多轴液压联动实时插补控制算法

　　随着液压元器件的迅速发展,液压系统由于容易获得很大的力或力矩,方便实现大范围无级调速等许多突出的优点,在成形设备、工程机械等行业中得到了广泛的应用,多轴液压联动普遍用于这些设备中,而液压位置控制精度是影响数控成形设备加工精度的一个最主要的因素。

　　由于液压系统的驱动特性及较大的惯性,容易造成力和位移滞后及时间延迟等问题,因此提高液压系统的动态性能一直是液压系统控制的重点和难点。液压系统中力和位移的强耦合作用,使得液压控制变得更加复杂。

　　液压缸的位置控制主要是控制器通过接收给定的理论位置值和液压活塞或液压缸的实际位置反馈值,以一定的扫描周期和控制算法进行检测计算,并将得到的速度指令输出到伺服阀^[1]。控制算法直接影响控制系统的各项静态和动态特性。液压缸的位置控制与标准数控设备中广泛使用的步进电机位置控制不同, 步进电机可以进行半闭环甚至开环控制,液压缸由于位置控制的检测变量和控制变量不一致, 必须使用带反馈的闭环控制,而反馈控制必然产生控制效果滞后。

　　机床设备运动系统是一个复杂的动力学系统,一般忽略系统中固有的不确定性, 而将各轴位置环从理论上简化为一阶无静差系统。在精度要求不高的液压缸位置控制系统中,简单的比例控制或常规PID控制即可满足要求, 选用较好的比例伺服阀可以取得更为满意的效果。PID控制方法容易实现, 稳定性好,但不可避免地会带来跟随误差。跟随误差的大小与系统的增益成反比,与进给速度成正比。在多轴联动系统或一些精度要求高的位置控制系统中,由于各轴参数不同,动态特性相异,会产生大小不同的跟随误差,使加工误差进一步增加,仅使用常规PID控制算法,系统的快速性和准确性无法保证,很难达到控制精度要求。在这种情况下,为了实现比较精确的轨迹控制, 必须使用插补算法。

　　标准数控设备的位置控制系统一般采用步进电机、直流或交流电机作为驱动装置。数控机床从50年代发展至今, 插补算法已经比较成熟,从简单的直线和圆弧插补到复杂的高次曲线,以及参数NURBS曲线等, 国内外都有较多学者进行了研究,并形成了一些实用的控制算法。Syh~Shiuh Yeh等提出了一种参数曲线的进给速度自适应插补算法^[2],能很好地控制弦向误差;R.V.Fleisig, Matthias Müller等提出了精确的多轴加速插补算法^[3],也取得了很好的效果。华中科技大学的周济等应用多种方法进行了多种曲线的插补研究^[4],取得了突出的成果。

　　但迄今为止,对于使用液压缸作为执行装置的数控装备来说,在多轴联动和随动控制系统的使用和研究中鲜有相关的插补算法论述。本课题采用设置主、从变量,并针对主变量预估的方法研究了多轴液压联动轨迹控制时滞后大、速度不平稳等问题,提出了多轴液压联动运动轨迹的实时插补控制算法,此方法已在转台式数控拉弯机上实现,取得很好的效果。