"طرق إزالة التذبذب في أدوات الآلات ذات التحكم الرقمي"
تلعب ماكينات CNC دورًا هامًا في الإنتاج الصناعي الحديث. ومع ذلك، غالبًا ما تُشكّل مشكلة التذبذب عائقًا أمام المُشغّلين والمُصنّعين. أسباب تذبذب ماكينات CNC مُعقّدة نسبيًا. فبالإضافة إلى عوامل عديدة، مثل فجوات النقل غير القابلة للإزالة، والتشوّه المرن، ومقاومة الاحتكاك في الجانب الميكانيكي، يُعدّ تأثير مُعاملات نظام المؤازرة (السيرفو) ذات الصلة عاملًا مهمًا أيضًا. سيُقدّم مُصنّع ماكينات CNC الآن بالتفصيل طرقًا للتخلص من تذبذب ماكينات CNC.
أولا: تقليل مكسب حلقة الموضع
وحدة التحكم التناسبية التكاملية التفاضلية هي وحدة تحكم متعددة الوظائف، تلعب دورًا محوريًا في ماكينات التحكم الرقمي بالكمبيوتر (CNC). فهي لا تُحقق كسبًا تناسبيًا فعالًا لإشارات التيار والجهد فحسب، بل تُضبط أيضًا مشكلة التأخر أو التقدم في إشارة الخرج. قد تحدث أعطال تذبذبية بسبب التأخر أو التقدم في تيار وجهد الخرج. في هذه الحالة، يُمكن استخدام مُعرِّف التفاضل والتكامل التفاضلي (PID) لضبط طور تيار وجهد الخرج.
يُعدّ كسب حلقة الموضع معيارًا أساسيًا في نظام التحكم في أدوات ماكينات CNC. عندما يكون كسب حلقة الموضع مرتفعًا جدًا، يُصبح النظام حساسًا جدًا لأخطاء الموضع، مما يجعله عرضة للتذبذب. قد يُؤدي تقليل كسب حلقة الموضع إلى تقليل سرعة استجابة النظام، وبالتالي تقليل احتمالية التذبذب.
عند ضبط كسب حلقة الموضع، يجب ضبطه بشكل معقول وفقًا لطراز أداة الماكينة ومتطلبات المعالجة الخاصة بها. بشكل عام، يمكن خفض كسب حلقة الموضع إلى مستوى منخفض نسبيًا في البداية، ثم زيادته تدريجيًا مع مراقبة تشغيل أداة الماكينة حتى الوصول إلى القيمة المثلى التي تلبي متطلبات دقة المعالجة وتمنع التذبذب.
وحدة التحكم التناسبية التكاملية التفاضلية هي وحدة تحكم متعددة الوظائف، تلعب دورًا محوريًا في ماكينات التحكم الرقمي بالكمبيوتر (CNC). فهي لا تُحقق كسبًا تناسبيًا فعالًا لإشارات التيار والجهد فحسب، بل تُضبط أيضًا مشكلة التأخر أو التقدم في إشارة الخرج. قد تحدث أعطال تذبذبية بسبب التأخر أو التقدم في تيار وجهد الخرج. في هذه الحالة، يُمكن استخدام مُعرِّف التفاضل والتكامل التفاضلي (PID) لضبط طور تيار وجهد الخرج.
يُعدّ كسب حلقة الموضع معيارًا أساسيًا في نظام التحكم في أدوات ماكينات CNC. عندما يكون كسب حلقة الموضع مرتفعًا جدًا، يُصبح النظام حساسًا جدًا لأخطاء الموضع، مما يجعله عرضة للتذبذب. قد يُؤدي تقليل كسب حلقة الموضع إلى تقليل سرعة استجابة النظام، وبالتالي تقليل احتمالية التذبذب.
عند ضبط كسب حلقة الموضع، يجب ضبطه بشكل معقول وفقًا لطراز أداة الماكينة ومتطلبات المعالجة الخاصة بها. بشكل عام، يمكن خفض كسب حلقة الموضع إلى مستوى منخفض نسبيًا في البداية، ثم زيادته تدريجيًا مع مراقبة تشغيل أداة الماكينة حتى الوصول إلى القيمة المثلى التي تلبي متطلبات دقة المعالجة وتمنع التذبذب.
II. ضبط معلمات نظام سيرفو الحلقة المغلقة
نظام سيرفو شبه مغلق الحلقة
تستخدم بعض أنظمة سيرفو CNC أجهزة شبه مغلقة الحلقة. عند ضبط نظام سيرفو شبه مغلق الحلقة، من الضروري التأكد من عدم تذبذبه. بما أن نظام سيرفو الحلقة المغلقة بالكامل يُجري ضبطًا للمعلمات على أساس استقرار نظامه شبه المغلق المحلي، فإن كلا النظامين متشابهان في طرق الضبط.
يُرسل نظام المؤازرة شبه المغلق معلومات موضع أداة الماكينة بشكل غير مباشر من خلال رصد زاوية دوران المحرك أو سرعته. عند ضبط المعلمات، يجب مراعاة الجوانب التالية:
(1) معلمات حلقة السرعة: تؤثر إعدادات كسب حلقة السرعة وثابت الزمن التكاملي بشكل كبير على استقرار النظام وسرعة استجابته. سيؤدي كسب حلقة السرعة العالي جدًا إلى استجابة سريعة جدًا للنظام وعرضة للتذبذب؛ بينما سيؤدي طول ثابت الزمن التكاملي إلى إبطاء استجابة النظام وتأثيره على كفاءة المعالجة.
(2) معلمات حلقة الموضع: يمكن أن يؤدي تعديل كسب حلقة الموضع ومعلمات الفلتر إلى تحسين دقة الموضع واستقرار النظام. سيؤدي ارتفاع كسب حلقة الموضع بشكل مفرط إلى حدوث تذبذبات، ويمكن للفلتر تصفية الضوضاء عالية التردد في إشارة التغذية الراجعة، مما يُحسّن استقرار النظام.
نظام سيرفو حلقة مغلقة بالكامل
يحقق نظام سيرفو الحلقة المغلقة بالكامل تحكمًا دقيقًا في الموضع من خلال الكشف المباشر عن الموضع الفعلي لأداة الماكينة. عند ضبط نظام سيرفو الحلقة المغلقة بالكامل، يجب اختيار المعلمات بدقة أكبر لضمان استقرار النظام ودقته.
يتضمن تعديل معلمات نظام المؤازرة ذو الحلقة المغلقة بالكامل الجوانب التالية بشكل أساسي:
(١) كسب حلقة الموضع: كما هو الحال في نظام الحلقة شبه المغلقة، فإنّ كسب حلقة الموضع المرتفع جدًا سيؤدي إلى تذبذب. ومع ذلك، نظرًا لأن نظام الحلقة المغلقة بالكامل يكتشف أخطاء الموضع بدقة أكبر، يُمكن ضبط كسب حلقة الموضع على مستوى مرتفع نسبيًا لتحسين دقة الموضع في النظام.
(2) معلمات حلقة السرعة: يجب تعديل إعدادات كسب حلقة السرعة والثابت الزمني التكاملي وفقًا للخصائص الديناميكية ومتطلبات معالجة أداة الماكينة. بشكل عام، يمكن ضبط كسب حلقة السرعة على قيمة أعلى قليلاً من نظام الحلقة شبه المغلقة لتحسين سرعة استجابة النظام.
(3) معلمات المرشح: نظام الحلقة المغلقة بالكامل أكثر حساسية للضوضاء في إشارة التغذية الراجعة، لذا يجب ضبط معلمات المرشح المناسبة لتصفية الضوضاء. يجب تعديل نوع المرشح ومعلماته وفقًا لظروف الاستخدام المحددة.
نظام سيرفو شبه مغلق الحلقة
تستخدم بعض أنظمة سيرفو CNC أجهزة شبه مغلقة الحلقة. عند ضبط نظام سيرفو شبه مغلق الحلقة، من الضروري التأكد من عدم تذبذبه. بما أن نظام سيرفو الحلقة المغلقة بالكامل يُجري ضبطًا للمعلمات على أساس استقرار نظامه شبه المغلق المحلي، فإن كلا النظامين متشابهان في طرق الضبط.
يُرسل نظام المؤازرة شبه المغلق معلومات موضع أداة الماكينة بشكل غير مباشر من خلال رصد زاوية دوران المحرك أو سرعته. عند ضبط المعلمات، يجب مراعاة الجوانب التالية:
(1) معلمات حلقة السرعة: تؤثر إعدادات كسب حلقة السرعة وثابت الزمن التكاملي بشكل كبير على استقرار النظام وسرعة استجابته. سيؤدي كسب حلقة السرعة العالي جدًا إلى استجابة سريعة جدًا للنظام وعرضة للتذبذب؛ بينما سيؤدي طول ثابت الزمن التكاملي إلى إبطاء استجابة النظام وتأثيره على كفاءة المعالجة.
(2) معلمات حلقة الموضع: يمكن أن يؤدي تعديل كسب حلقة الموضع ومعلمات الفلتر إلى تحسين دقة الموضع واستقرار النظام. سيؤدي ارتفاع كسب حلقة الموضع بشكل مفرط إلى حدوث تذبذبات، ويمكن للفلتر تصفية الضوضاء عالية التردد في إشارة التغذية الراجعة، مما يُحسّن استقرار النظام.
نظام سيرفو حلقة مغلقة بالكامل
يحقق نظام سيرفو الحلقة المغلقة بالكامل تحكمًا دقيقًا في الموضع من خلال الكشف المباشر عن الموضع الفعلي لأداة الماكينة. عند ضبط نظام سيرفو الحلقة المغلقة بالكامل، يجب اختيار المعلمات بدقة أكبر لضمان استقرار النظام ودقته.
يتضمن تعديل معلمات نظام المؤازرة ذو الحلقة المغلقة بالكامل الجوانب التالية بشكل أساسي:
(١) كسب حلقة الموضع: كما هو الحال في نظام الحلقة شبه المغلقة، فإنّ كسب حلقة الموضع المرتفع جدًا سيؤدي إلى تذبذب. ومع ذلك، نظرًا لأن نظام الحلقة المغلقة بالكامل يكتشف أخطاء الموضع بدقة أكبر، يُمكن ضبط كسب حلقة الموضع على مستوى مرتفع نسبيًا لتحسين دقة الموضع في النظام.
(2) معلمات حلقة السرعة: يجب تعديل إعدادات كسب حلقة السرعة والثابت الزمني التكاملي وفقًا للخصائص الديناميكية ومتطلبات معالجة أداة الماكينة. بشكل عام، يمكن ضبط كسب حلقة السرعة على قيمة أعلى قليلاً من نظام الحلقة شبه المغلقة لتحسين سرعة استجابة النظام.
(3) معلمات المرشح: نظام الحلقة المغلقة بالكامل أكثر حساسية للضوضاء في إشارة التغذية الراجعة، لذا يجب ضبط معلمات المرشح المناسبة لتصفية الضوضاء. يجب تعديل نوع المرشح ومعلماته وفقًا لظروف الاستخدام المحددة.
ثالثًا: اعتماد وظيفة كبت الترددات العالية
يتناول النقاش أعلاه طريقة تحسين معاملات التذبذب منخفض التردد. في بعض الأحيان، يُولّد نظام CNC لأدوات الآلات إشارات تغذية راجعة تحتوي على توافقيات عالية التردد بسبب أسباب تذبذب معينة في الجزء الميكانيكي، مما يجعل عزم الدوران الناتج غير ثابت، وبالتالي يُولّد اهتزازًا. في حالة التذبذب عالي التردد هذا، يُمكن إضافة وصلة ترشيح ترددات منخفضة من الدرجة الأولى إلى حلقة السرعة، وهي مُرشِّح عزم الدوران.
يستطيع مرشح عزم الدوران تصفية التوافقيات عالية التردد في إشارة التغذية الراجعة بفعالية، مما يزيد من استقرار عزم الدوران الناتج ويقلل الاهتزاز. عند اختيار معلمات مرشح عزم الدوران، يجب مراعاة العوامل التالية:
(١) تردد القطع: يُحدد تردد القطع درجة توهين المُرشِّح لإشارات التردد العالي. يؤثر انخفاض تردد القطع بشكل كبير على سرعة استجابة النظام، بينما يُعيق ارتفاعه ترشيح التوافقيات عالية التردد بفعالية.
(2) نوع المرشح: تشمل أنواع المرشحات الشائعة مرشح Butterworth ومرشح Chebyshev وما إلى ذلك. تتمتع الأنواع المختلفة من المرشحات بخصائص استجابة تردد مختلفة ويجب تحديدها وفقًا لسيناريو التطبيق المحدد.
(٣) ترتيب المرشحات: كلما ارتفع ترتيب المرشحات، كان تأثير التوهين على الإشارات عالية التردد أفضل، ولكنه في الوقت نفسه يزيد من العبء الحسابي على النظام. عند اختيار ترتيب المرشحات، يجب مراعاة أداء النظام وموارده الحسابية بشكل شامل.
يتناول النقاش أعلاه طريقة تحسين معاملات التذبذب منخفض التردد. في بعض الأحيان، يُولّد نظام CNC لأدوات الآلات إشارات تغذية راجعة تحتوي على توافقيات عالية التردد بسبب أسباب تذبذب معينة في الجزء الميكانيكي، مما يجعل عزم الدوران الناتج غير ثابت، وبالتالي يُولّد اهتزازًا. في حالة التذبذب عالي التردد هذا، يُمكن إضافة وصلة ترشيح ترددات منخفضة من الدرجة الأولى إلى حلقة السرعة، وهي مُرشِّح عزم الدوران.
يستطيع مرشح عزم الدوران تصفية التوافقيات عالية التردد في إشارة التغذية الراجعة بفعالية، مما يزيد من استقرار عزم الدوران الناتج ويقلل الاهتزاز. عند اختيار معلمات مرشح عزم الدوران، يجب مراعاة العوامل التالية:
(١) تردد القطع: يُحدد تردد القطع درجة توهين المُرشِّح لإشارات التردد العالي. يؤثر انخفاض تردد القطع بشكل كبير على سرعة استجابة النظام، بينما يُعيق ارتفاعه ترشيح التوافقيات عالية التردد بفعالية.
(2) نوع المرشح: تشمل أنواع المرشحات الشائعة مرشح Butterworth ومرشح Chebyshev وما إلى ذلك. تتمتع الأنواع المختلفة من المرشحات بخصائص استجابة تردد مختلفة ويجب تحديدها وفقًا لسيناريو التطبيق المحدد.
(٣) ترتيب المرشحات: كلما ارتفع ترتيب المرشحات، كان تأثير التوهين على الإشارات عالية التردد أفضل، ولكنه في الوقت نفسه يزيد من العبء الحسابي على النظام. عند اختيار ترتيب المرشحات، يجب مراعاة أداء النظام وموارده الحسابية بشكل شامل.
بالإضافة إلى ذلك، من أجل القضاء بشكل أكبر على تذبذب أدوات الآلات CNC، يمكن أيضًا اتخاذ التدابير التالية:
تحسين الهيكل الميكانيكي
افحص الأجزاء الميكانيكية لأداة الماكينة، مثل قضبان التوجيه، ومسامير التوصيل، والمحامل، وغيرها، للتأكد من دقة تركيبها وخلوصها المناسبين. في حال وجود أي تآكل شديد، استبدلها أو أصلحها في الوقت المناسب. في الوقت نفسه، اضبط ثقل الموازنة وتوازن أداة الماكينة بشكل معقول لتقليل الاهتزازات الميكانيكية.
تحسين قدرة نظام التحكم على مكافحة التداخل
يتأثر نظام التحكم في أدوات آلة CNC بسهولة بالتداخل الخارجي، مثل التداخل الكهرومغناطيسي وتقلبات الطاقة وما إلى ذلك. من أجل تحسين قدرة نظام التحكم على مكافحة التداخل، يمكن اتخاذ التدابير التالية:
(1) اعتماد الكابلات المحمية وتدابير التأريض للحد من تأثير التداخل الكهرومغناطيسي.
(2) قم بتثبيت مرشحات الطاقة لتثبيت جهد مصدر الطاقة.
(3) تحسين خوارزمية البرمجيات لنظام التحكم لتحسين أداء النظام المضاد للتداخل.
الصيانة الدورية والصيانة
يجب إجراء الصيانة الدورية لآلات CNC، وتنظيف مختلف أجزائها، والتحقق من حالة نظام التزييت ونظام التبريد، واستبدال الأجزاء التالفة وزيت التشحيم في الوقت المناسب. هذا يضمن استقرار أداء الآلة ويقلل من حدوث التذبذب.
تحسين الهيكل الميكانيكي
افحص الأجزاء الميكانيكية لأداة الماكينة، مثل قضبان التوجيه، ومسامير التوصيل، والمحامل، وغيرها، للتأكد من دقة تركيبها وخلوصها المناسبين. في حال وجود أي تآكل شديد، استبدلها أو أصلحها في الوقت المناسب. في الوقت نفسه، اضبط ثقل الموازنة وتوازن أداة الماكينة بشكل معقول لتقليل الاهتزازات الميكانيكية.
تحسين قدرة نظام التحكم على مكافحة التداخل
يتأثر نظام التحكم في أدوات آلة CNC بسهولة بالتداخل الخارجي، مثل التداخل الكهرومغناطيسي وتقلبات الطاقة وما إلى ذلك. من أجل تحسين قدرة نظام التحكم على مكافحة التداخل، يمكن اتخاذ التدابير التالية:
(1) اعتماد الكابلات المحمية وتدابير التأريض للحد من تأثير التداخل الكهرومغناطيسي.
(2) قم بتثبيت مرشحات الطاقة لتثبيت جهد مصدر الطاقة.
(3) تحسين خوارزمية البرمجيات لنظام التحكم لتحسين أداء النظام المضاد للتداخل.
الصيانة الدورية والصيانة
يجب إجراء الصيانة الدورية لآلات CNC، وتنظيف مختلف أجزائها، والتحقق من حالة نظام التزييت ونظام التبريد، واستبدال الأجزاء التالفة وزيت التشحيم في الوقت المناسب. هذا يضمن استقرار أداء الآلة ويقلل من حدوث التذبذب.
في الختام، يتطلب التخلص من تذبذب أدوات ماكينات التحكم الرقمي (CNC) دراسة شاملة للعوامل الميكانيكية والكهربائية. من خلال تعديل معلمات نظام المؤازرة بشكل معقول، واعتماد وظيفة كبت التردد العالي، وتحسين الهيكل الميكانيكي، وتحسين قدرة نظام التحكم على مقاومة التداخل، وإجراء الصيانة الدورية، يمكن تقليل حدوث التذبذب بشكل فعال، وتحسين دقة التشغيل واستقرار أدوات الماكينات.