高端數(shù)控裝備控制系統(tǒng)，國產(chǎn)化率偏低，急需提升。根據(jù)前瞻研究院數(shù)據(jù)，2018年中國低檔數(shù)控機(jī)床國產(chǎn)化率約82%，中檔數(shù)控機(jī)床國產(chǎn)化率約65%，高檔數(shù)控機(jī)床國產(chǎn)化率僅約6%。

《中國制造2025》規(guī)劃中明確提出“高端數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)設(shè)施裝備”之具體目標(biāo)如下：“到2025年，高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備國內(nèi)市場占有率超過80%。高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備總體進(jìn)入世界強(qiáng)國行列”。

傳統(tǒng)機(jī)床分類

傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床種類繁多，應(yīng)用場景廣泛。固高科技的產(chǎn)品覆蓋了車床、銑床、鉆床、磨床、齒輪加工、電加工等豐富的機(jī)床場景。GSHD系列伺服驅(qū)動器在立式雕銑機(jī)床、加工中心、車銑復(fù)合機(jī)床和高精密磨床等領(lǐng)域都獲得了規(guī)模化應(yīng)用。

案例講解

本文主要介紹GSHD系列伺服驅(qū)動器在國產(chǎn)化五軸刀具磨床的應(yīng)用案例及其調(diào)試方法。

五軸數(shù)控刀具磨床的設(shè)備圖

設(shè)備一般由：

砂輪主軸：通過高速，穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)磨切工件；

X軸：橫向移動的伺服電機(jī)；

Y軸：前后移動的伺服電機(jī)；

Z軸：帶著磨頭軸上下移動的伺服電機(jī)；

A軸：旋轉(zhuǎn)工件的dd馬達(dá)；

C軸：帶著工作臺整體旋轉(zhuǎn)的dd馬達(dá)；

和進(jìn)給運動部件、輔助部件、立柱、機(jī)座等組成。 

在此基礎(chǔ)上，砂輪可以以任意角度接近工件加工，實現(xiàn)5軸聯(lián)動。這種磨削方式靈活穩(wěn)定，加工精度高，借助豎直鏡頭更容易觀測實時位置，對安全也有保障。

解決方案

附：卡右邊網(wǎng)口為出線A口，左為回線B口。

模塊為cn1進(jìn)線，cn2出線。

該類型數(shù)控機(jī)床機(jī)床調(diào)試的重點是：高精度、高速度、高穩(wěn)定性、聯(lián)動性和智能性。固高科技協(xié)助某客戶自研了系列高精度五軸數(shù)控刀具磨床。

初始方案：xyzac軸如上所示，XYZ進(jìn)給軸編碼器為單光柵尺反饋，0.1μm分辨率，要求達(dá)到0.5μm的全行程跟隨誤差。

改進(jìn)前效果

XYZ進(jìn)給軸絲桿導(dǎo)程為5mm，編碼器分辨率為5000μm÷0.1μm=50000個脈沖。加工時主軸轉(zhuǎn)速4000，以0.6的進(jìn)給速率加工直線，往返加工四次。最初的加工效果如下：

從上圖可以看到，伺服驅(qū)動器位置誤差曲線有明顯的固定振動頻率。速度環(huán)，位置環(huán)增益因為該低頻共振導(dǎo)致無法提升，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)跟速誤差，且由于電機(jī)末端沒有安裝編碼器無法進(jìn)行齒槽轉(zhuǎn)矩補償，最終導(dǎo)致數(shù)控磨床系統(tǒng)加工效果不穩(wěn)定。

改進(jìn)后工藝效果

經(jīng)固高技術(shù)團(tuán)隊研究后確定使用GSHD系列伺服驅(qū)動器的全閉環(huán)功能。在電機(jī)模塊添加了1000000分辨率的增量式abz編碼器作為電機(jī)編碼器充當(dāng)?shù)谝宦肪幋a器。這樣第一路的主編電機(jī)編碼器負(fù)責(zé)伺服系統(tǒng)準(zhǔn)確電流換相，第二路的尺子負(fù)責(zé)位置閉環(huán)，兩者配合，可產(chǎn)生更穩(wěn)定，更精準(zhǔn)的控制效果。

GSHD系列伺服驅(qū)動器全閉環(huán)的設(shè)置靈活， C3，C4硬件接口都可配置為第二編碼器，目前 C3接口僅支持增量式編碼器。（EtherCAT型驅(qū)動器C3接口支持絕對式和增量式編碼器接入） 

注意：在使用兩路編碼器的時候，設(shè)置主編碼器必須是電機(jī)的編碼器，而不是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的末端編碼器。

(注：配置完第二路編碼器之后需要驗證主編碼器與第二路編碼器方向是否一致。添加“Pos”和“SecondPos”兩個變量，分別為主編碼器反饋及第二編碼器反饋，手推或者電壓開環(huán)監(jiān)控曲線是否同增同減，如果不是則在第二路編碼器配置中將第二路編碼器取反。)

改進(jìn)后效果圖

使用GSHD系列伺服驅(qū)動器的全閉環(huán)控制不僅使系統(tǒng)跟隨誤差顯著減小，且偏差整體加工面更加平整沒有明顯的刀紋，速度穩(wěn)定性明顯提升，勻速段的速度波動穩(wěn)定的1%內(nèi)，在直線和圓弧加工中都達(dá)到了較為完美的效果，效果也達(dá)到了終端客戶認(rèn)可。

固高科技于1999年由香港科技大學(xué)的李澤湘、高秉強(qiáng)、吳宏三位機(jī)器人、微電子和運動控制領(lǐng)域的國際知名學(xué)者和專家所創(chuàng)辦，是亞太地區(qū)首家擁有自主知識產(chǎn)權(quán), 專業(yè)從事運動控制及智能制造核心技術(shù)研究與開發(fā)的高科技企業(yè)，是國內(nèi)外全互聯(lián)智能制造綜合解決方案提供商之一。固高科技專注于運動控制、伺服驅(qū)動、多維感知、工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)軟件五個方向的核心技術(shù)研究，通過深入的國內(nèi)外合作、產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合、積極培育系統(tǒng)集成商等創(chuàng)新的商業(yè)模式，將固高科技的運控技術(shù)及產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于微電子、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、電子加工、檢測、印刷、包裝及生產(chǎn)自動化等工業(yè)控制領(lǐng)域。

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