數(shù)控機(jī)床是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造技術(shù)的重要基礎(chǔ)裝備，它關(guān)系到國(guó)家發(fā)展的戰(zhàn)略地位。因此，立足國(guó)內(nèi)實(shí)際，加速發(fā)展具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)能力的國(guó)產(chǎn)高精度數(shù)控機(jī)床，不斷擴(kuò)大市場(chǎng)占有率，逐步收復(fù)失地，便成為我國(guó)數(shù)控機(jī)床研究開(kāi)發(fā)部門(mén)和生產(chǎn)廠家所面臨的重要任務(wù)。為完成這一任務(wù)，必須攻克若干關(guān)鍵技術(shù)，但其中最關(guān)鍵的一項(xiàng)是數(shù)控機(jī)床的高精度軌跡控制技術(shù)。因此，我們近年來(lái)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，從高速高精度插補(bǔ)、高速高精度伺服控制和信息化軌跡校正等諸方面，對(duì)高速高精度軌跡控制技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并以此為基礎(chǔ)加強(qiáng)了新型數(shù)控系統(tǒng)和高精度數(shù)控機(jī)床的開(kāi)發(fā)。
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)機(jī)床加工精度的要求越來(lái)越高。如果完全靠提高零部件制造精度和機(jī)床裝配精度的傳統(tǒng)方法來(lái)設(shè)計(jì)制造高精度數(shù)控機(jī)床，勢(shì)必大幅度提高機(jī)床的成本，在有些情況下甚至不可能。面對(duì)這一現(xiàn)實(shí)，我們對(duì)以低成本實(shí)現(xiàn)高精度的途徑進(jìn)行了探索，提出一種通過(guò)信息、控制與機(jī)床結(jié)構(gòu)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床高精度軌跡控制的方法，其核心思想是：
①采用具有高分辨率和高采樣頻率的新型插補(bǔ)技術(shù)，在保證速度的前提下大幅度提高軌跡生成精度；
②通過(guò)新型雙位置閉環(huán)控制，有效保證希望軌跡的高精度實(shí)現(xiàn)。
③以信息化軌跡校正消除機(jī)械誤差和干擾對(duì)軌跡精度的影響，從而保證所控制的機(jī)床可在生產(chǎn)環(huán)境中長(zhǎng)期高精度運(yùn)行。
高精度軌跡生成是實(shí)現(xiàn)高精度軌跡控制的基礎(chǔ)。為既保證高的進(jìn)給速度，又達(dá)到高的軌跡精度，一種有效的辦法就是提高采樣插補(bǔ)頻率?？紤]到在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床上將經(jīng)常碰到高速高精度小曲率半徑加工問(wèn)題。通過(guò)高速高精度插補(bǔ)獲得精確的刀具希望軌跡后，下一步的任務(wù)便是如何保證刀具實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與插補(bǔ)產(chǎn)生的希望軌跡一致。為此需首先解決各運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的高精度位置控制問(wèn)題。
常規(guī)全閉環(huán)機(jī)床位置控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)思想是在速度環(huán)的基礎(chǔ)上加上位置外環(huán)來(lái)構(gòu)成全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。根據(jù)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)此類(lèi)系統(tǒng)時(shí)，位置控制器應(yīng)選用PI或PID調(diào)節(jié)器，以使系統(tǒng)獲得較快的跟隨性能。然而，因這類(lèi)系統(tǒng)為高階Ⅱ型系統(tǒng)，其開(kāi)環(huán)頻率特性將與非線性環(huán)節(jié)的負(fù)倒幅曲線相交，從而使系統(tǒng)出現(xiàn)非線性自持振蕩而無(wú)法正常工作。這就使得這類(lèi)系統(tǒng)難以在實(shí)際中廣泛應(yīng)用。
為了克服常規(guī)全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)存在的缺陷，必須打破以速度內(nèi)環(huán)為基礎(chǔ)構(gòu)造全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)理論的束縛，尋求新的在保證可靠穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上獲得高精度的途徑。經(jīng)過(guò)多年探索，我們研究出一種新的轉(zhuǎn)角-線位移雙閉環(huán)位置控制方法，由其構(gòu)成的位置控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是：整個(gè)系統(tǒng)由內(nèi)外兩個(gè)位置環(huán)組成。其中內(nèi)部閉環(huán)為轉(zhuǎn)角位置閉環(huán)，其檢測(cè)元件為裝于電機(jī)軸上的光電編碼盤(pán)，驅(qū)動(dòng)裝置為交流伺服系統(tǒng)，由此構(gòu)成一輸入為θi輸出為θo的轉(zhuǎn)角隨動(dòng)系統(tǒng)。外部位置閉環(huán)采用光柵、感應(yīng)同步器等線位移檢測(cè)元件直接獲取機(jī)床工作臺(tái)的位移信息，并以?xún)?nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)角隨動(dòng)系統(tǒng)為驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。工作臺(tái)的位移精度由線位移檢測(cè)元件決定。
在雙位置閉環(huán)控制下，機(jī)床坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的精度主要取決于檢測(cè)裝置獲取信息的準(zhǔn)確程度。因此，進(jìn)一步通過(guò)信息補(bǔ)償有效提高檢測(cè)裝置的精度并使其不受外部環(huán)境的影響，將為進(jìn)一步提高坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)精度提供一條新的途徑。為此采取以下措施：對(duì)檢測(cè)裝置的誤差及其與系統(tǒng)狀態(tài)的關(guān)系進(jìn)行精確測(cè)定并建立描述誤差關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，加工過(guò)程中由數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)有關(guān)狀態(tài)信息(如工作臺(tái)實(shí)際位置、檢測(cè)裝置的溫度等)按數(shù)學(xué)模型計(jì)算誤差補(bǔ)償值，并據(jù)此對(duì)檢測(cè)裝置的測(cè)量值進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，從而保證機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件沿各自的坐標(biāo)軸具有很高的運(yùn)動(dòng)精度。將此原理用于其他幾何誤差的校正，即可有效提高多坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的合成軌跡精度。若在加工過(guò)程中插入上述校正過(guò)程，還可對(duì)溫度變化引起的熱變形誤差進(jìn)行有效補(bǔ)償。
本文針對(duì)開(kāi)發(fā)高精度數(shù)控機(jī)床的需求，研究出一種新的高精度軌跡控制方法，并以此為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)了新型數(shù)控系統(tǒng)。在這類(lèi)新型系統(tǒng)中，以高頻高分辨率絕對(duì)式插補(bǔ)算法生成刀具希望軌跡，為實(shí)現(xiàn)高精度軌跡控制奠定了信息基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行雙位置閉環(huán)控制，既有效抑制了非線性因素的影響，保證了機(jī)床可靠穩(wěn)定工作，又可獲得較高的動(dòng)態(tài)性能，并使各坐標(biāo)的位移精度由檢測(cè)裝置決定，徹底排除了傳動(dòng)誤差對(duì)刀具運(yùn)動(dòng)軌跡精度的影響，有效保證了實(shí)際軌跡與希望軌跡一致。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)信息化誤差校正，有效提高了檢測(cè)裝置的精度并抑制了幾何誤差對(duì)軌跡精度的影響，從而使由此構(gòu)成的新型機(jī)床可在生產(chǎn)環(huán)境中長(zhǎng)期高精度運(yùn)行。由新型控制系統(tǒng)控制的數(shù)控機(jī)床在復(fù)雜精密零件加工方面具有良好的效果。該項(xiàng)成果為提高數(shù)控機(jī)床的加工精度與速度探索出一條有效的途徑。
