(整理)数控机床高精度轨迹控制的一种新方法

数控机床高精度轨迹控制的一种新方法

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度轨迹控制技术。因此，我们近年来结合生产实际，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数控机床高精度轨迹控制的基本思想

随着科学技术的进步和社会经济的发展，对机床加工精度的要求越来越高。如果完全靠提高零部件制造精度和机床装配精度的传统方法来设计制造高精度数控机床，势必大幅度提高机床的成本，在有些情况下甚至不可能。面对这一现实，我们对以低成本实现高精度的途径进行了探索，提出一种通过信息、控制与机床结构相结合实现数控机床高精度轨迹控制的方法，其核心思想是：①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；②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。③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。

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。

2.1基本措施

由采样插补原理可知，插补误差δ(mm)与进给速度v f(mm/min)、插补频率f(Hz)和被插补曲线曲率半径ρ(mm)间有如下关系

(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碰到高速高精度小曲率半径加工问题。为此，我们在开发新型数控系统时，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，在当前曲率半径为50mm时，仍能保证插补误差不大于0.1μm。

2.2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，我们在开发高速高精度数控系统时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，u∈［0，1］

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

(3)

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

2.3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ΔL。

然后，按下式计算当前采样周期参变量的取值

(4)

式中u i-1——上一采样周期参变量的取值

——参变量的摄动量

——与

对应的x，y，z的摄动量

最后将u i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x i，y i,z i。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u i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。

2.4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ΔL行。

由表可见，虽然插补过程中计算u i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(ΔL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1圆弧插补计算结果(x,y,r，ΔL的单位为mm)

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。

图2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G c(s)组成的前馈通道，构成复合控制系统。

3.2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)

式中Kθ——转角闭环增益

Tθ——转角闭环时间常数

系统外环虽然包含了非线性环节，但设计控制器使

(6)

式中K p——积分环节时间常数

将系统校正为Ⅰ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［2］。显然当Tθ较小时θo(s)/θi(s)≈Kθ，系统将具有更强的稳定性。

(2)跟随误差分析

采用上述方案可保证图2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)

系统设计时使反馈系数K f=1，前馈通道

(8)

有

Φx(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。

4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补偿值，并据此对检