智能数控机床与编程 课件 第4章 数控机床高性能技术

第4章数控机床高性能技术

4.1数控机床误差补偿技术4.2数控机床振动抑制技术4.3智能数控机床大数据技术4.4智能数控机床的互联通信4.5本章小结

思维导图

学习目标（1）了解数控机床热误差、几何误差和力误差补偿方法及意义；（2）理解数控机床主轴振动、进给轴振动和刀具振动的抑制方法；（3）掌握数控机床主要的内部、外部数据感知方法；（4）熟悉数控机床的数据传输方案；（5）熟悉常用的数控系统互联通讯协议；（6）熟悉NC-Link协议架构及主要组成

一、数控机床的误差

二、热误差补偿

三、几何误差补偿

四、力误差补偿

§4.1数控机床误差补偿技术

一、数控机床的误差数控机床主要由床身、立柱、主轴和各种直线导轨或旋转轴等部件组成，机床部件在制造装配和使用过程中会产生各种误差。机床的各种误差最终反映为刀具中心点的实际空间轨迹与理论空间轨迹的差别，如图所示，误差源包括4类，分别为：1）在无负荷或精加工条件下机床的几何/运动误差；2）由机床内部热源和环境温度变化而造成的热误差；3）由切削力和惯性力引起的动态误差；4）与夹具和装夹有关的误差机床的误差二、热误差补偿（1）热误差来源因机床的温度变化导致机床的结构发生变形，从而产生误差，称为热变形误差或热误差，机床的热变形是影响加工精度的主要原因之一。改善机床的热特性并减少热误差，通常有四种途径：1）改善热环境和降低热源的发热程度；2）改进机床的结构设计；3）控制机床重要部件的升温，采取措施对其进行有效冷却和散热；4）建立温度变量与热变形之间的数学模型，用软件预报误差二、热误差补偿（2）热误差分析与检测通过分析机床加工过程中所产生的热变形误差的因素，检测和采集误差源、加工误差、加工位置及温度分布等参数，确定引起机床热变形误差的热源分布情况。热误差分析与检测的基础是建立热误差测量系统。误差测量包括温度测量和热变形测量。温度传感器分布示例数字式温度传感器的接入五点式位移传感器测量热变形二、热误差补偿（3）热误差建模热误差模型的建立就是将所筛选出的温度敏感点实验放据和相对应的热位移实验数据建立一定的数学关系。目前最常用的热误差建模方法是通过大量的实验数据对机床各部件热变形与敏感点的温度变量进行拟合建模，多元线性回归方法是最常用的热误差补偿建模方法之一，由多个自变量的最优组合共同预测或估计因变量。二、热误差补偿（4）热误差补偿热误差补偿可以分为三种情况：针对主轴热变形的热误差补偿、针对丝杠膨胀的补偿以及同时包含主轴和丝杠热变形的补偿。热误差补偿的实施方法主要有：（1）基于FDEM（FEM+FDM）模型的热误差补偿（2）基于神经网络的热误差补偿（3）基于传递函数的热误差补偿（4）基于控制系统内部数据的热误差补偿（5）高性能数控系统热误差补偿功能三、几何误差补偿数控机床的主要零部件在制造、装配过程中存在误差，会直接引起机床的几何误差。该误差不仅影响工件加工精度，而且当误差较大时会直接导致加工工件无法满足加工要求。研究几何误差建模及补偿方法将有利于减少几何误差，提升加工质量。（1）几何误差测量。机床误差检测分为单项误差分量检测和综合误差分量检测两种方法。数控机床的几何误差来源及机床运动部件的姿态误差如图所示。数控机床几何误差类型三、几何误差补偿（2）几何误差建模机床结构以运动副的连接来实现刀具和工件的相对运动。理想情况下，刀位点的位置就是工件编程指示的位置，但实际加工中，这两个位置不一定重合，二者之间的误差就是空间定位误差。每个运动部件皆可按照刚体运动学以杆件和铰接符号来建立运动学模型，描述运动链相互关系。5轴龙门加工中心的运动学模型三、几何误差补偿（3）几何误差补偿几何误差补偿分为实时补偿和非实时补偿两种方式。实时补偿受限于实时补偿周期，适宜中低速度下进行；为提升空间误差补偿的实际应用水平，研究空间误差离线补偿（非实时）技术，设计针对加工代码修正的离线误差补偿模块。与三轴机床相比，五轴机床增加了旋转轴，除了直线进给轴的空间误差外，旋转运动轴也会有空间误差，所以五轴机床误差补偿还需要进行机床旋转轴与旋转轴之间的误差参数的测量和补偿。几何误差补偿原理示意图旋转轴的六项几何误差三、几何误差补偿（4）高性能数控系统的几何误差补偿高性能数控系统在几何误差补偿技术上进行了深入研究，取得了关键技术突破，开发出不同特征的误差补偿功能，包括：1）西门子840D系统几何误差补偿－VCS；2）发那科的三维误差补偿和三维机床位置补偿；3）大隈OKUMA的几何误差测量与补偿功能四、力误差补偿力误差是加工误差的主要来源之一。数控机床在加工过程中，由于切削余量的随机波动导致切削力波动，使加工变形不均匀而映射到加工表面的加工误差称为力误差。建立切削力误差模型的关键是加工过程中切削力的实时准确测量，以FANUC数控系统为例，其解决方案为：利用数控系统中存储的各轴的负载状态信息，在无需添加额外测量装置的情况下，通过TCP/IP网络获取各轴的负载信息。根据对主轴负载信息的分析，将进给倍率的调节控制信息通过网络发送到PMC端，实现对进给速度的调节。结合FANUC二次开发工具FOCAS程序库，通过以太网访问数控系统，获得各轴相应的负载信息，不用添加传感器等设备，更加方便、快捷、有效。

一、振动测试方法

二、主轴振动抑制

三、进给轴振动抑制

四、刀具振动抑制

§4.2数控机床振动抑制技术

一、振动测试方法机床动态性能测试是典型的机械振动测试讨程，振动测试的基本流程如图所示。不同激振方式和激振器的技术特点不同，电动和电液激振技术成熟，应用广泛。采用电动、电液和压电相对激振时，激振器安装在刀具（主轴）与工件（工作台）之间，机床处于静止状态。机床振动测试二、主轴振动抑制（1）主轴振动形成原因数控机床配套使用的高速电主轴发生振动的原因有很多，主要有三类原因：1）电主轴的共振；2）电主轴的电磁振荡；3）电主轴的机械振动（2）主轴振动抑制方法主轴振动抑制可从三方面入手：1）变速切削技术；2）主轴轴承预紧力控制；3）主轴系统自平衡控制三、进给轴振动抑制（1）进给轴振动形成原因导致数控机床进给轴产生振动的原因有很多，大致可分为四类：1）机械传动方面的故障；2）数控机床电气元件的故障；3）数控系统参数设置不当；4）机床共振三、进给轴振动抑制（2）进给轴振动抑制方法1）在机械传动方面，可通过改善机械传动部件结构进行抑制。2）在电气元件方面，可通过选用新型直线电机、采用电气电柜的电磁屏蔽等措施来避免对进给轴运动产生影响。3）在伺服系统参数方面，可对伺服控制系统进行伺服优化，或者通过控制系统校正，抑制进给轴的振动。（3）高性能数控系统进给轴振动抑制功能1）海德汉的动态高效功能；2）发那科系统的SERVOGUIDE功能；3）马扎克的防振动功能四、刀具振动抑制（1）刀具振动形成原因刀具在切削工件时产生振动的原因有：1）包括刀具在内的工艺系统刚性不足，导致其固有频率低；2）切削产生了一个足够大的外激力；3）切削力的频率与工艺系统的固有频率相同。四、刀具振动抑制（2）刀具振动抑制方法刀具切削振颤的控制方法分为两种：被动控制和主动控制。被动控制是指通过改进刀具结构和材料、选择合适的加工工艺参数来避开不稳定切削区域。被动控制具体实施方法有：1）刀具振动控制2）工件振动控制3）调整工艺参数主动控制是指在振动控制过程中，根据传感器监测到的振动信号，基于一定的控制策略，经过实时计算，通过驱动器对控制目标施加一定的影响，达到抑制或者消除振动的目的。

一、数控机床大数据应用层次

二、数控机床大数据感知

三、数控机床大数据传输

四、数控机床大数据处理

五、智能数控机床大数据应用－iNCCloud服务平台

§4.3智能数控机床大数据技术一、数控机床大数据应用层次以大数据的全生命周期为主线、大数据在智能数控系统中的应用方式为：从数控机床获取数据-将数据存储至资源池--对数据进行分析，并根据分析结果生成决策、对应地，本章节将大数据应用流程分为3个层次：数据感知、数据存储、数据分析与应用，如图所示。数控机床大数据应用层次二、数控机床大数据感知数控机床的状态数据反映机床的加工特征，是实现数控机床智能化的关键支撑数据，包括位置、振动、速度、加速度、电流，功率，声音、温度等。这些状态数据有一部分直接来自数控系统内部，与数控机床本身的控制过程紧密相关，有些状态数据则需要借助外部传感器间接获取。（1）数控机床内部电控大数据感知主要包括：1）位移数据；2）速度数据；3）压力数据（2）数控机床外部数据感知主要包括：1）温度传感器；2）振动传感器；3）声发射传威器；4）RFID传感器；5）条码/二维码传感器二、数控机床大数据感知（3）数控机床测量数据数控机床运行过程中的感知、分析、决策等重要环节都离不开机床测量技术，刀具磨损、数控机床健康状态、几何量、智能传动装置及油液状态等都需要精密测量，并通过误差补偿来提高机床使用寿命及工件加工精度。目前，数控系统测量设备层出不穷，比较常用的有激光干涉仪和机床测头等。主要包括：1）激光干涉仪；2）机床测头三、数控机床大数据传输数据传输是数据从感知到应用的必需环节，主要表现为以通信技术为主的各种网络，依赖于物理设备的硬件互联和通信网络的协议互通。主要包括：（1）数控机床的RS-232/422/485互联；（2）数控机床的USB互联；（3）数控机床的RJ-45互联；（4）窄带物联网；（5）5G移动网络四、数控机床大数据处理根据数据实时性或数据量等需求，数控机床大数据的处理方式一般有两种：云端数据处理和边缘数据处理。如图展示了云计算和边缘计算数据处理的典型架构。(1)云端数据处理是指各种底层设备通过网络连接将数据上传至云端，并在云端对数据进行存储和分析(2)边缘数据处理是指各种底层设备通过网络连接直接把数据存储于边缘端，以低延迟的方式对数据进行就近处理，从而及时向控制设备反馈处理结果。云端计算与边缘计算体系架构五、智能数控机床大数据应用－iNCCloud服务平台iNCCloud平台的实质是数控资源集聚共享的有效载体，为工业智能化应用的创新与集成提供数据和平台，推进传统制造业向智能制造的转型升级。如图所示,应用可分为数据传输、数据存储、数据分析和智能决策四大模块，通过这四大模块实现iNCCloud平台的智能化应用。其功能包括：1）产品全生命周期追溯；2）设备定位；3）机床自主维修；4）故障在线报修；5）生产过程实时监测；6）预测性维修iNCCloud平台应用

一、数控机床大数据的互联互通互操作

二、数控系统互联通讯协议

三、NC-Link协议

§4.4智能数控机床的互联通信一、数控机床大数据的互联互通互操作数控机床互联通信实现了数控机床大数据的互联、互通、互操作，是沟通设备与数据应用的使能技术，是“让设备说话的技术”。主要包括：（1）数控机床大数据的互联；（2）数控机床大数据的互通；（3）数控机床大数据的互操作二、数控系统互联通讯协议数控系统互联通讯协议主要有三种，分别是：（1）OPCUA协议（2）MTConnect协议（3）umati协议三、NC-Link协议NC-Link协议是由“数控机床互联互通产业联盟”研发的具有自主知识产权的数控机床互联通讯协议标准，旨在打造中国自主知识产权的机床互联通讯标准，提供更加适合数控机床的互联通讯协议。（1）NC-Link协议特点1）独特的数控装备信息模型；2）支持自定义的组合数据；3）轻量级数据交换格式；4）对异构设备或平台高度兼容；5）独特的安全性设计三、NC-Link协议（2）NC-Link标准组成NC-Link标准包含五部分内容如图所示：通用要求、设备模型，数据字典，接口要求和安全要求。设备模型、数据字典和接口要求共同构成了NC-Link协议的语义系统，决定了NC-Link协议的互操作能力。NC-Link标准组成三、NC-Link协议（3）NC-Link体系架构NC-Link标准的体系结构包括：设备层、NC-Link层、应用层，如图所示。设备层由独立的数控装备组成，是原始数据源；应用层是数据的最终使用方；NC-Link层在设备与应用层之间执行数据转发，是NC-link体系架构的核心。数据的传输流向为设备层→NC-Link层→应用层或应用层→NCLink层→设