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高速高精度數控機床聯動控制技術及規(guī)劃方法

發(fā)布時間:2020-02-01  發(fā)布者:禹創(chuàng)重工機械
多軸聯動是數控機床與普通機床的本質區(qū)別。在多軸聯動高速加工過程中,各進給軸絕大多數時間處在頻繁加減速運動狀態(tài)下,勻速運動所占比例很小,而且各軸之間的運動狀態(tài)和運動性能又各不相同,這就導致對多軸聯動過程的目標軌跡控制變得困難。因此,在高速高加速運動下實現聯動控制是數控機床面臨的主要挑戰(zhàn),下面主要從機械系統(tǒng)、伺服驅動系統(tǒng)和數控系統(tǒng)3個方面闡述其聯動控制的核心技術問題。
機械系統(tǒng)是聯動控制的對象,作為機床傳動、支撐和導向的主體,在結構上主要有單直線軸、轉擺臺、轉擺頭、結構禍合多直線軸等多種形式,組成上主要包括基礎大件、移動部件和各類動靜結合部,其系統(tǒng)動態(tài)特性取決于各種組成零部件動態(tài)特性及各類動靜結合部的物理特性,而其特性好壞又直接決定了伺服進給系統(tǒng)的控制性能。在高速高加速條件下,機械系統(tǒng)結構形式的分布位置變化、移動部件的速度和加速度變化和所受負載的變化,都會造成機械系統(tǒng)動態(tài)特性較準靜態(tài)發(fā)生改變。
因此,機械環(huán)節(jié)面臨的核心問題是要分析系統(tǒng)零部件和動靜結合部在不同位移/姿態(tài)和運動狀態(tài)(速度、加速度)下所受到的移動部件重力、加工切削力、預緊力、摩擦力和慣性力等多源力以及其物理行為特性,實現系統(tǒng)全工作狀態(tài)下的動力學性能定量計算與分析,進而對機械系統(tǒng)結構形式、零部件布局和尺寸參數以及裝配過程參數等進行主動設計。
伺服驅動系統(tǒng)是進給系統(tǒng)的能量輸入環(huán)節(jié),是實現進給系統(tǒng)運動的動力源。由于電機結構非線性和驅動電路非線性,直線電機及旋轉伺服電機輸出的力矩并不是名義指令力矩,而是存在多階干擾諧波成分。在高速高加速場合,進給軸處于不斷加減速或頻繁換向狀態(tài),此時伺服進給系統(tǒng)的跟隨誤差受到數控指令頻寬、伺服系統(tǒng)帶寬以及伺服參數的共同影響,僅靠調整伺服參數無法減小跟隨誤差和其運動性能。此外,在多軸聯動加工場合,由于各軸的伺服特性、機械特性各不相同,數控系統(tǒng)分配給各軸的指令也不相同,導致各軸跟隨誤差不協(xié)調,造成聯動精度下降。因此,伺服驅動系統(tǒng)面臨的核心問題是研究電機結構非線性(磁鏈諧波、三相繞組不對稱、繞組匝間短路故障、齒槽效應及直線電機特有的端部效應等)和驅動電路存在非線性(三相驅動電壓不對稱、寄生電容、死區(qū)效應以及電流傳感器反饋誤差等)因素對電機力/力矩特J睦的影響機制,提出基于諧波特征的補償策略,實現中間解禍,并根據位移波動的允差設計出控制策略。另外,需研究加減速段伺服進給系統(tǒng)跟隨誤差的形成機制,提出相應的伺服控制方法,提高單軸控制精度和多軸聯動精度。
數控系統(tǒng)是數控機床的控制核心,是實現前瞻、加減速和插補、規(guī)劃進給速度以及輸出控制指令。傳統(tǒng)插補器是基于恒進給速度設計,加速度不連續(xù),易對伺服進給系統(tǒng)產生沖擊,引起系統(tǒng)振動。為了生成平滑的指令速度和加速度,以樣條插補技術和小線段連續(xù)插補技術為代表的加速度連續(xù)或限制插補技術了發(fā)展和應用。但是,這些方法沒有考慮到伺服進給系統(tǒng)的特性和機械慣性作用,在高速高精場合下,伺服系統(tǒng)和機械系統(tǒng)無法準確及時復現指令輸入。因此,數控技術的核心問題是考慮伺服驅動、進給系統(tǒng)機械特性的速度規(guī)劃和聯動控制策略,此外還需考慮結構禍合對各軸運動的影響,通過分析加速度、慣性力與目標點軌跡偏差之間的關系,將加速度作為優(yōu)化目標,提出的速度規(guī)劃方法。
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