[其它]数控车床轴类零件加工的精确度控制.doc

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1、高等教育自学考试本科毕业论文 数控车床轴类零件加工的精确度控制设计 考生姓名： 陈前程 准考证号： 011809103361 专业层次： 本科 院 （系）： 机械与电子工 程 指导教师： 张下炼 职 称： 讲师 重庆科技学院 二 O 一二年一月三十日 高等教育自学考试本科毕业论文 数控车床轴类零件加工的精确度控制设计 考生姓名： 陈前程 准考证号： 011809103361 专业层次： 本科 指导教师： 张下炼 院 （系）：机械与电子工程学院 重庆科技学院 二 O 一二年一月三十日 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 中文摘要 I 摘 要 随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和

2、自动控制技术也得 到了迅速发展，数控车床的高频高分辨率采样插补技术已经进入一个崭新的时 代，其应用越来越广。随着人们对其要求的提高，数控技术得到了快速发展， 数控机床及由数控机床组成的制造系统是改造传统产业、构建数字化企业的重 要基础装备，它的发展一直备受人们关注。数控机床以其卓越的柔性自动化的 性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，它开创了机械 产品向机电一体化发展的先河，因此数控技术成为了先进制造技术中的一项核 心技术。其控制技术从最初的开环控制发展到全闭环控制，精度有很大的提高。 但是，数控车床在加工复杂高精度零件的时候还未完全满足要求，因此必须通 过持续的研究，不断的

3、提高数控车床对零件的加工精度。本文在已有的普通数 控车床加工基础上，采用提高刀具的性能、提高数控车床的制造精度、提高数 控车床的位移检测装置的精度、减少机床的热变形、数控车床有关精度的一些 补偿以及高精度软件插补的轨迹控制等方法提高了数控车床加工零件的精确度， 并使数控车床达到了较为理想的控制效果。 关键词：数控车床,制造精度,软件插补控制,精确度 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 英文摘要 II CNC precision parts machining control ABSTRACT With the development of the economy, microelectr

4、onic technology、computer technology 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 developmen

5、t of numerical control machine tools 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

6、 of its outstanding performance, 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

7、a core technology. Its control technology 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 const

8、antly improve CNC lathe machining 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

9、machine tools, CNC lathes, as well 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-p

10、recision, Software interpolation control, Accuracy 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 目录 III 目 录 摘摘 要要I ABSTRACTABSTRACTII 1 1 绪论绪论1 1.11.1 数控车床的研究意义数控车床的研究意义1 1.21.2 数控机床的基本工作原理数控机床的基本工作原理 1 1.31.3 数控车床的组成及数控车床的分类数控车床的组成及数控车床的分类 1 1.3.1 数控车床的组成 1 1.3.2 数控机床的分类 2 2 2 刀具对数控车床加工精度的影响刀具对数控车床加工精度的影响4 2.12.1 刀具几何参数对数控

11、车床加工精度的影响刀具几何参数对数控车床加工精度的影响 4 2.22.2 提高刀具的性能提高刀具的性能 6 2.32.3 提高刀具对零件的加工精度提高刀具对零件的加工精度 7 3 3 数控车床的制造精度数控车床的制造精度8 3.13.1 机床的几何制造精度机床的几何制造精度 8 3.23.2 如何提高机床导轨的制造精度如何提高机床导轨的制造精度 8 3.33.3 机床夹具对数控车床的影响机床夹具对数控车床的影响 8 3.43.4 工件的安装误差对数控的影响工件的安装误差对数控的影响 9 4 4 减少机床的热变形减少机床的热变形.10 5 5 数控车床的位移检测装置数控车床的位移检测装置.11

12、6 6 提高数控车床的系统精度提高数控车床的系统精度.13 6.16.1 位置精度的测量和补偿位置精度的测量和补偿 .13 6.1.1 反向偏差测量和补偿 .13 6.1.2 定位精度的测量和补偿 .15 6.26.2 数控车床的进给伺服系统数控车床的进给伺服系统 .16 6.36.3 数控机床采用高精度轨迹控制数控机床采用高精度轨迹控制 .17 6.3.1 基本措施 .17 6.3.2 数学模型 .18 6.3.3 实时插补计算 .18 6.3.4 算例分析 .19 6.3.5 实现高精度轨迹控制的双闭环控制方案 .19 6.46.4 数控车床信息化轨迹误差校正数控车床信息化轨迹误差校正 .

13、22 6.56.5 应用实例应用实例 .23 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 目录 IV 7 7 结论结论.24 参考文献参考文献25 致致 谢谢.26 论文原创性声明论文原创性声明27 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 1 绪论 1 1 绪论 1.1 数控车床的研究意义 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

14、度轨迹控制技术。因此，我们从高速高精度插补、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。 1.2 数控机床的基本工作原理 在普通机床上加工零件，是由操作者根据零件图纸的要求，不断改变刀具 与工件之间相对运动轨迹，由刀具对工件进行切削而加工出要求的零件。而在 数控机床上加工零件时，则是将被加工零件的加工顺序、工艺参数和机床运动 要求用数控语言编制出加工程序，然后输入到 CNC 装置，CNC 装置对加工程序 进行一系列处理后，向伺服系统发出执行指令，由伺服系统驱动机床移动

15、部件 运动，从而自动完成零件的加工。图 1.1 为数控机床的工作过程。 图 1.1 数控机床的工作过程 1.3 数控车床的组成及数控车床的分类 1.3.1 数控车床的组成 数控机床是采用数控技术对工作台运动和切削加工过和进行控制的机床， 是典型的机电一体化产品，典型数控机床的组成如图 1.2 所示。由图可见，数 控机床方要由程序编制、数控装置、伺服驱动系统、强电控制系统、检测反馈 系统和机床本体等六大部分，其中数控装置与伺服驱动系统、强电控制系统、 检测反馈系统又合称为数控系统。 零件 图纸 制成 零件 加工 程序 CNC 装置 伺服 系统 机床 部件 编制加工驱动命令 送入 重庆科技学院高等

16、教育自学考试本科毕业论文 1 绪论 2 图 1.2 数控机床的组成 1.3.2 数控机床的分类 （一）按数控机床的工艺用途分类 1.一般数控机床：是与普通机床工艺可行性相似的各种数控机床，其种类 与普通机床一样，如数控车床、数控铣床、数控刨床、数控磨床、数控钻床等。 2.加工中心：是带有刀库和自动换刀装置的数控机床。 3.特种数控机床：是装备了数控装置的特种加工机床，如数控线切割机床、 数控激光加工机床等。 （二）按数控机床的运动轨迹分类 1.点位控制数控机床：其数控装置只控制机床移动部件从一个位置（点） 移动到另一个位置（点） ，而不控制点到点之间的运动轨迹，刀具在移动过程中 不进行切削加工

17、。如数控钻床、数控冲床等。 2.直线控制数控机床：其数控装置除了要控制机床移动部件的起点和终点 的准确位置外，还要控制移动部件以适当速度沿平行于某一机床坐标轴方向或 与机床坐标轴成 450 的方向进行直线切削加工。如简易数控车床、简易数控磨 床等。 3.轮廓控制数控机床：其数控装置能够同时对两个或两个以上坐标轴进行 联动控制，从而实现曲线轮廓和曲面的加工。如具有两坐标或两坐标以上联动 的数控铣床、数控车床等。 （三）按伺服系统的控制方式分类 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 1 绪论 3 1.开环控制系统：指不带反馈的控制系统，即系统没有位置反馈元件，通 常以功率步进电机或电液伺服电机

18、作为执行机构。 2.半闭环控制系统：半闭环控制系统是在开环系统的丝杠上装有角位移检 测装置，通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的位移，然后反馈给数控装 置。 3.闭环控制系统：是在机床移动部件上直接装有位置检测装置，将测量的 结果直接反馈到数控装置中，与输入的指令位移进行比较，用偏差进行控制， 使移动部件按照实际的要求运动，最终实现精确定位。 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 2 刀具对数控车床加工精度的影响 4 2 刀具对数控车床加工精度的影响 2.1 刀具几何参数对数控车床加工精度的影响 刀具的制造误差对加工精度的影响，根据刀具种类不同而异。当采用定尺 寸刀具如钻头、铰刀、拉刀、

19、键槽铣刀等加工时，刀具的尺寸精度将直接影响 到工件的尺寸精度；当采用成形刀具如成形车 刀、成形铣刀等加工时，刀具的 形状精度将直接影响工件的形状精度；当采用展成刀具如齿轮滚刀、插齿刀等 加工时，刀刃的形状必须是加工表面的共轭曲线，因此刀刃的形状误差会影响 加工表面的形状精度；当采用一般刀具如车刀、镗刀、铣刀等的制造误差对零 件的加工精度并无直接影响，但其磨损对加工精度、表面粗糙度有直接的影响。 任何刀具在切削过程中都不可避免地要产生磨损，并由此引起工件尺寸和 形状误差。例如用成形刀具加工时，刀具刃口的不均匀磨损将直接复映到工件 上造成形状误差；在加工较大表面（一次走刀时间长）时，刀具的尺寸磨损

20、也 会严重影响工件的形状精度；用调整法加工一批工件时，刀具的磨损会扩大工 件尺寸的分散范围；刀具磨损使同一批工件的尺寸前后不一致。 在数控加工中，通常车刀会存在刀尖圆弧半径 r， 主偏角 kr，车刀刀尖距 零件中心高的偏差等刀具几何参数的影响，必定引起被加工零件的轴向尺寸误 差和径向尺寸误差，由此使得加工中的运行轨迹与被加工零件的表面形状产生 差异。因被加工零件表面形状各异，所以引起的差异也各不相同。 误差分析及改进方法 下面分析车刀刀尖圆弧半径对加工圆柱类零件表面形状引起的差异以及采 取的措施。 众所周知，被加工零件表面的成形是由车刀与零件表面接触间切点的运行 轨迹保证的。 对于主偏角 kr

21、=90 度的车削加工，参见图 2.1 示，被加工零件表面的轴向 尺寸由刀尖圆弧顶点 A 保证。 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 2 刀具对数控车床加工精度的影响 5 图 2.1 刀具几何参数对加工精度的影响 当(D-d)/2=apr 时，由图可知，由刀尖圆弧半径引起的轴向尺寸变化量 a 为 a =b-a=r 式中：b零件轴向尺寸;a实际轴向位移量;r 刀尖圆弧半径。 此时，刀具实际轴向位移是长度 a 为： a=b-a=b-r 当(D-d)/2=ap0.02mm，但没有补偿功能。对这类机床， 在某些场合下，可用编程法实现单向定位，清除反向间隙，在机械部分不变的 情况下，只要低速单向定位

22、到达插补起始点，然后再开始插补加工。插补进给 中遇反向时, 给反向间隙值再正式插补, 即可提高插补加工的精度，基本上可 以保证零件的公差要求。 对于其他类别的数控机床，通常数控装置内存中设有若干个地址，专供存 储各轴的反向间隙值。当机床的某个轴被指令改变运动方向时，数控装置会自 动读取该轴的反向间隙值，对坐标位移指令值进行补偿、修正，使机床准确地 定位在指令位置上，消除或减小反向偏差对机床精度的不利影响。 一般数控系统只有单一的反向间隙补偿值可供使用，为了兼顾高、低速的 运动精度，除了要在机械上做得更好以外，只能将在快速运动时测得的反向偏 差值作为补偿值输入，因此难以做到平衡、兼顾快速定位精度

23、和切削时的插补 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 6 提高数控车床的系统精度 15 精度。 对于 FANUC0i、FANUC18i 等数控系统，有用于快速运动(G00)和低速切削进 给运动(G01)的两种反向间隙补偿可供选用。根据进给方式的不同，数控系统自 动选择使用不同的补偿值，完成较高精度的加工。 将 G01 切削进给运动测得的反向间隙值 A 输入参数 NO11851(G01 的测试速 度可根据常用的切削进给速度及机床特性来决定)，将 G00 测得的反向间隙值 B 输入参数 NO11852。需要注意的是，若要数控系统执行分别指定的反向间隙补 偿，应将参数号码 1800 的第四位(R

24、BK)设定为 1；若 RBK 设定为 0，则不执行分 别指定的反向间隙补偿。G02、G03、JOG 与 G01 使用相同的补偿值。 6.1.2 定位精度的测量和补偿 数控机床的定位精度是指所测量的机床运动部件在数控系统控制下运动所 能达到的位置精度，是数控机床有别于普通机床的一项重要精度，它与机床的 几何精度共同对机床切削精度产生重要的影响，尤其对孔隙加工中的孔距误差 具有决定性的影响。一台数控机床可以从它所能达到的定位精度判出它的加工 精度，所以对数控机床的定位精度进行检测和补偿是保证加工质量的必要途径。 （1）定位精度的测定 目前多采用双频激光干涉仪对机床检测和处理分析，利用激光干涉测量原

25、 理，以激光实时波长为测量基准，所以提高了测试精度及增强了适用范围。检 测方法如下： 安装双频激光干涉仪； 在需要测量的机床坐标轴方向上安装光学测量装置； 调整激光头，使测量轴线与机床移动轴线共线或平行，即将光路预调准 直； 待激光预热后输入测量参数； 按规定的测量程序运动机床进行测量； 数据处理及结果输出。 （2）定位精度的补偿 若测得数控机床的定位误差超出误差允许范围，则必须对机床进行误差补 偿。常用方法是计算出螺距误差补偿表，手动输入机床 CNC 系统,从而消除定位 误差，由于数控机床三轴或四轴补偿点可能有几百上千点，所以手动补偿需要 花费较多时间，并且容易出错。 现在通过 RS232

26、接口将计算机与机床 CNC 控制器联接起来，用 VB 编写的自 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 6 提高数控车床的系统精度 16 动校准软件控制激光干涉仪与数控机床同步工作，实现对数控机床定位精度的 自动检测及自动螺距误差补偿，其补偿方法如下： 备份 CNC 控制系统中的已有补偿参数； 由计算机产生进行逐点定位精度测量的机床 CNC 程序,并传送给 CNC 系 统; 自动测量各点的定位误差； 根据指定的补偿点产生一组新的补偿参数,并传送给 CNC 系统,螺距自动 补偿完成； 重复进行精度验证。 根据数控机床各轴的精度状况,利用螺距误差自动补偿功能和反向间隙补偿 功能,合理地选择分配各

27、轴补偿点,使数控机床达到最佳精度状态,并大大提高了 检测机床定位精度的效率。 定位精度是数控机床的一个重要指标。尽管在用户购选时可以尽量挑选精 度高误差小的机床，但是随着设备投入使用时间越长，设备磨损越厉害，造成 机床的定位误差越来越大，这对加工和生产的零件有着致命的影响。采用以上 方法对机床各坐标轴的反向偏差、定位精度进行准确测量和补偿, 可以很好地 减小或消除反向偏差对机床精度的不利影响,提高机床的定位精度，使机床处于 最佳精度状态, 从而保证零件的加工质量。 6.2 数控车床的进给伺服系统 伺服系统是数控机床的重要组成部分，用于实现数控机床的进给伺服控制 和主轴伺服控制。伺服系统的作用是

28、把接受来自数控装置的指令信息，经功率 放大、整形处理后，转换成机床执行部件的直线位移或角位移运动。由于伺服 系统是数控机床的最后环节，其性能将直接影响数控机床的精度和速度等技术 指标，因此，对数控机床的伺服驱动装置，要求具有良好的快速反应性能，准 确而灵敏地跟踪数控装置发出的数字指令信号，并能忠实地执行来自数控装置 的指令，提高系统的动态跟随特性和静态跟踪精度。 伺服系统包括驱动装置和执行机构两大部分。驱动装置由主轴驱动单元、 进给驱动单元和主主轴伺服电动机、进给伺服电动机组成。步进电动机、直流 伺服电动机和交流伺服电动机，交流伺服电动机是常用的驱动装置。 测量元件将数控机床各坐标轴的实际位移

29、值检测出来并经反馈系统输入到 机床的数控装置中，数控装置对反馈回来的实际位移值与指令值进行比较，并 向伺服系统输出达到设定值所需的位移量指令。如图 6.1。 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 6 提高数控车床的系统精度 17 图 6.1 伺服系统结构图 6.3 数控机床采用高精度轨迹控制 高精度轨迹控制其核心思想是：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；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。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。高速高精度轨迹生成高精度

30、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。 6.3.1 基本措施 由采样插补原理可知，插补误差 (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 (mm)间有如下关系 (1) pf vf p 120 1 2 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遇到高速高精度 小曲率半径加工问题。为此，应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

31、，在当前曲 率半径为 50mm 时，仍能保证插补误差不大于 0.1m。 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 6 提高数控车床的系统精度 18 6.3.2 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，u0，1 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 x y=2u 1-M

32、(3) u 2 1 1 u 2 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 r 为圆弧半径。 r r r r r r r r 0 0 , 0 0 , 0 0 , 0 0 6.3.3 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 L。然后，按下式计算当前采样周期参变量的取值 (4) l u z y x uu ii 2 2 2 1 式中 ui-1上一采样周期参变量的取值 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文

33、6 提高数控车床的系统精度 19 参变量的摄动量 u 与对应的 x，y，z 的摄动量 zyx, u 最后将 ui 代入轨迹计算公式(2)，即可计算出插补轨迹上当前点的坐标值 xi，yi,zi。不断重复以上过程直至到达插补终点，即可得到整个离散化的插补 轨迹。需说明一点，按式(4)计算 ui 时允许有一定误差，此误差仅会对进给速 度有微小影响，不会对插补轨迹精度产生任何影响。这样，式中的开方运算可 用查表方式快速完成。 6.3.4 算例分析 表 1 给出了第一象限半径为 50mm 圆弧的插补计算结果。表中第一行为插补 点序号，u 行为各插补点处参变量的取值，x、y 行为各插补点的坐标值。为分 析

34、插补误差，将各插补点处的圆弧半径和插补直线段长度的实际值也一同列于 表中的 r 行和 L 行。 由表 6.1 可见，虽然插补过程中计算 ui 时产生的误差对插补点沿被插补曲 线前后位置的准确性有一定影响(L 值约有小于 1%的误差)，但各插补点处的 r 值总是 50.000，这说明插补点准确位于被插补曲线上，不存在轨迹误差。 表 6.1 圆弧插补计算结果(x,y,r，L 的单位为 mm) 插补 点 uxyrL 10.07949.3837.83150.0007.855 20.15947.54315.48250.0007.869 30.24144.52622.74750.0007.866 40.3

35、2640.41029.44650.0007.863 50.41535.29735.41350.0007.858 60.51129.31940.50250.0007.851 70.61422.62544.58850.0007.842 80.72815.38547.57450.0007.832 90.8557.78249.39150.0007.818 101.0000.00050.00050.0007.806 6.3.5 实现高精度轨迹控制的双闭环控制方案 通过高速高精度插补获得精确的刀具希望轨迹后，下一步的任务便是如何 保证刀具实际运动轨迹与插补产生的希望轨迹一致。为此需首先解决各运动坐 标的高

36、精度位置控制问题。 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 6 提高数控车床的系统精度 20 1 系统组成 常规全闭环机床位置控制系统的动态结构如图 6.2 所示。其设计思想是在 速度环的基础上加上位置外环来构成全闭环位置控制系统。根据电力拖动系统 的工程设计方法，设计此类系统时，位置控制器应选用 PI 或 PID 调节器，以使 系统获得较快的跟随性能。然而，因这类系统为高阶型系统，其开环频率特 性将与非线性环节的负倒幅曲线相交，从而使系统出现非线性自持振荡而无法 正常工作。这就使得这类系统难以在实际中广泛应用。 图 6.2 常规全闭环位置控制系统的动态结构 ni,no调速系统输入指令和输出

37、转速 Ki传动机构增益 为了克服常规全闭环位置控制系统存在的缺陷，必须打破以速度内环为基 础构造全闭环位置控制系统的传统理论的束缚，寻求新的在保证可靠稳定性的 基础上获得高精度的途径。经过多年探索，我们研究出一种新的转角-线位移双 闭环位置控制方法，由其构成的位置控制系统的动态结构如图 6.3 所示。该系 统的特点是：整个系统由内外两个位置环组成。其中内部闭环为转角位置闭环， 其检测元件为装于电机轴上的光电编码盘，驱动装置为交流伺服系统，由此构 成一输入为 i 输出为 o 的转角随动系统。外部位置闭环采用光栅、感应同 步器等线位移检测元件直接获取机床工作台的位移信息，并以内环的转角随动 系统为

38、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决定。 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 6 提高数控车床的系统精度 21 图 6.3 转角线位移双闭环位置控制系统的动态结构 该系统的设计思路是，内外环合理分工，内环主管动态性能，外环保证稳 定性和跟随精度。为提高系统的跟随性能，引入由 Gc(s)组成的前馈通道，构 成复合控制系统。 2 稳定性与误差分析 (1)稳定性分析 由于内部转角闭环不包含间隙非线性环节，因此通过合理设计该局部线性 系统，可使其成为一无超调的快速随动系统，其动态特性可近似表示为 (5) 1 0 ss s T K i 式中 K转角闭环增益 T转角闭环时间常数

39、 系统外环虽然包含了非线性环节，但设计控制器使 (6) s s K G p P 式中 Kp积分环节时间常数 将系统校正为型并合理选择系统增益，可避免系统的频率特性曲线与非 线性环节的负倒幅曲线相交或将其包围，从而保证系统稳定工作。显然当 T较 小时 o(s)/i(s)K，系统将具有更强的稳定性。 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 6 提高数控车床的系统精度 22 (2)跟随误差分析 采用上述方案可保证图 6.4 系统稳定工作，因此可忽略非线性因素的影响， 求出该系统的传递函数 (7) KK T K G k T K GK T k G fwp wcwP x S s s s S S s 1

40、1 11 系统设计时使反馈系数 Kf=1，前馈通道 (8) KKKK T G ww c ss 1 有 x(s)1 (9) 上式说明，双闭环系统具有理想的动态性能和跟随精度。 6.4 数控车床信息化轨迹误差校正 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获取信息 的准确程度。因此，进一步通过信息补偿有效提高检测装置的精度并使其不受 外部环境的影响，将为进一步提高坐标运动精度提供一条新的途径。为此采取 以下措施：对检测装置的误差及其与系统状态的关系进行精确测定并建立描述 误差关系的数学模型，加工过程中由数控系统根据有关状态信息(如工作台实际 位置、检测装置的温度等)按数学模型计算误差

41、补偿值，并据此对检测装置的测 量值进行实时校正，从而保证机床运动部件沿各自的坐标轴具有很高的运动精 度。 为在高精度坐标运动的基础上，获得高精度的多坐标合成轨迹，进一步采 用几何误差信息化校正方法。例如，对于机床 x、y 工作台的不垂直度误差，可 通过以下过程进行校正： 将一精密测头装入机床主轴，对固定于工作台上的标准样件(圆弧轮廓)进 行测量。当机床的 x、y 坐标间存在不垂直度误差时，所测的轨迹将不是一个准 确的圆。将此实测轨迹与标准轨迹相比较，即可求出 x、y 坐标间不垂直度误差 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 6 提高数控车床的系统精度 23 值。按该误差值对 x、y 坐标的

42、运动进行校正，即可使 x、y 合成运动轨迹达到 更高的精度。 将此原理用于其他几何误差的校正，即可有效提高多坐标运动的合成轨迹 精度。若在加工过程中插入上述校正过程，还可对温度变化引起的热变形误差 进行有效补偿。 6.5 应用实例 以高速高精度轨迹控制技术为基础，开发了一种新型计算机数控系统。某 用户用该系统控制 SKY1632 数控铣床，其加工性能有了明显提高。例如，有一 种复杂模具零件，被加工表面不但曲率变化剧烈，而且许多部位的曲率半径值 很小，过去用老型号系统控制机床进行加工时，必须采用很低的进给速度才能 保证加工精度，生产率很低。采用新型数控系统后，由于其对大曲率和曲率变 化的高度适应

43、能力，使得进给速度提高数倍后，仍能加工出合格的零件，从而 大幅度提高了生产率。此外，通过新型系统的控制，有效地抑制了机械传动误 差、时变切削力和温度变化等因素对加工精度的影响，较好解决了大程序量、 长时间(连续几十小时以上)加工中所存在的轨迹跑偏问题，提高了复杂零件的 加工质量。 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 7 结论 24 7 结论 本文针对开发高精度数控机床的需求，结合我国实际情况对我国数控车床 零件加工精度存在的现状问题与改革建议做的简要阐述，其中的许多观点也可 能尚有不当和值得商榷，总之，希望通过提高数控车床的导轨和主轴等的制造 精度，减少机床的热变形，提高刀具的性能，提高

44、位移检测装置的精度及分辨 率以及采用高精度轨迹控制等方法构成高精度数控车床。在这类数控车床中， 以高频高分辨率绝对式采样插补算法生成刀具希望轨迹，为实现高精度轨迹控 制奠定了信息基础。通过对机床运动部件进行双位置闭环控制，既有效抑制了 非线性因素的影响，保证了机床可靠稳定工作，又可获得较高的动态性能，由 于各坐标的位移精度由检测装置决定，因此能彻底的排除传动误差对刀具运动 轨迹精度的影响，有效保证了实际轨迹与希望轨迹保持一致。在此基础上，通 过信息化轨迹误差校正，能有效的提高数控车床检测装置的精度并抑制了几何 误差对轨迹精度的影响，从而使机床可在环境恶劣的生产条件中长期高精度稳 定运行。实际应

45、用证明，由高精度轨迹控制构成的数控机床在复杂精密零件加 工方面具有良好的效果。因此为提高数控机床的加工精度的探索寻求出一条有 效的途径。 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 参考文献 25 参考文献 1罗学科，谢富春, 数控原理与数控机 ，0-14 页，北京：化学工业出版社，2004 年 2何玉安主编, 数控技术及其应用 ，17-25 页，北京：机械工业出版社，2004 年 3朱晓春主编, 数控技术 ，85-126 页，北京：机械工业出版社，2004 年 4林宋，田建君, 现代数控机床 ，10-19 页，北京：化学工业出版社，2003 年 5王春海编著, 数字化加工技术 ，76-93 页

46、，北京：化学工业出版社，2003 年 6杨明华，论数控机床精度的检测，重庆：西南交通大学出版社，2009 年 7王侃夫著，数控机床故障诊断及维护 ，北京：机械工业出版社，2001 年 8孙伟著，数控设备故障诊断与维修技术 ，北京：国防工业出版社，2006 年 9王永章等编著，机床的数字控制技术 ，75-101 页，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 1995 年 10樊锐，数控刀具磨床体系结构研究 ，40-56 页，北京：北京航空航天大学，1995 年 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 致谢 26 致 谢 在四年的学习期间，曾得到各位师兄和师弟妹的关心和帮助，当然论文的 顺利完成也离不开刘老师的关心和帮助在此表示深深的感谢。没有你们的帮助 和支持是没有办法完成我的毕业论文的，同窗之间的友谊永远长存，师生的桃 李情谊永远长存。 27