[其它]數(shù)控車床軸類零件加工的精確度控制

1、高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文數(shù)控車床軸類零件加工的精確度控制設(shè)計(jì)考生姓名： 陳前程 準(zhǔn)考證號(hào)： 011809103361 專業(yè)層次： 本科 院 （系）： 機(jī)械與電子工程 指導(dǎo)教師： 張下煉 職 稱： 講師 重慶科技學(xué)院二 o 一二年一月三十日高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文數(shù)控車床軸類零件加工的精確度控制設(shè)計(jì)考生姓名： 陳前程 準(zhǔn)考證號(hào)： 011809103361 專業(yè)層次： 本科 指導(dǎo)教師： 張下煉 院 （系）：機(jī)械與電子工程學(xué)院重慶科技學(xué)院二 o 一二年一月三十日重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 中文摘要i摘 要隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)也得到了迅速發(fā)

2、展，數(shù)控車床的高頻高分辨率采樣插補(bǔ)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)代，其應(yīng)用越來(lái)越廣。隨著人們對(duì)其要求的提高，數(shù)控技術(shù)得到了快速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床及由數(shù)控機(jī)床組成的制造系統(tǒng)是改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、構(gòu)建數(shù)字化企業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直備受人們關(guān)注。數(shù)控機(jī)床以其卓越的柔性自動(dòng)化的性能、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，它開創(chuàng)了機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先河，因此數(shù)控技術(shù)成為了先進(jìn)制造技術(shù)中的一項(xiàng)核心技術(shù)。其控制技術(shù)從最初的開環(huán)控制發(fā)展到全閉環(huán)控制，精度有很大的提高。但是，數(shù)控車床在加工復(fù)雜高精度零件的時(shí)候還未完全滿足要求，因此必須通過(guò)持續(xù)的研究，不斷的提高數(shù)控車床對(duì)零件的加工精度。本文在已有的普

3、通數(shù)控車床加工基礎(chǔ)上，采用提高刀具的性能、提高數(shù)控車床的制造精度、提高數(shù)控車床的位移檢測(cè)裝置的精度、減少機(jī)床的熱變形、數(shù)控車床有關(guān)精度的一些補(bǔ)償以及高精度軟件插補(bǔ)的軌跡控制等方法提高了數(shù)控車床加工零件的精確度，并使數(shù)控車床達(dá)到了較為理想的控制效果。關(guān)鍵詞：數(shù)控車床,制造精度,軟件插補(bǔ)控制,精確度重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 英文摘要iicnc precision parts machining controlabstractwith the development of the economy, microelectronic technology、computer technol

4、ogy and the automatic theory are developed rapidly, cnc lathe, high-frequency high-resolution sampling interpolation technology has entered a new era, its application more widely. as people increase their claims, numerical control technology has been rapid development of numerical control machine to

5、ols and cnc machine tools from the manufacturing system consisting of the transformation of traditional industries, to build an important foundation for the digital business equipment, its development has been much attention. cnc machine tools for flexible automation of its outstanding performance,

6、excellent and stable accuracy, agile and diverse functions and aroused attention, it created the machinery to set a precedent for the development of mechanical and electrical integration, it became a numerical control technology, advanced manufacturing technology of a core technology. its control te

7、chnology from the initial open-loop control developed to the full closed-loop control, precision greatly improved. however, high-precision cnc lathe parts in the processing time has not yet fully meet the requirements, it must be through sustained research, and constantly improve cnc lathe machining

8、 accuracy of parts. the article has been based on the general cnc lathe, used to improve the performance of tools to improve manufacturing precision cnc lathes, cnc lathes to improve the accuracy of displacement detection devices to reduce the thermal deformation of machine tools, cnc lathes, as wel

9、l as compensation for the accuracy of some of the high-precision trajectory control software interpolation method improves the numerical precision lathe machining parts, cnc lathe and to achieve a more satisfactory control effect.keywords: cnc-lathe, manufacturing-precision, software interpolation c

10、ontrol, accuracy重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 目錄iii目 錄摘摘 要要.iabstractabstract.ii1 1 緒論緒論.11.11.1 數(shù)控車床的研究意義數(shù)控車床的研究意義.11.21.2 數(shù)控機(jī)床的基本工作原理數(shù)控機(jī)床的基本工作原理 .11.31.3 數(shù)控車床的組成及數(shù)控車床的分類數(shù)控車床的組成及數(shù)控車床的分類 .11.3.1 數(shù)控車床的組成 .11.3.2 數(shù)控機(jī)床的分類 .22 2 刀具對(duì)數(shù)控車床加工精度的影響刀具對(duì)數(shù)控車床加工精度的影響.42.12.1 刀具幾何參數(shù)對(duì)數(shù)控車床加工精度的影響刀具幾何參數(shù)對(duì)數(shù)控車床加工精度的影響 .42.22.2 提

11、高刀具的性能提高刀具的性能 .62.32.3 提高刀具對(duì)零件的加工精度提高刀具對(duì)零件的加工精度 .73 3 數(shù)控車床的制造精度數(shù)控車床的制造精度.83.13.1 機(jī)床的幾何制造精度機(jī)床的幾何制造精度 .83.23.2 如何提高機(jī)床導(dǎo)軌的制造精度如何提高機(jī)床導(dǎo)軌的制造精度 .83.33.3 機(jī)床夾具對(duì)數(shù)控車床的影響機(jī)床夾具對(duì)數(shù)控車床的影響 .83.43.4 工件的安裝誤差對(duì)數(shù)控的影響工件的安裝誤差對(duì)數(shù)控的影響 .94 4 減少機(jī)床的熱變形減少機(jī)床的熱變形.105 5 數(shù)控車床的位移檢測(cè)裝置數(shù)控車床的位移檢測(cè)裝置.116 6 提高數(shù)控車床的系統(tǒng)精度提高數(shù)控車床的系統(tǒng)精度.136.16.1 位置精度

12、的測(cè)量和補(bǔ)償位置精度的測(cè)量和補(bǔ)償 .136.1.1 反向偏差測(cè)量和補(bǔ)償 .136.1.2 定位精度的測(cè)量和補(bǔ)償 .156.26.2 數(shù)控車床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)數(shù)控車床的進(jìn)給伺服系統(tǒng) .166.36.3 數(shù)控機(jī)床采用高精度軌跡控制數(shù)控機(jī)床采用高精度軌跡控制 .176.3.1 基本措施 .176.3.2 數(shù)學(xué)模型 .186.3.3 實(shí)時(shí)插補(bǔ)計(jì)算 .186.3.4 算例分析 .196.3.5 實(shí)現(xiàn)高精度軌跡控制的雙閉環(huán)控制方案 .196.46.4 數(shù)控車床信息化軌跡誤差校正數(shù)控車床信息化軌跡誤差校正 .226.56.5 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例 .23重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 目錄iv7 7 結(jié)

13、論結(jié)論.24參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).25致致 謝謝.26論文原創(chuàng)性聲明論文原創(chuàng)性聲明.27重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 1 緒論11 緒論1.1 數(shù)控車床的研究意義數(shù)控機(jī)床是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造技術(shù)的重要基礎(chǔ)裝備，它關(guān)系到國(guó)家發(fā)展的戰(zhàn)略地位。因此，立足國(guó)內(nèi)實(shí)際，加速發(fā)展具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)能力的國(guó)產(chǎn)高精度數(shù)控機(jī)床，不斷擴(kuò)大市場(chǎng)占有率，逐步收復(fù)失地，便成為我國(guó)數(shù)控機(jī)床研究開發(fā)部門和生產(chǎn)廠家所面臨的重要任務(wù)為完成這一任務(wù)，必須攻克若干關(guān)鍵技術(shù)，但其中最關(guān)鍵的一項(xiàng)是數(shù)控機(jī)床的高精度軌跡控制技術(shù)。因此，我們從高速高精度插補(bǔ)、高速高精度伺服控制和信息化軌跡校正等諸方面，對(duì)高速高精度軌跡控制技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并以

14、此為基礎(chǔ)加強(qiáng)了新型數(shù)控系統(tǒng)和高精度數(shù)控機(jī)床的開發(fā)。本文將介紹所取得的部分結(jié)果。1.2 數(shù)控機(jī)床的基本工作原理在普通機(jī)床上加工零件，是由操作者根據(jù)零件圖紙的要求，不斷改變刀具與工件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，由刀具對(duì)工件進(jìn)行切削而加工出要求的零件。而在數(shù)控機(jī)床上加工零件時(shí)，則是將被加工零件的加工順序、工藝參數(shù)和機(jī)床運(yùn)動(dòng)要求用數(shù)控語(yǔ)言編制出加工程序，然后輸入到 cnc 裝置，cnc 裝置對(duì)加工程序進(jìn)行一系列處理后，向伺服系統(tǒng)發(fā)出執(zhí)行指令，由伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)床移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)，從而自動(dòng)完成零件的加工。圖 1.1 為數(shù)控機(jī)床的工作過(guò)程。圖 1.1 數(shù)控機(jī)床的工作過(guò)程1.3 數(shù)控車床的組成及數(shù)控車床的分類1.3.1 數(shù)

15、控車床的組成數(shù)控機(jī)床是采用數(shù)控技術(shù)對(duì)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)和切削加工過(guò)和進(jìn)行控制的機(jī)床，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，典型數(shù)控機(jī)床的組成如圖 1.2 所示。由圖可見，數(shù)控機(jī)床方要由程序編制、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、強(qiáng)電控制系統(tǒng)、檢測(cè)反饋系統(tǒng)和機(jī)床本體等六大部分，其中數(shù)控裝置與伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、強(qiáng)電控制系統(tǒng)、檢測(cè)反饋系統(tǒng)又合稱為數(shù)控系統(tǒng)。零件圖紙制成零件加工程序cnc裝置伺服系統(tǒng)機(jī)床部件編制加工驅(qū)動(dòng)命令送入重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 1 緒論2圖 1.2 數(shù)控機(jī)床的組成1.3.2 數(shù)控機(jī)床的分類（一）按數(shù)控機(jī)床的工藝用途分類1.一般數(shù)控機(jī)床：是與普通機(jī)床工藝可行性相似的各種數(shù)控機(jī)床，其種類與普通機(jī)床一樣

16、，如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控刨床、數(shù)控磨床、數(shù)控鉆床等。2.加工中心：是帶有刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床。3.特種數(shù)控機(jī)床：是裝備了數(shù)控裝置的特種加工機(jī)床，如數(shù)控線切割機(jī)床、數(shù)控激光加工機(jī)床等。（二）按數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)軌跡分類1.點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床：其數(shù)控裝置只控制機(jī)床移動(dòng)部件從一個(gè)位置（點(diǎn)）移動(dòng)到另一個(gè)位置（點(diǎn)） ，而不控制點(diǎn)到點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)軌跡，刀具在移動(dòng)過(guò)程中不進(jìn)行切削加工。如數(shù)控鉆床、數(shù)控沖床等。2.直線控制數(shù)控機(jī)床：其數(shù)控裝置除了要控制機(jī)床移動(dòng)部件的起點(diǎn)和終點(diǎn)的準(zhǔn)確位置外，還要控制移動(dòng)部件以適當(dāng)速度沿平行于某一機(jī)床坐標(biāo)軸方向或與機(jī)床坐標(biāo)軸成 450 的方向進(jìn)行直線切削加工。如簡(jiǎn)易數(shù)控車床、

17、簡(jiǎn)易數(shù)控磨床等。3.輪廓控制數(shù)控機(jī)床：其數(shù)控裝置能夠同時(shí)對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上坐標(biāo)軸進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)曲線輪廓和曲面的加工。如具有兩坐標(biāo)或兩坐標(biāo)以上聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑床、數(shù)控車床等。（三）按伺服系統(tǒng)的控制方式分類重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 1 緒論31.開環(huán)控制系統(tǒng)：指不帶反饋的控制系統(tǒng)，即系統(tǒng)沒(méi)有位置反饋元件，通常以功率步進(jìn)電機(jī)或電液伺服電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。2.半閉環(huán)控制系統(tǒng)：半閉環(huán)控制系統(tǒng)是在開環(huán)系統(tǒng)的絲杠上裝有角位移檢測(cè)裝置，通過(guò)檢測(cè)絲杠的轉(zhuǎn)角間接地檢測(cè)移動(dòng)部件的位移，然后反饋給數(shù)控裝置。3.閉環(huán)控制系統(tǒng)：是在機(jī)床移動(dòng)部件上直接裝有位置檢測(cè)裝置，將測(cè)量的結(jié)果直接反饋到數(shù)控裝置中，與輸

18、入的指令位移進(jìn)行比較，用偏差進(jìn)行控制，使移動(dòng)部件按照實(shí)際的要求運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)精確定位。 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 2 刀具對(duì)數(shù)控車床加工精度的影響42 刀具對(duì)數(shù)控車床加工精度的影響2.1 刀具幾何參數(shù)對(duì)數(shù)控車床加工精度的影響刀具的制造誤差對(duì)加工精度的影響，根據(jù)刀具種類不同而異。當(dāng)采用定尺寸刀具如鉆頭、鉸刀、拉刀、鍵槽銑刀等加工時(shí)，刀具的尺寸精度將直接影響到工件的尺寸精度；當(dāng)采用成形刀具如成形車 刀、成形銑刀等加工時(shí)，刀具的形狀精度將直接影響工件的形狀精度；當(dāng)采用展成刀具如齒輪滾刀、插齒刀等加工時(shí)，刀刃的形狀必須是加工表面的共軛曲線，因此刀刃的形狀誤差會(huì)影響加工表面的形狀精度；當(dāng)

19、采用一般刀具如車刀、鏜刀、銑刀等的制造誤差對(duì)零件的加工精度并無(wú)直接影響，但其磨損對(duì)加工精度、表面粗糙度有直接的影響。任何刀具在切削過(guò)程中都不可避免地要產(chǎn)生磨損，并由此引起工件尺寸和形狀誤差。例如用成形刀具加工時(shí)，刀具刃口的不均勻磨損將直接復(fù)映到工件上造成形狀誤差；在加工較大表面（一次走刀時(shí)間長(zhǎng)）時(shí)，刀具的尺寸磨損也會(huì)嚴(yán)重影響工件的形狀精度；用調(diào)整法加工一批工件時(shí)，刀具的磨損會(huì)擴(kuò)大工件尺寸的分散范圍；刀具磨損使同一批工件的尺寸前后不一致。在數(shù)控加工中，通常車刀會(huì)存在刀尖圓弧半徑 r， 主偏角 kr，車刀刀尖距零件中心高的偏差等刀具幾何參數(shù)的影響，必定引起被加工零件的軸向尺寸誤差和徑向尺寸誤差，由

20、此使得加工中的運(yùn)行軌跡與被加工零件的表面形狀產(chǎn)生差異。因被加工零件表面形狀各異，所以引起的差異也各不相同。誤差分析及改進(jìn)方法 下面分析車刀刀尖圓弧半徑對(duì)加工圓柱類零件表面形狀引起的差異以及采取的措施。眾所周知，被加工零件表面的成形是由車刀與零件表面接觸間切點(diǎn)的運(yùn)行軌跡保證的。對(duì)于主偏角 kr=90 度的車削加工，參見圖 2.1 示，被加工零件表面的軸向尺寸由刀尖圓弧頂點(diǎn) a 保證。重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 2 刀具對(duì)數(shù)控車床加工精度的影響5圖 2.1 刀具幾何參數(shù)對(duì)加工精度的影響當(dāng)(d-d)/2=apr 時(shí)，由圖可知，由刀尖圓弧半徑引起的軸向尺寸變化量a 為a =b-a=r式中

21、：b零件軸向尺寸;a實(shí)際軸向位移量;r 刀尖圓弧半徑。此時(shí)，刀具實(shí)際軸向位移是長(zhǎng)度 a 為：a=b-a=b-r當(dāng)(d-d)/2=apr 時(shí)，由圖可知，由刀尖圓弧半徑引起的軸向尺寸變化量a 為： a=bc=araarrppp2222此時(shí)，刀具實(shí)際軸向位移長(zhǎng)度 a=b-a = arapbp22對(duì)于主偏角 kf90的車削加工，當(dāng)完成軸向加工即處于圖 2-1c 位置時(shí)，被加工零件的已加工表面部由車刀刀尖點(diǎn) a 保證，零件的加工表面由刀具型面ac 和 ce 形成。顯而易見，當(dāng)?shù)毒咻S向位移長(zhǎng)度為 a 時(shí)，則達(dá)到零件要求的軸向長(zhǎng)度。所以軸向尺寸變化量 a 為：a =b-a=bc+de重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)

22、考試本科畢業(yè)論文 2 刀具對(duì)數(shù)控車床加工精度的影響6因?yàn)?bc=rsinkrde=cectgkr=(ap-r+rcos，kr)ctgkr 所以 a =rsinkr+(ap-r+rcoskr)ctgkr 此時(shí)，刀具的實(shí)際軸向位移長(zhǎng)度 a 為： a=b-a =b- rsinkr+(ap-r+rcoskr)ctgkr 當(dāng)(d-d)/2=ap0.02mm，但沒(méi)有補(bǔ)償功能。對(duì)這類機(jī)床，在某些場(chǎng)合下，可用編程法實(shí)現(xiàn)單向定位，清除反向間隙，在機(jī)械部分不變的情況下，只要低速單向定位到達(dá)插補(bǔ)起始點(diǎn)，然后再開始插補(bǔ)加工。插補(bǔ)進(jìn)給中遇反向時(shí), 給反向間隙值再正式插補(bǔ), 即可提高插補(bǔ)加工的精度，基本上可以保證零件的公

23、差要求。對(duì)于其他類別的數(shù)控機(jī)床，通常數(shù)控裝置內(nèi)存中設(shè)有若干個(gè)地址，專供存儲(chǔ)各軸的反向間隙值。當(dāng)機(jī)床的某個(gè)軸被指令改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，數(shù)控裝置會(huì)自動(dòng)讀取該軸的反向間隙值，對(duì)坐標(biāo)位移指令值進(jìn)行補(bǔ)償、修正，使機(jī)床準(zhǔn)確地定位在指令位置上，消除或減小反向偏差對(duì)機(jī)床精度的不利影響。一般數(shù)控系統(tǒng)只有單一的反向間隙補(bǔ)償值可供使用，為了兼顧高、低速的運(yùn)動(dòng)精度，除了要在機(jī)械上做得更好以外，只能將在快速運(yùn)動(dòng)時(shí)測(cè)得的反向偏差值作為補(bǔ)償值輸入，因此難以做到平衡、兼顧快速定位精度和切削時(shí)的插補(bǔ)重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 6 提高數(shù)控車床的系統(tǒng)精度15精度。對(duì)于 fanuc0i、fanuc18i 等數(shù)控系統(tǒng)，有用

24、于快速運(yùn)動(dòng)(g00)和低速切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)(g01)的兩種反向間隙補(bǔ)償可供選用。根據(jù)進(jìn)給方式的不同，數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)選擇使用不同的補(bǔ)償值，完成較高精度的加工。將 g01 切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)測(cè)得的反向間隙值 a 輸入?yún)?shù) no11851(g01 的測(cè)試速度可根據(jù)常用的切削進(jìn)給速度及機(jī)床特性來(lái)決定)，將 g00 測(cè)得的反向間隙值 b 輸入?yún)?shù) no11852。需要注意的是，若要數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行分別指定的反向間隙補(bǔ)償，應(yīng)將參數(shù)號(hào)碼 1800 的第四位(rbk)設(shè)定為 1；若 rbk 設(shè)定為 0，則不執(zhí)行分別指定的反向間隙補(bǔ)償。g02、g03、jog 與 g01 使用相同的補(bǔ)償值。6.1.2 定位精度的測(cè)量和補(bǔ)償數(shù)控機(jī)

25、床的定位精度是指所測(cè)量的機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件在數(shù)控系統(tǒng)控制下運(yùn)動(dòng)所能達(dá)到的位置精度，是數(shù)控機(jī)床有別于普通機(jī)床的一項(xiàng)重要精度，它與機(jī)床的幾何精度共同對(duì)機(jī)床切削精度產(chǎn)生重要的影響，尤其對(duì)孔隙加工中的孔距誤差具有決定性的影響。一臺(tái)數(shù)控機(jī)床可以從它所能達(dá)到的定位精度判出它的加工精度，所以對(duì)數(shù)控機(jī)床的定位精度進(jìn)行檢測(cè)和補(bǔ)償是保證加工質(zhì)量的必要途徑。（1）定位精度的測(cè)定目前多采用雙頻激光干涉儀對(duì)機(jī)床檢測(cè)和處理分析，利用激光干涉測(cè)量原理，以激光實(shí)時(shí)波長(zhǎng)為測(cè)量基準(zhǔn)，所以提高了測(cè)試精度及增強(qiáng)了適用范圍。檢測(cè)方法如下：安裝雙頻激光干涉儀；在需要測(cè)量的機(jī)床坐標(biāo)軸方向上安裝光學(xué)測(cè)量裝置；調(diào)整激光頭，使測(cè)量軸線與機(jī)床移動(dòng)軸線共

26、線或平行，即將光路預(yù)調(diào)準(zhǔn)直；待激光預(yù)熱后輸入測(cè)量參數(shù)；按規(guī)定的測(cè)量程序運(yùn)動(dòng)機(jī)床進(jìn)行測(cè)量；數(shù)據(jù)處理及結(jié)果輸出。（2）定位精度的補(bǔ)償若測(cè)得數(shù)控機(jī)床的定位誤差超出誤差允許范圍，則必須對(duì)機(jī)床進(jìn)行誤差補(bǔ)償。常用方法是計(jì)算出螺距誤差補(bǔ)償表，手動(dòng)輸入機(jī)床 cnc 系統(tǒng),從而消除定位誤差，由于數(shù)控機(jī)床三軸或四軸補(bǔ)償點(diǎn)可能有幾百上千點(diǎn)，所以手動(dòng)補(bǔ)償需要花費(fèi)較多時(shí)間，并且容易出錯(cuò)?，F(xiàn)在通過(guò) rs232 接口將計(jì)算機(jī)與機(jī)床 cnc 控制器聯(lián)接起來(lái)，用 vb 編寫的自重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 6 提高數(shù)控車床的系統(tǒng)精度16動(dòng)校準(zhǔn)軟件控制激光干涉儀與數(shù)控機(jī)床同步工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床定位精度的自動(dòng)檢測(cè)及自

27、動(dòng)螺距誤差補(bǔ)償，其補(bǔ)償方法如下：備份 cnc 控制系統(tǒng)中的已有補(bǔ)償參數(shù)；由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生進(jìn)行逐點(diǎn)定位精度測(cè)量的機(jī)床 cnc 程序,并傳送給 cnc 系統(tǒng);自動(dòng)測(cè)量各點(diǎn)的定位誤差；根據(jù)指定的補(bǔ)償點(diǎn)產(chǎn)生一組新的補(bǔ)償參數(shù),并傳送給 cnc 系統(tǒng),螺距自動(dòng)補(bǔ)償完成；重復(fù)進(jìn)行精度驗(yàn)證。根據(jù)數(shù)控機(jī)床各軸的精度狀況,利用螺距誤差自動(dòng)補(bǔ)償功能和反向間隙補(bǔ)償功能,合理地選擇分配各軸補(bǔ)償點(diǎn),使數(shù)控機(jī)床達(dá)到最佳精度狀態(tài),并大大提高了檢測(cè)機(jī)床定位精度的效率。定位精度是數(shù)控機(jī)床的一個(gè)重要指標(biāo)。盡管在用戶購(gòu)選時(shí)可以盡量挑選精度高誤差小的機(jī)床，但是隨著設(shè)備投入使用時(shí)間越長(zhǎng)，設(shè)備磨損越厲害，造成機(jī)床的定位誤差越來(lái)越大，這對(duì)加工和

28、生產(chǎn)的零件有著致命的影響。采用以上方法對(duì)機(jī)床各坐標(biāo)軸的反向偏差、定位精度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和補(bǔ)償, 可以很好地減小或消除反向偏差對(duì)機(jī)床精度的不利影響,提高機(jī)床的定位精度，使機(jī)床處于最佳精度狀態(tài), 從而保證零件的加工質(zhì)量。6.2 數(shù)控車床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服控制和主軸伺服控制。伺服系統(tǒng)的作用是把接受來(lái)自數(shù)控裝置的指令信息，經(jīng)功率放大、整形處理后，轉(zhuǎn)換成機(jī)床執(zhí)行部件的直線位移或角位移運(yùn)動(dòng)。由于伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的最后環(huán)節(jié)，其性能將直接影響數(shù)控機(jī)床的精度和速度等技術(shù)指標(biāo)，因此，對(duì)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)裝置，要求具有良好的快速反應(yīng)性能，準(zhǔn)確而靈敏地跟蹤數(shù)控裝

29、置發(fā)出的數(shù)字指令信號(hào)，并能忠實(shí)地執(zhí)行來(lái)自數(shù)控裝置的指令，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟隨特性和靜態(tài)跟蹤精度。伺服系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大部分。驅(qū)動(dòng)裝置由主軸驅(qū)動(dòng)單元、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)單元和主主軸伺服電動(dòng)機(jī)、進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)組成。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)，交流伺服電動(dòng)機(jī)是常用的驅(qū)動(dòng)裝置。測(cè)量元件將數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸的實(shí)際位移值檢測(cè)出來(lái)并經(jīng)反饋系統(tǒng)輸入到機(jī)床的數(shù)控裝置中，數(shù)控裝置對(duì)反饋回來(lái)的實(shí)際位移值與指令值進(jìn)行比較，并向伺服系統(tǒng)輸出達(dá)到設(shè)定值所需的位移量指令。如圖 6.1。重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 6 提高數(shù)控車床的系統(tǒng)精度17圖 6.1 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖6.3 數(shù)控機(jī)床采用高精度軌

30、跡控制高精度軌跡控制其核心思想是：采用具有高分辨率和高采樣頻率的新型插補(bǔ)技術(shù)，在保證速度的前提下大幅度提高軌跡生成精度；通過(guò)新型雙位置閉環(huán)控制，有效保證希望軌跡的高精度實(shí)現(xiàn)。以信息化軌跡校正消除機(jī)械誤差和干擾對(duì)軌跡精度的影響，從而保證所控制的機(jī)床可在生產(chǎn)環(huán)境中長(zhǎng)期高精度運(yùn)行。高速高精度軌跡生成高精度軌跡生成是實(shí)現(xiàn)高精度軌跡控制的基礎(chǔ)。本文以高分辨率、高采樣頻率和粗精插補(bǔ)合一的多功能采樣插補(bǔ)生成刀具希望軌跡。6.3.1 基本措施由采樣插補(bǔ)原理可知，插補(bǔ)誤差 (mm)與進(jìn)給速度 vf(mm/min)、插補(bǔ)頻率f(hz)和被插補(bǔ)曲線曲率半徑 (mm)間有如下關(guān)系 (1) pfvfp120121由上式

31、可知，為既保證高的進(jìn)給速度，又達(dá)到高的軌跡精度，一種有效的辦法就是提高采樣插補(bǔ)頻率?？紤]到在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床上將經(jīng)常遇到高速高精度小曲率半徑加工問(wèn)題。為此，應(yīng)發(fā)揮軟硬件綜合優(yōu)勢(shì)將采樣插補(bǔ)頻率提高到5khz，即插補(bǔ)周期為 0.2ms。這樣，即使要求進(jìn)給速度達(dá)到 60m/min，在當(dāng)前曲率半徑為 50mm 時(shí)，仍能保證插補(bǔ)誤差不大于 0.1m。重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 6 提高數(shù)控車床的系統(tǒng)精度186.3.2 數(shù)學(xué)模型常規(guī)采樣插補(bǔ)算法普遍采用遞推形式，一般存在誤差積累效應(yīng)。這種效應(yīng)在高速高精度插補(bǔ)時(shí)將對(duì)插補(bǔ)精度造成不可忽視的影響。因此，我們采用新的絕對(duì)式插補(bǔ)算法，其要點(diǎn)是：為被插補(bǔ)曲線

32、建立便于計(jì)算的參數(shù)化數(shù)學(xué)模型x=f1(u)，y=f2(u)，z=f3(u)(2)式中 u參變量，u0，1要求用其進(jìn)行軌跡插補(bǔ)時(shí)不涉及函數(shù)計(jì)算，只需經(jīng)過(guò)次數(shù)很少的加減乘除運(yùn)算即可完成。例如，對(duì)于圓弧插補(bǔ)，式(2)的具體形式為x y=2u 1-m (3)u211u2式中 m常數(shù)矩陣，當(dāng)插補(bǔ)點(diǎn)位于一、二、三、四象限時(shí)，其取值分別為 r 為圓弧半徑。rrrrrrrr00,00,00,006.3.3 實(shí)時(shí)插補(bǔ)計(jì)算在參數(shù)化模型的基礎(chǔ)上，插補(bǔ)軌跡計(jì)算可以模型坐標(biāo)原點(diǎn)為基準(zhǔn)進(jìn)行，從而可消除積累誤差，有效保證插補(bǔ)計(jì)算的速度和精度。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：首先根據(jù)當(dāng)前進(jìn)給速度和加減速要求確定當(dāng)前采樣周期插補(bǔ)直線段長(zhǎng)度l。

33、然后，按下式計(jì)算當(dāng)前采樣周期參變量的取值 (4) luzyxuuii2221式中 ui-1上一采樣周期參變量的取值重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 6 提高數(shù)控車床的系統(tǒng)精度19參變量的攝動(dòng)量u與對(duì)應(yīng)的 x，y，z 的攝動(dòng)量zyx,u最后將 ui 代入軌跡計(jì)算公式(2)，即可計(jì)算出插補(bǔ)軌跡上當(dāng)前點(diǎn)的坐標(biāo)值xi，yi,zi。不斷重復(fù)以上過(guò)程直至到達(dá)插補(bǔ)終點(diǎn)，即可得到整個(gè)離散化的插補(bǔ)軌跡。需說(shuō)明一點(diǎn)，按式(4)計(jì)算 ui 時(shí)允許有一定誤差，此誤差僅會(huì)對(duì)進(jìn)給速度有微小影響，不會(huì)對(duì)插補(bǔ)軌跡精度產(chǎn)生任何影響。這樣，式中的開方運(yùn)算可用查表方式快速完成。6.3.4 算例分析表 1 給出了第一象限半徑

34、為 50mm 圓弧的插補(bǔ)計(jì)算結(jié)果。表中第一行為插補(bǔ)點(diǎn)序號(hào)，u 行為各插補(bǔ)點(diǎn)處參變量的取值，x、y 行為各插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)值。為分析插補(bǔ)誤差，將各插補(bǔ)點(diǎn)處的圓弧半徑和插補(bǔ)直線段長(zhǎng)度的實(shí)際值也一同列于表中的 r 行和 l 行。由表 6.1 可見，雖然插補(bǔ)過(guò)程中計(jì)算 ui 時(shí)產(chǎn)生的誤差對(duì)插補(bǔ)點(diǎn)沿被插補(bǔ)曲線前后位置的準(zhǔn)確性有一定影響(l 值約有小于 1%的誤差)，但各插補(bǔ)點(diǎn)處的r 值總是 50.000，這說(shuō)明插補(bǔ)點(diǎn)準(zhǔn)確位于被插補(bǔ)曲線上，不存在軌跡誤差。表 6.1 圓弧插補(bǔ)計(jì)算結(jié)果(x,y,r，l 的單位為 mm)插補(bǔ)點(diǎn)uxyrl10.07949.3837.83150.0007.85520.15947.54

35、315.48250.0007.86930.24144.52622.74750.0007.86640.32640.41029.44650.0007.86350.41535.29735.41350.0007.85860.51129.31940.50250.0007.85170.61422.62544.58850.0007.84280.72815.38547.57450.0007.83290.8557.78249.39150.0007.818101.0000.00050.00050.0007.8066.3.5 實(shí)現(xiàn)高精度軌跡控制的雙閉環(huán)控制方案 通過(guò)高速高精度插補(bǔ)獲得精確的刀具希望軌跡后，下一步的任

36、務(wù)便是如何保證刀具實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與插補(bǔ)產(chǎn)生的希望軌跡一致。為此需首先解決各運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的高精度位置控制問(wèn)題。重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 6 提高數(shù)控車床的系統(tǒng)精度201 系統(tǒng)組成常規(guī)全閉環(huán)機(jī)床位置控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖 6.2 所示。其設(shè)計(jì)思想是在速度環(huán)的基礎(chǔ)上加上位置外環(huán)來(lái)構(gòu)成全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。根據(jù)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)此類系統(tǒng)時(shí)，位置控制器應(yīng)選用 pi 或 pid 調(diào)節(jié)器，以使系統(tǒng)獲得較快的跟隨性能。然而，因這類系統(tǒng)為高階型系統(tǒng)，其開環(huán)頻率特性將與非線性環(huán)節(jié)的負(fù)倒幅曲線相交，從而使系統(tǒng)出現(xiàn)非線性自持振蕩而無(wú)法正常工作。這就使得這類系統(tǒng)難以在實(shí)際中廣泛應(yīng)用。圖 6.2 常

37、規(guī)全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)ni,no調(diào)速系統(tǒng)輸入指令和輸出轉(zhuǎn)速ki傳動(dòng)機(jī)構(gòu)增益為了克服常規(guī)全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)存在的缺陷，必須打破以速度內(nèi)環(huán)為基礎(chǔ)構(gòu)造全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)理論的束縛，尋求新的在保證可靠穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上獲得高精度的途徑。經(jīng)過(guò)多年探索，我們研究出一種新的轉(zhuǎn)角-線位移雙閉環(huán)位置控制方法，由其構(gòu)成的位置控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖 6.3 所示。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是：整個(gè)系統(tǒng)由內(nèi)外兩個(gè)位置環(huán)組成。其中內(nèi)部閉環(huán)為轉(zhuǎn)角位置閉環(huán)，其檢測(cè)元件為裝于電機(jī)軸上的光電編碼盤，驅(qū)動(dòng)裝置為交流伺服系統(tǒng)，由此構(gòu)成一輸入為 i 輸出為 o 的轉(zhuǎn)角隨動(dòng)系統(tǒng)。外部位置閉環(huán)采用光柵、感應(yīng)同步器等線位移檢測(cè)元件直接獲取機(jī)床

38、工作臺(tái)的位移信息，并以內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)角隨動(dòng)系統(tǒng)為驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。工作臺(tái)的位移精度由線位移檢測(cè)元件決定。重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 6 提高數(shù)控車床的系統(tǒng)精度21圖 6.3 轉(zhuǎn)角線位移雙閉環(huán)位置控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是，內(nèi)外環(huán)合理分工，內(nèi)環(huán)主管動(dòng)態(tài)性能，外環(huán)保證穩(wěn)定性和跟隨精度。為提高系統(tǒng)的跟隨性能，引入由 gc(s)組成的前饋通道，構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)。2 穩(wěn)定性與誤差分析(1)穩(wěn)定性分析由于內(nèi)部轉(zhuǎn)角閉環(huán)不包含間隙非線性環(huán)節(jié)，因此通過(guò)合理設(shè)計(jì)該局部線性系統(tǒng)，可使其成為一無(wú)超調(diào)的快速隨動(dòng)系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)特性可近似表示為 (5) 10ssstki式中 k轉(zhuǎn)角閉環(huán)增益t轉(zhuǎn)角閉環(huán)時(shí)

39、間常數(shù)系統(tǒng)外環(huán)雖然包含了非線性環(huán)節(jié)，但設(shè)計(jì)控制器使 (6) sskgpp式中 kp積分環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)將系統(tǒng)校正為型并合理選擇系統(tǒng)增益，可避免系統(tǒng)的頻率特性曲線與非線性環(huán)節(jié)的負(fù)倒幅曲線相交或?qū)⑵浒鼑?，從而保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。顯然當(dāng) t較小時(shí) o(s)/i(s)k，系統(tǒng)將具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性。重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 6 提高數(shù)控車床的系統(tǒng)精度22 (2)跟隨誤差分析采用上述方案可保證圖 6.4 系統(tǒng)穩(wěn)定工作，因此可忽略非線性因素的影響，求出該系統(tǒng)的傳遞函數(shù) (7) kktkgktkgktkgfwpwcwpxsssssss1111系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)使反饋系數(shù) kf=1，前饋通道 (8) kkkkt

40、gwwcss1有x(s)1 (9)上式說(shuō)明，雙閉環(huán)系統(tǒng)具有理想的動(dòng)態(tài)性能和跟隨精度。6.4 數(shù)控車床信息化軌跡誤差校正在雙位置閉環(huán)控制下，機(jī)床坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的精度主要取決于檢測(cè)裝置獲取信息的準(zhǔn)確程度。因此，進(jìn)一步通過(guò)信息補(bǔ)償有效提高檢測(cè)裝置的精度并使其不受外部環(huán)境的影響，將為進(jìn)一步提高坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)精度提供一條新的途徑。為此采取以下措施：對(duì)檢測(cè)裝置的誤差及其與系統(tǒng)狀態(tài)的關(guān)系進(jìn)行精確測(cè)定并建立描述誤差關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，加工過(guò)程中由數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)有關(guān)狀態(tài)信息(如工作臺(tái)實(shí)際位置、檢測(cè)裝置的溫度等)按數(shù)學(xué)模型計(jì)算誤差補(bǔ)償值，并據(jù)此對(duì)檢測(cè)裝置的測(cè)量值進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，從而保證機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件沿各自的坐標(biāo)軸具有很高的運(yùn)動(dòng)精度。為

41、在高精度坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，獲得高精度的多坐標(biāo)合成軌跡，進(jìn)一步采用幾何誤差信息化校正方法。例如，對(duì)于機(jī)床 x、y 工作臺(tái)的不垂直度誤差，可通過(guò)以下過(guò)程進(jìn)行校正：將一精密測(cè)頭裝入機(jī)床主軸，對(duì)固定于工作臺(tái)上的標(biāo)準(zhǔn)樣件(圓弧輪廓)進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)機(jī)床的 x、y 坐標(biāo)間存在不垂直度誤差時(shí)，所測(cè)的軌跡將不是一個(gè)準(zhǔn)確的圓。將此實(shí)測(cè)軌跡與標(biāo)準(zhǔn)軌跡相比較，即可求出 x、y 坐標(biāo)間不垂直度誤差重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 6 提高數(shù)控車床的系統(tǒng)精度23值。按該誤差值對(duì) x、y 坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行校正，即可使 x、y 合成運(yùn)動(dòng)軌跡達(dá)到更高的精度。將此原理用于其他幾何誤差的校正，即可有效提高多坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的合成軌跡精度。若在加工過(guò)程中插入上述校正過(guò)程，還可對(duì)溫度變化引起的熱變形誤差進(jìn)行有效補(bǔ)償。6.5 應(yīng)用實(shí)例以高速高精度軌跡控制技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)了一種新型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。某