数控机床是实现先进制造技术的重要基础装备,它关系到国家发展的战略地位。因此,立足国内实际,加速发展具有较强竞争能力的国产高精度数控机床,不断扩大市场占有率,逐步收复失地,便成为我国数控机床研究开发部门和生产厂家所面临的重要任务。 1 数控机床高精度轨迹控制的基本思想 随着科学技术的进步和社会经济的发展,对机床加工精度的要求越来越高。如果完全靠提高零部件制造精度和机床装配精度的传统方法来设计制造高精度数控机床,势必大幅度提高机床的成本,在有些情况下甚至不可能。面对这一现实,我们对以低成本实现高精度的途径进行了探索,提出一种通过信息、控制与机床结构相结合实现数控机床高精度轨迹控制的方法,其核心思想是:①采用具有高分辨率和高采样频率的新型插补技术,在保证速度的前提下大幅度提高轨迹生成精度;②通过新型双位置闭环控制,有效保证希望轨迹的高精度实现。③以信息化轨迹校正消除机械误差和干扰对轨迹精度的影响,从而保证所控制的机床可在生产环境中长期高精度运行。 2 高速高精度轨迹生成 高精度轨迹生成是实现高精度轨迹控制的基础。本文以高分辨率、高采样频率和粗精插补合一的多功能采样插补生成刀具希望轨迹。 2.1 基本措施 (1) 由上式可知,为既保证高的进给速度,又达到高的轨迹精度,一种有效的办法就是提高采样插补频率。考虑到在现代数控机床上将经常碰到高速高精度小曲率半径加工问题。为此,我们在开发新型数控系统时,发挥软硬件综合优势将采样插补频率提高到5kHz,即插补周期为0.2ms。这样,即使要求进给速度达到60m/min,在当前曲率半径为50mm时,仍能保证插补误差不大于0.1μm。 2.2 数学模型 x=f1(u), y=f2(u), z=f3(u) (2) 式中 u——参变量,u[0,1] (3) 式中 M——常数矩阵,当插补点位于一、二、三、四象限时,其取值分别为 2.3 实时插补计算 (4) 式中 ui-1——上一采样周期参变量的取值 2.4 算例分析 表1 圆弧插补计算结果(x,y,r,ΔL的单位为mm) 插补点 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3.1 系统组成 #p#分页标题#e# 图1 常规全闭环位置控制系统的动态结构 为了克服常规全闭环位置控制系统存在的缺陷,必须打破以速度内环为基础构造全闭环位置控制系统的传统理论的束缚,寻求新的在保证可靠稳定性的基础上获得高精度的途径。经过多年探索,我们研究出一种新的转角-线位移双闭环位置控制方法,由其构成的位置控制系统的动态结构如图2所示。该系统的特点是:整个系统由内外两个位置环组成。其中内部闭环为转角位置闭环,其检测元件为装于电机轴上的光电编码盘,驱动装置为交流伺服系统,由此构成一输入为θi输出为θo的转角随动系统。外部位置闭环采用光栅、感应同步器等线位移检测元件直接获取机床工作台的位移信息,并以内环的转角随动系统为驱动装置驱动工作台运动。工作台的位移精度由线位移检测元件决定。 图2 转角—线位移双闭环位置控制系统的动态结构 该系统的设计思路是,内外环合理分工,内环主管动态性能,外环保证稳定性和跟随精度。为提高系统的跟随性能,引入由Gc(s)组成的前馈通道,构成复合控制系统。 3.2 稳定性与误差分析 (5) 式中 Kθ——转角闭环增益 (6) 式中 Kp——积分环节时间常数 将系统校正为Ⅰ型并合理选择系统增益,可避免系统的频率特性曲线与非线性环节的负倒幅曲线相交或将其包围,从而保证系统稳定工作[2]。显然当Tθ较小时θo(s)/θi(s)≈Kθ,系统将具有更强的稳定性。 (7) 系统设计时使反馈系数Kf=1,前馈通道 (8) 有 Φx(s)≡1 (9) 上式说明,双闭环系统具有理想的动态性能和跟随精度。 4 信息化轨迹误差校正 在双位置闭环控制下,机床坐标运动的精度主要取决于检测装置获取信息的准确程度。因此,进一步通过信息补偿有效提高检测装置的精度并使其不受外部环境的影响,将为进一步提高坐标运动精度提供一条新的途径。为此采取以下措施:对检测装置的误差及其与系统状态的关系进行精确测定并建立描述误差关系的数学模型,加工过程中由数控系统根据有关状态信息(如工作台实际位置、检测装置的温度等)按数学模型计算误差补偿值,并据此对检测装置的测量值进行实时校正,从而保证机床运动部件沿各自的坐标轴具有很高的运动精度。 5 应用实例 以高速高精度轨迹控制技术为基础,开发了一种新型计算机数控系统[3]。某用户用该系统控制SKY1632数控铣床,其加工性能有了明显提高。例如,有一种复杂模具零件,被加工表面不但曲率变化剧烈,而且许多部位的曲率半径值很小,过去用老型号系统控制机床进行加工时,必须采用很低的进给速度才能保证加工精度,生产率很低。采用新型数控系统后,由于其对大曲率和曲率变化的高度适应能力,使得进给速度提高数倍后,仍能加工出合格的零件,从而大幅度提高了生产率。此外,通过新型系统的控制,有效地抑制了机械传动误差、时变切削力和温度变化等因素对加工精度的影响,较好解决了大程序量、长时间(连续几十小时以上)加工中所存在的轨迹跑偏问题,提高了复杂零件的加工质量。 6 结论 本文针对开发高精度数控机床的需求,研究出一种新的高精度轨迹控制方法,并以此为基础开发了新型数控系统。在这类新型系统中,以高频高分辨率绝对式插补算法生成刀具希望轨迹,为实现高精度轨迹控制奠定了信息基础。通过对机床运动部件进行双位置闭环控制,既有效抑制了非线性因素的影响,保证了机床可靠稳定工作,又可获得较高的动态性能,并使各坐标的位移精度由检测装置决定,彻底排除了传动误差对刀具运动轨迹精度的影响,有效保证了实际轨迹与希望轨迹一致。在此基础上,通过信息化误差校正,有效提高了检测装置的精度并抑制了几何误差对轨迹精度的影响,从而使由此构成的新型机床可在生产环境中长期高精度运行。实际应用证明,由新型控制系统控制的数控机床在复杂精密零件加工方面具有良好的效果。该项成果为提高数控机床的加工精度与速度探索出一条有效的途径。
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