浅谈如何提高数控机床加工的精度
[摘要]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。
为了克服常规全闭不位置控制系统存在的缺陷、一经过多年探索，我们研究出一种新的转角一线位移双闭环位置控制方法。
该系统的特点是：整个系统由内外两个位置环组成。
[关键词]精度；希望轨迹；插补频率；补偿值
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。
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、控制与机床结构结合实现数控机床高精度轨迹控制的方法。
一、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。
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p ( mm ) 间有如下关系:
screen . widt 一400 ) this . style . width = screen . width - 400 ; \ > ( 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用插补频率提高到5KHZ，即插补周期为0.2ms。
既使要求进给速度达到60m/min,在当前曲率半径为50mm时仍能保持插补误差不大于0.1m。
2、数学模型
常规采样插补算法普遍采用递推形成，一般存在误差积效应。
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 = fl ( u ) , y ＝f2（u ) , Z = f3(u ) ( 2 )
式中η是参变量,η【O , l ]
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。
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。
二、实现高精度轨迹控制的双闭环控制方案能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精度位置控制问题。
1、系统组成
为了克服常规全闭不位置控制系统存在的缺陷、一经过多年探索，我们研究出一种新的转角一线位移双闭环位置控制方法。
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值闭环，共检侧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01 输出为00 煌转角随动系统。
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。
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
( l ）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
screen . width 一400 ) this . tyle . width = scteen . width 一400 ; \ >( 5 ）式中KO ― 转角闭环增益
Te ― 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
screen . width 一400 ) this . styls . width = scree. width 一400 \＞( 6 ）式中Kp ― 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。
显然当Te 较小时eo ( S ) / 01 ( S ) Ke ，系统将具有更强的稳定性。
( 2 ）跟随误差分
采用上述方案可保证系统稳定工作，因此可忽略非线性因素的影响，求出该出该系统的传递函数双闭环系统具有理想的动态性能和跟随精度。
三、信息化轨迹误差校正
在双位置闭环控制下，为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，可采取以下措施：‘对检侧装置的误差及其与系统状态的突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，并据此对检测装置的测量值进行实时校正，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。