數(shù)控機床是實現(xiàn)先進制造技術的重要基礎裝備，它關系到國家發(fā)展的戰(zhàn)略地位。因此，立足國內實際，加速發(fā)展具有較強競爭能力的國產(chǎn)高精度數(shù)控機床，不斷擴大市場占有率，逐步收復失地，便成為我國數(shù)控機床研究開發(fā)部門和生產(chǎn)廠家所面臨的重要任務。為完成這一任務，必須攻克若干關鍵技術，但其中最關鍵的一項是數(shù)控機床的高精度軌跡控制技術。因此，我們近年來結合生產(chǎn)實際，從高速高精度插補、高速高精度伺服控制和信息化軌跡校正等諸方面，對高速高精度軌跡控制技術進行了系統(tǒng)研究，并以此為基礎加強了新型數(shù)控系統(tǒng)和高精度數(shù)控機床的開發(fā)。
隨著科學技術的進步和社會經(jīng)濟的發(fā)展，對機床加工精度的要求越來越高。如果完全靠提高零部件制造精度和機床裝配精度的傳統(tǒng)方法來設計制造高精度數(shù)控機床，勢必大幅度提高機床的成本，在有些情況下甚至不可能。面對這一現(xiàn)實，我們對以低成本實現(xiàn)高精度的途徑進行了探索，提出一種通過信息、控制與機床結構相結合實現(xiàn)數(shù)控機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技術，在保證速度的前提下大幅度提高軌跡生成精度；
②通過新型雙位置閉環(huán)控制，有效保證希望軌跡的高精度實現(xiàn)。
③以信息化軌跡校正消除機械誤差和干擾對軌跡精度的影響，從而保證所控制的機床可在生產(chǎn)環(huán)境中長期高精度運行。
高精度軌跡生成是實現(xiàn)高精度軌跡控制的基礎。為既保證高的進給速度，又達到高的軌跡精度，一種有效的辦法就是提高采樣插補頻率?？紤]到在現(xiàn)代數(shù)控機床上將經(jīng)常碰到高速高精度小曲率半徑加工問題。通過高速高精度插補獲得精確的刀具希望軌跡后，下一步的任務便是如何保證刀具實際運動軌跡與插補產(chǎn)生的希望軌跡一致。為此需首先解決各運動坐標的高精度位置控制問題。
常規(guī)全閉環(huán)機床位置控制系統(tǒng)的動態(tài)結構，其設計思想是在速度環(huán)的基礎上加上位置外環(huán)來構成全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。根據(jù)電力拖動系統(tǒng)的工程設計方法，設計此類系統(tǒng)時，位置控制器應選用PI或PID調節(jié)器，以使系統(tǒng)獲得較快的跟隨性能。然而，因這類系統(tǒng)為高階Ⅱ型系統(tǒng)，其開環(huán)頻率特性將與非線性環(huán)節(jié)的負倒幅曲線相交，從而使系統(tǒng)出現(xiàn)非線性自持振蕩而無法正常工作。這就使得這類系統(tǒng)難以在實際中廣泛應用。
為了克服常規(guī)全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)存在的缺陷，必須打破以速度內環(huán)為基礎構造全閉環(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)定性的基礎上獲得高精度的途徑。經(jīng)過多年探索，我們研究出一種新的轉角-線位移雙閉環(huán)位置控制方法，由其構成的位置控制系統(tǒng)的動態(tài)結構。該系統(tǒng)的特點是：整個系統(tǒng)由內外兩個位置環(huán)組成。其中內部閉環(huán)為轉角位置閉環(huán)，其檢測元件為裝于電機軸上的光電編碼盤，驅動裝置為交流伺服系統(tǒng)，由此構成一輸入為θi輸出為θo的轉角隨動系統(tǒng)。外部位置閉環(huán)采用光柵、感應同步器等線位移檢測元件直接獲取機床工作臺的位移信息，并以內環(huán)的轉角隨動系統(tǒng)為驅動裝置驅動工作臺運動。工作臺的位移精度由線位移檢測元件決定。
在雙位置閉環(huán)控制下，機床坐標運動的精度主要取決于檢測裝置獲取信息的準確程度。因此，進一步通過信息補償有效提高檢測裝置的精度并使其不受外部環(huán)境的影響，將為進一步提高坐標運動精度提供一條新的途徑。為此采取以下措施：對檢測裝置的誤差及其與系統(tǒng)狀態(tài)的關系進行精確測定并建立描述誤差關系的數(shù)學模型，加工過程中由數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)有關狀態(tài)信息(如工作臺實際位置、檢測裝置的溫度等)按數(shù)學模型計算誤差補償值，并據(jù)此對檢測裝置的測量值進行實時校正，從而保證機床運動部件沿各自的坐標軸具有很高的運動精度。將此原理用于其他幾何誤差的校正，即可有效提高多坐標運動的合成軌跡精度。若在加工過程中插入上述校正過程，還可對溫度變化引起的熱變形誤差進行有效補償。
本文針對開發(fā)高精度數(shù)控機床的需求，研究出一種新的高精度軌跡控制方法，并以此為基礎開發(fā)了新型數(shù)控系統(tǒng)。在這類新型系統(tǒng)中，以高頻高分辨率絕對式插補算法生成刀具希望軌跡，為實現(xiàn)高精度軌跡控制奠定了信息基礎。通過對機床運動部件進行雙位置閉環(huán)控制，既有效抑制了非線性因素的影響，保證了機床可靠穩(wěn)定工作，又可獲得較高的動態(tài)性能，并使各坐標的位移精度由檢測裝置決定，徹底排除了傳動誤差對刀具運動軌跡精度的影響，有效保證了實際軌跡與希望軌跡一致。在此基礎上，通過信息化誤差校正，有效提高了檢測裝置的精度并抑制了幾何誤差對軌跡精度的影響，從而使由此構成的新型機床可在生產(chǎn)環(huán)境中長期高精度運行。由新型控制系統(tǒng)控制的數(shù)控機床在復雜精密零件加工方面具有良好的效果。該項成果為提高數(shù)控機床的加工精度與速度探索出一條有效的途徑。
