« Méthodes d'élimination des oscillations des machines-outils CNC »
Les machines-outils CNC jouent un rôle important dans la production industrielle moderne. Cependant, le problème d'oscillation est souvent un fléau pour les opérateurs et les fabricants. Les causes de ce problème sont relativement complexes. Outre de nombreux facteurs tels que les jeux de transmission inamovibles, la déformation élastique et la résistance au frottement, l'influence des paramètres pertinents du système d'asservissement est également un facteur important. Le fabricant de machines-outils CNC présentera en détail les méthodes permettant d'éliminer ce problème.
I. Réduction du gain de la boucle de position
Le contrôleur proportionnel-intégral-dérivé est un contrôleur multifonctionnel qui joue un rôle crucial dans les machines-outils à commande numérique. Il permet non seulement d'appliquer un gain proportionnel efficace aux signaux de courant et de tension, mais aussi de corriger les problèmes d'avance ou de retard du signal de sortie. Des défauts d'oscillation peuvent survenir en raison de l'avance ou du retard du courant et de la tension de sortie. Dans ce cas, le PID peut être utilisé pour ajuster la phase du courant et de la tension de sortie.
Le gain de la boucle de position est un paramètre clé du système de contrôle des machines-outils à commande numérique. Un gain trop élevé rend le système trop sensible aux erreurs de position et peut provoquer des oscillations. Réduire ce gain peut réduire la vitesse de réponse du système et ainsi limiter les risques d'oscillations.
Lors du réglage du gain de la boucle de position, celui-ci doit être adapté au modèle de machine-outil et aux exigences d'usinage. En règle générale, le gain de la boucle de position peut être d'abord réduit à un niveau relativement bas, puis augmenté progressivement en observant le fonctionnement de la machine-outil jusqu'à obtenir une valeur optimale répondant aux exigences de précision d'usinage et évitant les oscillations.
Le contrôleur proportionnel-intégral-dérivé est un contrôleur multifonctionnel qui joue un rôle crucial dans les machines-outils à commande numérique. Il permet non seulement d'appliquer un gain proportionnel efficace aux signaux de courant et de tension, mais aussi de corriger les problèmes d'avance ou de retard du signal de sortie. Des défauts d'oscillation peuvent survenir en raison de l'avance ou du retard du courant et de la tension de sortie. Dans ce cas, le PID peut être utilisé pour ajuster la phase du courant et de la tension de sortie.
Le gain de la boucle de position est un paramètre clé du système de contrôle des machines-outils à commande numérique. Un gain trop élevé rend le système trop sensible aux erreurs de position et peut provoquer des oscillations. Réduire ce gain peut réduire la vitesse de réponse du système et ainsi limiter les risques d'oscillations.
Lors du réglage du gain de la boucle de position, celui-ci doit être adapté au modèle de machine-outil et aux exigences d'usinage. En règle générale, le gain de la boucle de position peut être d'abord réduit à un niveau relativement bas, puis augmenté progressivement en observant le fonctionnement de la machine-outil jusqu'à obtenir une valeur optimale répondant aux exigences de précision d'usinage et évitant les oscillations.
II. Réglage des paramètres du système d'asservissement en boucle fermée
Système d'asservissement en boucle semi-fermée
Certains systèmes d'asservissement CNC utilisent des dispositifs en boucle semi-fermée. Lors du réglage du système d'asservissement en boucle semi-fermée, il est nécessaire de s'assurer que le système local en boucle semi-fermée n'oscille pas. Comme le système d'asservissement en boucle entièrement fermée effectue le réglage des paramètres en partant du principe que son système local en boucle semi-fermée est stable, les deux systèmes présentent des méthodes de réglage similaires.
Le système d'asservissement en boucle semi-fermée renvoie indirectement les informations de position de la machine-outil en détectant l'angle de rotation ou la vitesse du moteur. Lors du réglage des paramètres, il convient de prêter attention aux points suivants :
(1) Paramètres de la boucle de vitesse : Les réglages du gain de la boucle de vitesse et de la constante de temps intégrale ont une grande influence sur la stabilité et la vitesse de réponse du système. Un gain de boucle de vitesse trop élevé entraînera une réponse trop rapide du système et sera susceptible de générer des oscillations ; une constante de temps intégrale trop longue ralentira la réponse du système et affectera l'efficacité du traitement.
(2) Paramètres de la boucle de position : Le réglage du gain de la boucle de position et des paramètres du filtre peut améliorer la précision de la position et la stabilité du système. Un gain de boucle de position trop élevé provoquera des oscillations, et le filtre peut filtrer le bruit haute fréquence du signal de rétroaction et améliorer la stabilité du système.
Système d'asservissement en boucle fermée complète
Le système d'asservissement en boucle fermée assure un contrôle précis de la position en détectant directement la position réelle de la machine-outil. Lors du réglage du système d'asservissement en boucle fermée, des paramètres doivent être sélectionnés avec plus de précision afin de garantir la stabilité et la précision du système.
Le réglage des paramètres du système d'asservissement en boucle fermée complète comprend principalement les aspects suivants :
(1) Gain de la boucle de position : Comme pour un système en boucle semi-fermée, un gain de boucle de position trop élevé entraînera des oscillations. Cependant, comme le système en boucle fermée détecte les erreurs de position avec plus de précision, le gain de la boucle de position peut être réglé à un niveau relativement élevé pour améliorer la précision de positionnement du système.
(2) Paramètres de la boucle de vitesse : Les réglages du gain de la boucle de vitesse et de la constante de temps intégrale doivent être ajustés en fonction des caractéristiques dynamiques et des exigences de traitement de la machine-outil. En règle générale, le gain de la boucle de vitesse peut être légèrement supérieur à celui du système en boucle semi-fermée afin d'améliorer la réactivité du système.
(3) Paramètres du filtre : Le système en boucle fermée est plus sensible au bruit du signal de rétroaction ; il est donc nécessaire de définir des paramètres de filtre appropriés pour éliminer le bruit. Le type et les paramètres du filtre doivent être adaptés au scénario d'application spécifique.
Système d'asservissement en boucle semi-fermée
Certains systèmes d'asservissement CNC utilisent des dispositifs en boucle semi-fermée. Lors du réglage du système d'asservissement en boucle semi-fermée, il est nécessaire de s'assurer que le système local en boucle semi-fermée n'oscille pas. Comme le système d'asservissement en boucle entièrement fermée effectue le réglage des paramètres en partant du principe que son système local en boucle semi-fermée est stable, les deux systèmes présentent des méthodes de réglage similaires.
Le système d'asservissement en boucle semi-fermée renvoie indirectement les informations de position de la machine-outil en détectant l'angle de rotation ou la vitesse du moteur. Lors du réglage des paramètres, il convient de prêter attention aux points suivants :
(1) Paramètres de la boucle de vitesse : Les réglages du gain de la boucle de vitesse et de la constante de temps intégrale ont une grande influence sur la stabilité et la vitesse de réponse du système. Un gain de boucle de vitesse trop élevé entraînera une réponse trop rapide du système et sera susceptible de générer des oscillations ; une constante de temps intégrale trop longue ralentira la réponse du système et affectera l'efficacité du traitement.
(2) Paramètres de la boucle de position : Le réglage du gain de la boucle de position et des paramètres du filtre peut améliorer la précision de la position et la stabilité du système. Un gain de boucle de position trop élevé provoquera des oscillations, et le filtre peut filtrer le bruit haute fréquence du signal de rétroaction et améliorer la stabilité du système.
Système d'asservissement en boucle fermée complète
Le système d'asservissement en boucle fermée assure un contrôle précis de la position en détectant directement la position réelle de la machine-outil. Lors du réglage du système d'asservissement en boucle fermée, des paramètres doivent être sélectionnés avec plus de précision afin de garantir la stabilité et la précision du système.
Le réglage des paramètres du système d'asservissement en boucle fermée complète comprend principalement les aspects suivants :
(1) Gain de la boucle de position : Comme pour un système en boucle semi-fermée, un gain de boucle de position trop élevé entraînera des oscillations. Cependant, comme le système en boucle fermée détecte les erreurs de position avec plus de précision, le gain de la boucle de position peut être réglé à un niveau relativement élevé pour améliorer la précision de positionnement du système.
(2) Paramètres de la boucle de vitesse : Les réglages du gain de la boucle de vitesse et de la constante de temps intégrale doivent être ajustés en fonction des caractéristiques dynamiques et des exigences de traitement de la machine-outil. En règle générale, le gain de la boucle de vitesse peut être légèrement supérieur à celui du système en boucle semi-fermée afin d'améliorer la réactivité du système.
(3) Paramètres du filtre : Le système en boucle fermée est plus sensible au bruit du signal de rétroaction ; il est donc nécessaire de définir des paramètres de filtre appropriés pour éliminer le bruit. Le type et les paramètres du filtre doivent être adaptés au scénario d'application spécifique.
III. Adoption d'une fonction de suppression haute fréquence
La discussion ci-dessus porte sur la méthode d'optimisation des paramètres pour les oscillations basse fréquence. Parfois, le système CNC des machines-outils génère des signaux de rétroaction contenant des harmoniques haute fréquence en raison de certaines oscillations dans la pièce mécanique, ce qui rend le couple de sortie instable et génère des vibrations. Pour ce type d'oscillations haute fréquence, un filtre passe-bas de premier ordre peut être ajouté à la boucle de vitesse : le filtre de couple.
Le filtre de couple filtre efficacement les harmoniques haute fréquence du signal de rétroaction, ce qui stabilise le couple de sortie et réduit les vibrations. Lors du choix des paramètres du filtre de couple, les facteurs suivants doivent être pris en compte :
(1) Fréquence de coupure : La fréquence de coupure détermine le degré d'atténuation du filtre pour les signaux haute fréquence. Une fréquence de coupure trop basse affectera la vitesse de réponse du système, tandis qu'une fréquence de coupure trop élevée ne permettra pas de filtrer efficacement les harmoniques haute fréquence.
(2) Type de filtre : les types de filtres courants incluent le filtre Butterworth, le filtre Chebyshev, etc. Différents types de filtres ont des caractéristiques de réponse en fréquence différentes et doivent être sélectionnés en fonction du scénario d'application spécifique.
(3) Ordre de filtrage : Plus l'ordre de filtrage est élevé, plus l'atténuation des signaux haute fréquence est importante, mais la charge de calcul du système augmente. Lors du choix de l'ordre de filtrage, les performances et les ressources de calcul du système doivent être prises en compte de manière exhaustive.
La discussion ci-dessus porte sur la méthode d'optimisation des paramètres pour les oscillations basse fréquence. Parfois, le système CNC des machines-outils génère des signaux de rétroaction contenant des harmoniques haute fréquence en raison de certaines oscillations dans la pièce mécanique, ce qui rend le couple de sortie instable et génère des vibrations. Pour ce type d'oscillations haute fréquence, un filtre passe-bas de premier ordre peut être ajouté à la boucle de vitesse : le filtre de couple.
Le filtre de couple filtre efficacement les harmoniques haute fréquence du signal de rétroaction, ce qui stabilise le couple de sortie et réduit les vibrations. Lors du choix des paramètres du filtre de couple, les facteurs suivants doivent être pris en compte :
(1) Fréquence de coupure : La fréquence de coupure détermine le degré d'atténuation du filtre pour les signaux haute fréquence. Une fréquence de coupure trop basse affectera la vitesse de réponse du système, tandis qu'une fréquence de coupure trop élevée ne permettra pas de filtrer efficacement les harmoniques haute fréquence.
(2) Type de filtre : les types de filtres courants incluent le filtre Butterworth, le filtre Chebyshev, etc. Différents types de filtres ont des caractéristiques de réponse en fréquence différentes et doivent être sélectionnés en fonction du scénario d'application spécifique.
(3) Ordre de filtrage : Plus l'ordre de filtrage est élevé, plus l'atténuation des signaux haute fréquence est importante, mais la charge de calcul du système augmente. Lors du choix de l'ordre de filtrage, les performances et les ressources de calcul du système doivent être prises en compte de manière exhaustive.
De plus, afin d'éliminer davantage l'oscillation des machines-outils CNC, les mesures suivantes peuvent également être prises :
Optimiser la structure mécanique
Vérifiez les pièces mécaniques de la machine-outil, telles que les rails de guidage, les vis-mères, les roulements, etc., afin de vous assurer que leur montage et leur jeu d'ajustement sont conformes aux exigences. Remplacez ou réparez rapidement les pièces très usées. Parallèlement, ajustez judicieusement le contrepoids et l'équilibrage de la machine-outil afin de réduire les vibrations mécaniques.
Améliorer la capacité anti-interférence du système de contrôle
Le système de contrôle des machines-outils CNC est facilement affecté par les interférences externes, telles que les interférences électromagnétiques, les fluctuations de puissance, etc. Afin d'améliorer la capacité anti-interférence du système de contrôle, les mesures suivantes peuvent être prises :
(1) Adopter des câbles blindés et des mesures de mise à la terre pour réduire l’influence des interférences électromagnétiques.
(2) Installez des filtres d’alimentation pour stabiliser la tension d’alimentation.
(3) Optimiser l'algorithme logiciel du système de contrôle pour améliorer les performances anti-interférences du système.
Entretien et maintenance réguliers
Effectuez régulièrement l'entretien et la maintenance des machines-outils CNC, nettoyez les différentes pièces, vérifiez l'état de fonctionnement des systèmes de lubrification et de refroidissement, et remplacez régulièrement les pièces usées et l'huile de lubrification. Cela permet de garantir la stabilité des performances de la machine-outil et de réduire les oscillations.
Optimiser la structure mécanique
Vérifiez les pièces mécaniques de la machine-outil, telles que les rails de guidage, les vis-mères, les roulements, etc., afin de vous assurer que leur montage et leur jeu d'ajustement sont conformes aux exigences. Remplacez ou réparez rapidement les pièces très usées. Parallèlement, ajustez judicieusement le contrepoids et l'équilibrage de la machine-outil afin de réduire les vibrations mécaniques.
Améliorer la capacité anti-interférence du système de contrôle
Le système de contrôle des machines-outils CNC est facilement affecté par les interférences externes, telles que les interférences électromagnétiques, les fluctuations de puissance, etc. Afin d'améliorer la capacité anti-interférence du système de contrôle, les mesures suivantes peuvent être prises :
(1) Adopter des câbles blindés et des mesures de mise à la terre pour réduire l’influence des interférences électromagnétiques.
(2) Installez des filtres d’alimentation pour stabiliser la tension d’alimentation.
(3) Optimiser l'algorithme logiciel du système de contrôle pour améliorer les performances anti-interférences du système.
Entretien et maintenance réguliers
Effectuez régulièrement l'entretien et la maintenance des machines-outils CNC, nettoyez les différentes pièces, vérifiez l'état de fonctionnement des systèmes de lubrification et de refroidissement, et remplacez régulièrement les pièces usées et l'huile de lubrification. Cela permet de garantir la stabilité des performances de la machine-outil et de réduire les oscillations.
En conclusion, l'élimination des oscillations des machines-outils CNC nécessite une prise en compte complète des facteurs mécaniques et électriques. En ajustant judicieusement les paramètres du système d'asservissement, en adoptant une fonction de suppression haute fréquence, en optimisant la structure mécanique, en améliorant la capacité anti-interférence du système de commande et en effectuant un entretien régulier, on peut réduire efficacement les oscillations et améliorer la précision et la stabilité de l'usinage de la machine-outil.