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數控機床高精度軌跡控製技術探討
瀏覽:925 時間:2015-12-14
  數控機床是實現先進製造技術的重要基礎裝備,它關係到國家發展的戰略地位。因此,立足國內實際,加速發展具有較強競爭能力的國產高精度數控機床,不斷擴大市場占有率,逐步收複失地,便成為我國數控機床研究開發部門和生產廠家所麵臨的重要任務。為完成這一任務,必須攻克若幹關鍵技術,但其中最關鍵的一項是數控機床的高精度軌跡控製技術。因此,AG亚游官网近年來結合生產實際,從高速高精度插補、高速高精度 伺服控製和信息化軌跡校正等諸方麵,對高速高精度軌跡控製技術進行了係統研究,並以此為基礎加強了新型數控係統和高精度數控機床的開發。

JASU H-630T 臥式加工中心機床


  隨著科學技術的進步和社會經濟的發展,對機床加工精度的要求越來越高。如果完全靠提高零部件製造精度和機床裝配精度的傳統方法來設計製造高精度數控機床, 勢必大幅度提高機床的成本,在有些情況下甚至不可能。麵對這一現實,AG亚游官网對以低成本實現高精度的途徑進行了探索,提出一種通過信息、控製與機床結構相結合 實現數控機床高精度軌跡控製的方法,其核心思想是:

  ①采用具有高分辨率和高采樣頻率的新型插補技術,在保證速度的前提下大幅度提高軌跡生成精度;
  ②通過新型雙位置閉環控製,有效保證希望軌跡的高精度實現。

  ③以信息化軌跡校正消除機械誤差和幹擾對軌跡精度的影響,從而保證所控製的機床可在生產環境中長期高精度運行。


  高精度軌跡生成是實現高精度軌跡控製的基礎。為既保證高的進給速度,又達到高的軌跡精度,一種有效的辦法就是提高采樣插補頻率。考慮到在現代數控機床上將 經常碰到高速高精度小曲率半徑加工問題。通過高速高精度插補獲得精確的刀具希望軌跡後,下一步的任務便是如何保證刀具實際運動軌跡與插補產生的希望軌跡一 致。為此需首先解決各運動坐標的高精度位置控製問題。


  常規全閉環機床位置控製係統的動態結構,其設計思想是在速度環的基礎上加上位置外環來構成全閉環位置控製係統。根據電力拖動係統的工程設計方 法,設計此類係統時,位置控製器應選用PI或PID調節器,以使係統獲得較快的跟隨性能。然而,因這類係統為高階Ⅱ型係統,其開環頻率特性將與非線性環節 的負倒幅曲線相交,從而使係統出現非線性自持振蕩而無法正常工作。這就使得這類係統難以在實際中廣泛應用。


  為了克服常規全閉環位置控製係統存在的缺陷,必須打破以速度內環為基礎構造全閉環位置控製係統的傳統理論的束縛,尋求新的在保證可靠穩定性的基礎上獲得高 精度的途徑。經過多年探索,AG亚游官网研究出一種新的轉角-線位移雙閉環位置控製方法,由其構成的位置控製係統的動態結構。該係統的特點是:整個係統由內外兩個 位置環組成。其中內部閉環為轉角位置閉環,其檢測元件為裝於電機軸上的光電編碼盤,驅動裝置為交流伺服係統,由此構成一輸入為θi輸出為θo的轉角隨動係 統。外部位置閉環采用光柵、感應同步器等線位移檢測元件直接獲取機床工作台的位移信息,並以內環的轉角隨動係統為驅動裝置驅動工作台運動。工作台的位移精 度由線位移檢測元件決定。


  在雙位置閉環控製下,機床坐標運動的精度主要取決於檢測裝置獲取信息的準確程度。因此,進一步通過信息補償有效提高檢測裝置的精度並使其不受外 部環境的影響,將為進一步提高坐標運動精度提供一條新的途徑。為此采取以下措施:對檢測裝置的誤差及其與係統狀態的關係進行精確測定並建立描述誤差關係的 數學模型,加工過程中由數控係統根據有關狀態信息(如工作台實際位置、檢測裝置的溫度等)按數學模型計算誤差補償值,並據此對檢測裝置的測量值進行實時校正,從而保證機床運動部件沿各自的坐標軸具有很高的運動精度。將此原理用於其他幾何誤差的校正,即可有效提高多坐標運動的合成軌跡精度。若在加工過程中插 入上述校正過程,還可對溫度變化引起的熱變形誤差進行有效補償。


  本文針對開發高精度數控機床的需求,研究出一種新的高精度軌跡控製方法,並以此為基礎開發了新型數控係統。在這類新型係統中,以高頻高分辨率絕對式插 補算法生成刀具希望軌跡,為實現高精度軌跡控製奠定了信息基礎。通過對機床運動部件進行雙位置閉環控製,既有效抑製了非線性因素的影響,保證了機床可靠穩 定工作,又可獲得較高的動態性能,並使各坐標的位移精度由檢測裝置決定,徹底排除了傳動誤差對刀具運動軌跡精度的影響,有效保證了實際軌跡與希望軌跡一 致。在此基礎上,通過信息化誤差校正,有效提高了檢測裝置的精度並抑製了幾何誤差對軌跡精度的影響,從而使由此構成的新型機床可在生產環境中長期高精度運 行。由新型控製係統控製的數控機床在複雜精密零件加工方麵具有良好的效果。該項成果為提高數控機床的加工精度與速度探索出一條有效的途徑。

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