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數控機床的系統講解與減少機床熱誤差方法
閱讀：1207 發布時間：2022-5-18數控系統是數控機床的控制核心，是實現前瞻、加減速和插補、規劃進給速度以及輸出控制指令。傳統插補器是基于恒進給速度設計，加速度不連續，易對伺服進給系統產生沖擊，引起系統振動。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插補技術為代表的加速度連續或限制插補技術了發展和應用。但是，這些方法沒有考慮到伺服進給系統的特性和機械慣性作用，在高速高精場合下，伺服系統和機械系統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、進給系統機械特性的速度規劃和聯動控制策略，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，將加速度作為優化目標，提出的速度規劃方法。
多軸聯動是數控機床與普通機床的本質區別。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下，勻速運動所占比例很小，而且各軸之間的運動狀態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，在高速運動下實現聯動控制是數控機床面臨的主要挑戰，下面主要從機械系統、伺服驅動系統和數控系統3個方面闡述其聯動控制的核心技術問題。
機械系統是聯動控制的對象，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，其系統動態特性取決于各種組成零部件動態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的控制性能。
在高速條件下，機械系統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，都會造成機械系統動態特性較準靜態發生改變。因此，機械環節面臨的核心問題是要分析系統零部件和動靜結合部在不同位移/姿態和運動狀態(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，實現系統全工作狀態下的動力學性能定量計算與分析，進而對機械系統結構形式、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。
伺服驅動系統是進給系統的能量輸入環節，是實現進給系統運動的動力源。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。在高速場合，進給軸處于不斷加減速或頻繁換向狀態，此時伺服進給系統的跟隨誤差受到數控指令頻寬、伺服系統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，數控系統分配給各軸的指令也不相同，導致各軸跟隨誤差不協調，造成聯動精度下降。因此，伺服驅動系統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*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。
要提高機床的精度和熱性能，在設計階段，從提高機床的熱特性、熱剛度入手，實現機床的主動熱控，從根本上提高機床的熱性能。雖然人們自20世紀40年代就已開始對機床熱特性進行研究，但是由于傳統機床在精度和速度上沒有現代制造要求的這么高，熱問題不嚴重，且由于機床及其部件類型和負載的多樣性、結構的復雜性以及機床溫度場和熱變形受多種因素的影響，故其研究一般都是針對具體機床，采用實驗研究法或數值模擬法，分析機床的各種熱源及其對機床溫度場的影響，在機床熱設計方面就形成了“頭疼醫頭、腳疼醫腳”的現象，沒有形成系統的理論、方法和分析工具，這顯然與當前機床高速發展的要求不相適應。
大量研究與加工實踐表明，對于高速機床，由熱變形引起的加工制造誤差所占的比例為40%~70%，熱問題已成為影響機床精度的關鍵因素。為了減小機床熱變形對加工精度和精度穩定性的影響，需要從設計、制造和使用等方面進行綜合分析與優化。減少機床熱誤差的主要方法有兩種：一是在設計階段提高機床的熱特性；二是在運行階段對機床進行熱誤差補償。目前常用的是在數控系統中根據熱變形進行熱誤差補償。熱誤差補償法在范圍內可提高加工精度，有助于降低設計制造成本。但是，它是一種被動的和事后補償的方法，其補償范圍和性具有的限制。當一個機床的熱特性比較差的時候，僅靠事后的熱補償是無法滿足加工精度要求的。