浅析提高数控机床精度的关键技术.doc

浅析提高数控机床精度的关键技术装备制造技术2009年第9期浅析提高数控机床精度的关键技术文进(贵州省地勘装备服务中心,贵州贵阳550003)摘要:阐述了数控机床的组成及工作原理,引出了提高数控机床精度的关键技术.并对其中的轨迹插补技术,运动控制技术,误差补偿技术等做了介绍.关键词:数控机床:精度;技术分析中图分类号:TGS02.13文献标识码:B效率,质量是先进制造技术的主体.高速,高精加工技术可极大地提高效率,提高产品的质量和档次,缩短生产周期和提高市场竞争能力.在加工精度方面,近1O年来,普通级数控机床的加工精度已由10IJ,m提高到5la,m,精密级加工中心则从35m,提高到11.5I.zm,并且超精密加工精度已开始进人纳米级(0.01m).在可靠性方面,国外数控装置的mtbf值已达6000h以上,伺服系统的mtbf值达到30000h以上,表现出非常高的可靠性.为了实现高速,高精加工,与之配套的功能部件如电主轴,直线电机得到了快速的发展,应用领域进一步扩大.本文就如何提高数控机床精度的关键技术进行分析.1数控机床的组成及工作原理数控机床一般由控制介质,数控系统,伺服系统和机床本体共四部分组成.(1)控制介质.就是人与数控机床之间联系的中间媒介物质,反映了数控加工时的全部信息,以前是用纸条来输入各种信息的,不过随着计算机技术的发展,现在的输入一般可以由各种终端来完成.(2)数控系统.数控系统是整个数控机床的核心部分,是机床实现自动加工的中心,也是整个数控机床的灵魂所在.主要有输入装置,监视器,主控制系统,可编程控制器,各类输入/输出接口等组成.主控制系统主要由CPU,存储器,控制器等组成.数控系统的主要控制对象是位置,角度,速度等机械量,以及温度,压力,流量等物理量,其控制方式又可分为数据运算处理控制和时序逻辑控制两大类.(3)伺服系统.伺服系统是数控系统和机床本体之间的电传动联系环节,主要由伺服电动机,驱动控制系统和位置检测与反馈等组成.伺服电动机是系统的执行文件,驱动控制系统则是伺服电动机的动力源.(4)机床本体.数控机床的本体指其机械结构本体,它与传统的普通机床相比较,同样由机械传动机构,工作台,床身以及立柱等部分组成,但数控机床的整体布局,外观造型,传动机械,工具系统及操作机构等方面都发生了很大变化.文章编号:1672-545X(2009)09-0157-022轨迹插补技术轨迹插补,是数控系统最重要的核心技术之一.轨迹插补的精度和速度,是衡量高精度数控系统的重要指标.所谓轨迹插补,就是根据零件轮廓尺寸,结合精度和工艺等方面的要求,在刀具中心轨迹线转折点之间,插入若干个中间点的过程,即数据点的密化过程【l】.插入中间点的算法,被称为插补算法.根据插补算法,可由数控系统中的插补器实时计算得到中间点,并以中间点协调控制各坐标轴的运动,从而获得所需要的运动轨迹.高档的数控系统,除了配有直线和圆弧插补功能外,还配有椭圆,抛物线,螺旋线,列表曲线等复杂线型的插补功能.数控系统的插补任务,就是根据进给速度要求,计算出每一段零件轮廓起点与终点之间,所应插入的中间点的坐标值.2.1插补算法的类型到目前为止,数控系统采用过的插补算法很多,不过这些算法一般都分别归属脉冲增量插补算法和数据采样插补算法两大类.(1)脉冲增量插补算法.脉冲增量插补算法是通过向各个运动轴分配脉冲,控制机床坐标轴相互协调运动,从而加工出所要求轮廓的算法.这类插补算法的特点是:每次插补的结果仅产生一个单位的行程增量,以单位脉冲的形式,输出给步进电动机.脉冲增量插补算比较简单,通常仅需几次加法和位移操作就可完成插补运算.(2)数据采样插补算法,是根据数据加工程序编写得进给速度,先将零件轮廓曲线按插补周期分割为一系列首尾相连的微小直线段,然后输出这些微小直线段对应的位置增量数据,用以控制伺服系统实现坐标轴进给.与脉冲增量插补算法相比,数据采样插补算法的结果不再是单个脉冲,而是位置增量的数字量,这类插补算法适用于以直流或交流伺服电动机作为执行元件的闭环或半闭环数控系统.2-2对解决插补计算速度和精度矛盾的思考随着计算机技术的不断进步,为了提高数控系统的性能,克服插补计算速度和精度之问的矛盾,可以从以下几方面来收稿日期:20090603作者简介:文进(1964一),女,贵州贵阳人,机械工程师,主攻方向为设备与计量管理.157EquipmentManufactringTechnologyNo.9,2009考虑:(1)大幅度提高插补频率;(2)有实效地提高系统分辨率;(3)实现粗精插补相结合;(4)软硬件紧密相结合;(5)采用多微处理器(cPu)分别处理数控系统的各个子模块.3运动控制技术轨迹插补完成将基本数控曲线分解为控制机床运动所需的最小希望运动量,但是最小希望运动量,并不是机床加工的实际运动,数控机床的运动控制技术,就是实现将这些最小希望运动量,转化成为机床加工的实际运动.数控机床的运动控制的本质,是位置伺服控制,按控制方式进行分类,可分为开环控制,半闭环控制,全闭环控制和混合闭环控制圆.(1)开环控制方式.在开环控制中,没有传感器做反馈装置,执行机构移动部件的实际位置不做检验,其加工精度主要取决于执行机构(例如步进电机等)的性能.开环控制的数控系统产生的控制信号,是单向的,数控系统不能反馈执行机构移动部件的运动情况,所以稳定性是不可控的.采用开环控制的数控系统,工作反应迅速,调试方便,维修简单,但其控制精度受到限制,故一般只有中小型低档数控机床采用开环控制.(2)半闭环控制方式.由于机床本体没有完全包括在控制回路内,因而称之为半闭环控制.这种控制方式,通过与伺服电机有联系的测量元件,如测速发电机和光电编码盘等间接测量出伺服电机的转速和转角,推算出机床本体的实际运动量,用此值与希望运动量比较,用差值来实现控制.这种控制方式,介于开环与全闭环之间,精度没有全闭环高,调试却比闭环方便.(3)全闭环控制方式.通过将速度反馈信号送到速度控制回路,构成速度反馈;通过将机床本体实际运动量反馈回去,在位置比较回路中与希望运动量进行比较,用比较的差值进行控制,直到差值消除时为止,最终实现机床本体的精确定位.采用全闭环控制的数控系统,精度高,速度快,但是调试和维修比较复杂.其关键是系统的稳定性,所以在设计时必须对稳定性给予足够的重视.(4)混合闭环控制.是把办闭环控制和全闭环控制两种方式结合起来,速度环路不变,位置环路的反馈信息同时取自伺服电机的位移值和机床本体的实际运动位置,伺服电机的位移值作为位置反馈,可以保证系统的稳定性高和调试可行性好;而机床本体的实际运动位置值作为位置补偿,可以提高数控机床的加工精度.这样混合闭环控制方式,可以克服半闭环和全闭环控制方式的缺点,保留各自的优点,提高数控机床的性能.混合闭环控制方式的缺点,是成本比较高,因为该方式需要两个位置检测装置.4数控机床的误差补偿技术光靠轨迹插补技术和运动控制技术,很难实现数控系统的高精度加工,因为数控系统的加工精度会受到机械,电气,工件材料,加工工艺以及环境等因素的影响,因此必须针对上述影响的因素,研究误差补偿技术.4.1数控机床加工误差的来源数控机床的加工误差来源于以下几个方面:机床本体的原始制造误差;机床的控制系统误差;热变形误差;切削负荷造成工艺系统,包括机床,刀具,工件和夹具变形所导致的误差;机床的振动误差;检测系统的测试误差I夕界干扰误差;其他误差等等.4.2误差补偿的一般步骤误差补偿的一般步骤为:(1)根据机床建立误差模型;(2)设计测量方法,确定误差模型参数,并对模型参数进行标定;(3)误差数据库与数控系统的融合.5结束语精度是数控机床最重要的性能指标之一,本文围绕如何提高数控机床的精度展开阐述.首先介绍数控机床的组成及工作原理,接着由数控机床的工作原理引出提高数控机床精度的关键技术,最后分别介绍这些关键技术轨迹插补技术,运动控制技术,误差补偿技术.参考文献:1卢胜利,王睿鹏,祝玲.现代数控系统一原理,构成与实例M】.北京:机械工业出版社,2006.I2j2沈军达.运动控制模块在数控机床中的运用J】.机电工程,2005,(3):37-39.CNCMachineToolstoImprovetheAccuracyoftheKeyTechnologiesWENJin(GuizhouGeologicalProspectingEquipmentServiceCenter,Guiyang550003,China)Abstract:ThispaperintroducesthecompositionofCNCmachinetoolsandworkingprinciple,andthenworkfromtheprincipleofnumericalcontrolmachinetoolCNCmachinetoolstoimprovetheaccuracyofextractionofthekeyte