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【转贴】数控机床高精度轨迹控制的一种新方法

发布时间:2017-12-03 阅读:

  数控机床轨迹控制新方法

  摘要:针对数控技术和装备高速高精度发展的需要,研制开发了一种新的高精度轨迹控制技术。其核心内容是高频高分辨率采样和插值生成刀具运动轨迹。新型的角位移双位置闭环控制确保了所需轨迹的准确实现。信息轨迹校正消除了机械误差和对轨迹精度的干扰影响,从而保证受控机床能长期在生产环境中高精度运行。由此产生的新型数控系统已经在国内各种数控机床上得到应用,取得了良好的效果。关键词:数控机床高精度轨迹控制0引言数控机床是实现先进制造技术的重要基础设备,它关系到国家发展的战略地位。因此,结合我国实际情况,加快国产高精度数控机床的发展,不断扩大市场占有率,逐步恢复土地流失,成为研发部门和生产企业的重要任务数控机床在中国的应用要完成这个任务,必须克服一些关键技术,但其中最关键的是高精度的数控机床轨迹控制技术。因此,近年来,在实际生产的基础上,从高速高精度插补,高速高精度伺服控制,信息化轨迹修正等方面系统地研究了高速高精度轨迹控制技术。基于此,数控系统和高精度数控机床的发展。本文将介绍一些获得的结果。数控机床轨迹精度高的基本思路随着科学技术的进步和社会经济的发展,机床的加工精度要求越来越高。基于提高零件制造精度和机床装配精度的传统方法设计和制造高精度数控机床必然会大大增加机床的成本,在某些情况下甚至是不可能的。面对这一现实,我们探索了以低成本实现高精度的方法,并提出了一种通过信息,控制和机床结构相结合的方式实现数控机床高精度轨迹控制的方法。其核心思想是:在保证速度的前提下,采用高分辨率,高采样频率的新插值技术可以大大提高轨迹生成精度。新型的双位置闭环控制有效地保证了期望轨迹的高精度实现。 (3)通过信息轨迹校正,消除机械误差和干涉对轨迹精度的影响,确保受控机床长时间在生产环境中高精度运行。 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。本文采用高分辨率,高采样频率和粗略精细插值的多功能采样插值工具来生成所需的轨迹。 2.1基本措施从采样和插补的原理可以看出,插补误差δ(mm)和进给速度vf(mm / min),插补频率f(Hz)和曲率半径ρ(mm)以下关系screen.width-400)this.style.width = screen.width-400; (1)从上面的说明可以看出,为了保证高进给速度,还要达到较高的运动轨迹精度,一个有效的方法就是提高采样插补频率。考虑到现代数控机床往往会遇到高精度小曲率半径的高精度加工问题。为此,我们开发了新的数控系统,发挥硬件和软件采样的综合优势,插补频率提高到5kHz,即插补周期为0.2ms。这样,即使进给速度要达到60m / min,当前曲率半径为50mm的插补误差也能保证不超过0.1μm。 \\ u0026 2.2数学模型传统的采样和插值算法通常采用递归形式,一般存在误差累积效应。这种效果在高速插补的高精度插补中不容忽视。因此,在开发高速高精度数控系统时,采用了一种新的绝对插补算法。主要内容如下:建立一个易于计算的插值曲线的参数化数学模型x = f1(u),y = f2,z = f3(u)(2)其中u - 参数变量,u∈ [0,1]要求轨迹插值不涉及函数的计算,只需经过几次加减运算即可完成。例如,对于圆弧插补,公式(2)的具体形式是screen.width-400)this.style.width = screen.width-400; (3)其中M--常数矩阵,位于一,二,三,四象限中,其值分别为screen.width-400; this.style.width = screen.width-400; \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ 2.3基于参数模型的实时插值插值轨迹计算可以根据模型坐标的原点,可以消除误差的累积,有效保证插值计算的速度和精度。该过程的实现如下:首先根据当前的进给速度和加减速要求来确定当前采样周期的直线段ΔL的插补长度。然后根据下面的公式计算当前采样周期参数screen.width-400的参数this.style.width = screen.width-400; \\ u0026 \\ u0026 \\ u0026 \\ u0026 \\ u0026 (4)其中ui-1--前一个采样周期的参数值screen.width-400)this.style.width = screen.width-400; width-400)this.style.width = screen.width-400; \\\\ - 扰动x,y,z对应于screen.width-400)this.style.width = screen.width-400;通过将ui代入轨迹计算公式(2),可以计算内插轨迹上的当前点的坐标值xi,yi,zi。重复上述过程,直到达到插补的终点,可以得到整个离散插补轨迹。需要说明的是,根据方程(4)ui允许有一定的误差,误差只会对进给速度有轻微的影响,对插补轨迹精度不会有任何影响。这样就可以使用查找表快速完成操作的平方根。 2.4实例分析表1显示了50mm圆弧插补计算结果的第一象限半径。表格的第一行是插值点序号,u行为取每个插值点处的参数值,x和y行为是每个插值点的坐标。为了分析插值误差,插值点处的圆的半径的实际值和插入的线段的长度也列在表的r和ΔL行中。从表中可以看出,尽管在插值过程中计算ui时产生的误差对插补点沿插补曲线前后位置的精度(ΔL值小于1%误差)有一定的影响,每个插补点r的值总是50.000,表示插补点正好位于插补曲线上,没有路径错误。表1插值点的圆弧插补计算(x,y,r,ΔL单位mm)12345678910u0.0790.1590.2410.3260.4150.5110.6140.7280.8551.000x49.38347.54344.52640.41035.29729.31922.62515.3857.7820.000y7.83115.48222。 74729.44635.41340.50244.58847.57449.39150.000r50.00050.00050.00050.00050.00050.00050.00050.00050.00050.000ΔL7.8557.8697.8667.8637.8587.8517.8427.8327.8187.8063高精度轨迹控制双闭环控制方案高速高精度插补精密刀具跟踪,接下来的任务是确保工具的实际轨迹与通过插值生成的期望轨迹一致。要做到这一点,首先要解决每个运动坐标的高精度位置控制问题。 \\ u0026 3.1系统部件常规全闭环的机床位置控制系统的动态结构如图1所示。其设计思想是根据环的速度加上外环的位置,形成一个全闭环位置控制系统。根据电气传动系统的工程设计方法,在设计这样的系统时,位置控制器应该使用PI或PID调节器来使系统获得更快的跟踪性能。然而,因为这些系统是高阶II型系统,所以它们的开环频率特性将与负向非线性降压曲线相交,导致系统中的非线性自维持振荡不起作用正常。这使得这样的系统很难在实践中被广泛使用。 screen.width-400)this.style.width = screen.width-400;图1传统的闭环位置控制系统的动态结构ni,无速度控制系统的输入指令和输出速度Ki--传动增益为了克服传统全闭环位置控制系统的缺点,我们必须打破了传统的基于速度内环建立全闭环位置控制系统的理论,在保证可靠稳定性的基础上,寻求一种获得高精度的新方法。经过多年的摸索,我们开发出了一种新的转角双闭环位移控制方法,其动态结构由图2所示的位置控制系统组成。系统的特点是:整个系统由两个位置和外面的环。内闭环是一个带角落位置的闭环,检测部件是安装在电机轴上的光电码盘。驱动装置是交流伺服系统,从而形成输入为θi并且输出为θo的角落跟随系统。外部位置闭环采用光栅,inductosyn等直线位移检测元件直接向机床位移信息,而内环角落伺服系统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确定。 screen.width-400)this.style.width = screen.width-400; \\\\ screen.width-400)this.style.width = screen.width-400; \\图2角位移双闭环位置控制系统动态结构本系统的设计思想是内外圈合理分配,内圈动态性能可控,外圈保证稳定和准确性。为了提高系统的跟踪性能,引入了一个由Gc(s)组成的前馈通道构成一个复合控制系统。 3.2稳定性和误差分析(1)稳定性分析由于内角闭环不包含间隙非线性,通过合理设计局部线性系统,可以构成一个非超调快速跟踪系统。动态特性可以近似为screen.width-400)this.style.width = screen.width-400; \\ u0026 \\ u0026 \\ u0026 \\ u0026 \\ u0026 \\ u0026 \\ u0026 \\ u0026 \\ u0026角闭环增益Tθ - 转角闭环时间常数虽然系统外环包含一个非线性环节,但设计控制器使得screen.width-400)this.style.width = screen.width-400 ; \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ u0026 \\ u0026 (6)其中Kp-积分时间常数将被修正为Ⅰ型系统,并合理选择系统增益,以避免系统的频率特性曲线和负向下的非线性连接相交或包围曲线将保证稳定(2)后续误差分析上述方案可以保证系统的稳定运行[2],当θ0(s)/θi(s)≈Kθ时,系统具有更高的稳定性。系统设计时间反馈系数Kf = 1(图2),系统设计时间反馈系数Kf = 1,系统设计时间反馈系数Kf = 1 ,前馈信道screen.width-400)this.style.width = screen.width-400; \\\\ \\ u0026 NBSP;(8)用φX(多个)≡1\\ u0026 NBSP; \\ u0026 NBSP; \\ u0026 NBSP; \\ u0026 NBSP; \\ u0026 NBSP; \\ u0026 NBSP; \\ u0026 NBSP; \\ u0026 NBSP; \\ u0026 NBSP; \\ u0026 NBSP; \\ u0026 NBSP; \\ u0026 NBSP; \\ u0026 NBSP; \\ u0026 NB sp; \\ nbsp; \\ u0026 \\ u0026 ; (9)以上描述中,双闭环系统具有理想的动态性能和跟踪精度。 4信息化轨迹的误差修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得到的信息的精度。因此,通过进一步提高检测装置的精度,通过信息补偿使其不受外界环境的影响,为进一步提高坐标运动的精度提供了新的途径。为此目的采取以下措施:检测误差手段及其与准确判定系统状态的关系,建立数学模型描述误差之间的关系,由数控系统按照有关状态信息进行处理(如,检测装置的温度等),根据数学模型计算出误差补偿值,进而实时检测检测装置的测量值,从而保证机床高精度地沿着各自的轴线移动。为了获得基于高精度坐标运动的高精度多坐标合成轨迹,进一步采用几何误差信息修正方法。例如,表格误差的机床x,y非垂直度可通过以下过程进行校正:测量主轴上的精密探针,固定在工作台上的标准样品(圆弧轮廓)。当机器的x,y坐标存在于非垂直误差之间时,测得的轨迹不会是一个精确的圆。测得的轨迹与标准轨迹相比,可以发现非平方误差之间的x,y坐标。根据x,y坐标的误差值进行运动校正,可以使x,y合成轨迹达到更高的精度。利用这个原理校正其他几何误差,可以有效提高多坐标运动的合成轨迹精度。如果在插入上述修正过程的过程中,还能有效地对温度变化引起的热变形误差进行补偿。

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