數控機床是實現先進製造技術的重要基礎裝備，它關係到國家發展的戰略地位。因此，立足國內實際，加速發展具有（yǒu）較強競爭（zhēng）能力（lì）的國產高精（jīng）度數控機床，不斷擴大市場占有率，逐步收（shōu）複失地（dì），便成為我國數控（kòng）機床研究開（kāi）發部門和生產廠家所麵臨的重（chóng）要任務。為完成這一任務，必須攻克（kè）若幹關鍵技術，但其中最關鍵的一項是數控（kòng）機床的（de）高精度軌跡控製技術。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 伺服控製和信息（xī）化軌跡校正等諸方麵，對高速高精度軌跡控製技術進行了係統研究，並以此為基礎加強了新型數控係統和高精度數控機床的開發。

 
JASU H-630T 臥式加（jiā）工中心機床

    隨著科學技術（shù）的進步和社會經濟的發展，對機（jī）床加工精度的要（yào）求（qiú）越來越高。如（rú）果完全靠提高零部件製造精（jīng）度和機床裝配精度的傳統方法來設計製造高精度數控機床， 勢必大幅度提高（gāo）機床的成本，在有些情況下甚至不（bú）可能。麵對這一現實，我們對以低成本實現高精度的途徑進行了探索，提出一種通過信息（xī）、控製與機床結（jié）構相結合 實現數控（kòng）機（jī）床高精度軌跡控製的（de）方法，其核心思（sī）想是：

  ①采用具有高（gāo）分辨率和高采樣頻率（lǜ）的新型插補技術，在保證（zhèng）速（sù）度的前提下大幅度提高軌（guǐ）跡生成精度；
  ②通過（guò）新型雙位置（zhì）閉環控製，有效保證希望軌跡的高精度實現。
  ③以信息化軌跡（jì）校正消除機械誤差和幹擾對軌跡精度的影響（xiǎng），從而保證所控製的機床（chuáng）可在生產環境（jìng）中（zhōng）長期（qī）高精度運行。

    高精度軌跡生成是實現（xiàn）高精度軌跡控製（zhì）的基礎。為既保（bǎo）證高（gāo）的進（jìn）給速度，又達到高的軌跡精度，一（yī）種有效的辦（bàn）法就是提高采（cǎi）樣插補頻率。考（kǎo）慮到在現代數控機床上將（jiāng） 經常碰到高速高精度小曲率半（bàn）徑加工問題。通過高速高精度插補獲得精確的刀（dāo）具希望軌跡後，下一步的任（rèn）務便是如何保證刀具實際運動軌跡與插補產生的希望（wàng）軌跡一 致。為（wéi）此需首先解決各運動坐標的高精度位置控製問題。

   常規全（quán）閉環機床位置控製係統的動態結構，其設計思想是在速度環的基礎上加上位置外環來構成全（quán）閉環位置控（kòng）製係（xì）統（tǒng）。根據電力拖動係統的工程設計方 法，設計此類係統時，位置控製器應選用PI或PID調節（jiē）器，以使係統獲（huò）得較快的跟隨性（xìng）能。然而，因這類係統為高階Ⅱ型係統，其開環頻率特性將與非線性環節 的負（fù）倒幅曲線相交，從而使係統（tǒng）出現非（fēi）線性自持（chí）振蕩而無（wú）法正常工作。這就使得這類係統難以（yǐ）在實際中廣泛應用。

    為了克服常規（guī）全閉環位置（zhì）控製係統存在的缺（quē）陷，必須打破以速度內環為基礎構造全（quán）閉環位置控製係統的傳統理論的（de）束縛，尋求新的在保證可（kě）靠穩定性的基礎上獲（huò）得高 精度的途（tú）徑。經過多年（nián）探索，我們研究出一種（zhǒng）新的轉角-線位（wèi）移（yí）雙閉環位置（zhì）控製方法，由其構成的位置控製係統的動（dòng）態結構。該係統的特點是（shì）：整個係統由內外兩個 位置環組成。其中內部閉環為轉角位置閉環，其檢測（cè）元（yuán）件為裝於電機軸上的光電編碼盤，驅動裝置為（wéi）交流伺服係統，由此構成一輸（shū）入為θi輸出為θo的轉角隨（suí）動係（xì） 統。外部位置閉環采用光柵、感（gǎn）應同步器等線位移檢測元件直接獲取機床工作台的位移（yí）信息，並以內環的轉角隨動係統為驅動裝置驅（qū）動（dòng）工作台運動。工作台（tái）的位移精 度由線位移檢測元件決定。

　　在雙位置閉環控製下（xià），機（jī）床坐標運動的精度主要取決於檢測裝置獲取（qǔ）信息的準確（què）程度。因此，進一步通過信息補償有效提（tí）高檢測裝置的精度並使其不受外 部環境（jìng）的影響，將為進一步提高坐標運動精度提供（gòng）一條（tiáo）新的途徑。為（wéi）此采取以下措（cuò）施：對檢測裝置的誤（wù）差及其與係統狀態的（de）關係（xì）進行精確測定並建立（lì）描述誤差關係的 數學模型（xíng），加工過程中由數控係統（tǒng）根據有關狀態信息(如工（gōng）作（zuò）台實際位置、檢測裝（zhuāng）置的溫度等)按數學模型計算誤差補（bǔ）償值，並據此對檢測裝置的（de）測量值進（jìn）行實時校正，從而（ér）保證機床運動部件（jiàn）沿各（gè）自的坐標軸具有很高的（de）運動精度。將此原理用於其他幾何誤差的校（xiào）正，即可有效提高多（duō）坐標運動的合成軌（guǐ）跡精度。若在加工過程（chéng）中插 入上述校正過程，還可（kě）對溫度變化引起的熱變形誤（wù）差進行（háng）有效補償。

   本文針對開發高精度數控機（jī）床的需求，研究出一種新的高精度軌（guǐ）跡控製方法，並以（yǐ）此為基礎開發了新型數控係統。在這類新型係統中，以高頻高分辨率（lǜ）絕對式插 補算法生成刀具希望軌跡，為實現高精度軌跡控製奠定了信息（xī）基礎。通過對機床運動部件進行雙位（wèi）置閉（bì）環控製，既有效抑製了非（fēi）線性因素的影（yǐng）響，保證了機床可靠穩 定（dìng）工作，又可獲得（dé）較高的動態性能，並使各坐標的位移精度由檢（jiǎn）測裝置決定，徹底排除了傳動（dòng）誤差對（duì）刀具運（yùn）動軌跡精度（dù）的（de）影響（xiǎng），有（yǒu）效保證了實（shí）際軌跡與希（xī）望軌跡一 致。在此基礎上（shàng），通過（guò）信息化誤差（chà）校正，有效提高了檢測裝置的精度並抑製了幾何誤差（chà）對軌跡精度的影響，從而使由此構（gòu）成（chéng）的新型機床可在生產環境中（zhōng）長期高精度（dù）運 行。由新型控製係統控製的數控（kòng）機床在複雜（zá）精密零（líng）件加工方麵具（jù）有良好的效果。該項成果為提高數（shù）控（kòng）機床的加工精度與（yǔ）速度探索（suǒ）出一（yī）條有效的途徑。

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