数控机床高精度轨迹控制的一种新方法

发布日期:[08-07-27 11:08:15] 浏览人次:[]

摘要 针对数控技术和装备向高速高精度发展的需求,研究开发了一种新的高精度轨迹控制技术。其核心内容是以高频高分辨率采样插补生成刀具运动轨迹,通过新型转角—线位移双位置闭环控制保证希望轨迹的准确实现,并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。由此构成的新型数控系统已在多种国产数控机床上进行了应用,取得了良好效果。
叙词:数控机床 高精度 轨迹控制
0 前言
  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。
  为完成这一任务,必须攻克若干关键技术,但其中最关键的一项是数控机床的高精度轨迹控制技术。因此,我们近年来结合生产实际,从高速高精度插补、高速高精度伺服控制和信息化轨迹校正等诸方面,对高速高精度轨迹控制技术进行了系统研究,并以此为基础加强了新型数控系统和高精度数控机床的开发。本文将介绍所取得的部分结果。

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
  由采样插补原理可知,插补误差δ(mm)与进给速度vf(mm/min)、插补频率f(Hz)和被插补曲线曲率半径ρ(mm)间有如下关系

(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
  常规采样插补算法普遍采用递推形式,一般存在误差积累效应。这种效应在高速高精度插补时将对插补精度造成不可忽视的影响。因此,我们在开发高速高精度数控系统时采用新的绝对式插补算法,其要点是:为被插补曲线建立便于计算的参数化数学模型

x=f1(u), y=f2(u), z=f3(u)

(2)

式中 u——参变量,u∈[0,1]
  要求用其进行轨迹插补时不涉及函数计算,只需经过次数很少的加减乘除运算即可完成。
  例如,对于圆弧插补,式(2)的具体形式为

(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
  在参数化模型的基础上,插补轨迹计算可以模型坐标原点为基准进行,从而可消除积累误差,有效保证插补计算的速度和精度。其实现过程如下:
  首先根据当前进给速度和加减速要求确定当前采样周期插补直线段长度ΔL。

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