数控车床轴类零件加工的精确度控制

1、高等教育自学考试本科毕业论文数控车床轴类零件加工的精确度控制设计考生姓名： 陈前程 准考证号： 011809103361 专业层次： 本科 院 （系）： 机械与电子工程 指导教师： 张下炼 职 称： 讲师 重庆科技学院二O一二年一月三十日高等教育自学考试本科毕业论文数控车床轴类零件加工的精确度控制设计考生姓名： 陈前程 准考证号： 011809103361 专业层次： 本科 指导教师： 张下炼 院 （系）：机械与电子工程学院重庆科技学院二O一二年一月三十日重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 中文摘要摘 要随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，数控车

2、床的高频高分辨率采样插补技术已经进入一个崭新的时代，其应用越来越广。随着人们对其要求的提高，数控技术得到了快速发展，数控机床及由数控机床组成的制造系统是改造传统产业、构建数字化企业的重要基础装备，它的发展一直备受人们关注。数控机床以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，它开创了机械产品向机电一体化发展的先河，因此数控技术成为了先进制造技术中的一项核心技术。其控制技术从最初的开环控制发展到全闭环控制，精度有很大的提高。但是，数控车床在加工复杂高精度零件的时候还未完全满足要求，因此必须通过持续的研究，不断的提高数控车床对零件的加工精度。本文在已有的普通数控车床

3、加工基础上，采用提高刀具的性能、提高数控车床的制造精度、提高数控车床的位移检测装置的精度、减少机床的热变形、数控车床有关精度的一些补偿以及高精度软件插补的轨迹控制等方法提高了数控车床加工零件的精确度，并使数控车床达到了较为理想的控制效果。关键词：数控车床,制造精度,软件插补控制,精确度I重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 英文摘要CNC precision parts machining controlABSTRACTWith the development of the economy, microelectronic technology、computer technology an

4、d the automatic theory are developed rapidly, CNC lathe, high-frequency high-resolution sampling interpolation technology has entered a new era, its application more widely. As people increase their claims, numerical control technology has been rapid development of numerical control machine tools an

5、d CNC machine tools from the manufacturing system consisting of the transformation of traditional industries, to build an important foundation for the digital business equipment, its development has been much attention. CNC machine tools for flexible automation of its outstanding performance, excell

6、ent and stable accuracy, agile and diverse functions and aroused attention, it created the machinery to set a precedent for the development of mechanical and electrical integration, it became a numerical control technology, advanced manufacturing technology of a core technology. Its control technolo

7、gy from the initial open-loop control developed to the full closed-loop control, precision greatly improved. However, high-precision CNC lathe parts in the processing time has not yet fully meet the requirements, it must be through sustained research, and constantly improve CNC lathe machining accur

8、acy of parts. The article has been based on the general CNC lathe, Used to improve the performance of tools to improve manufacturing precision CNC lathes, CNC lathes to improve the accuracy of displacement detection devices to reduce the thermal deformation of machine tools, CNC lathes, as well as c

9、ompensation for the accuracy of some of the high-precision trajectory control software interpolation method improves the numerical precision lathe machining parts, CNC lathe and to achieve a more satisfactory control effect.Keywords: CNC-Lathe, Manufacturing-precision, Software interpolation control

10、, AccuracyIV重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 目录目 录摘 要IABSTRACTII1绪论11.1 数控车床的研究意义11.2数控机床的基本工作原理11.3数控车床的组成及数控车床的分类11.3.1数控车床的组成11.3.2数控机床的分类22刀具对数控车床加工精度的影响42.1刀具几何参数对数控车床加工精度的影响42.2提高刀具的性能62.3提高刀具对零件的加工精度73数控车床的制造精度83.1机床的几何制造精度83.2如何提高机床导轨的制造精度83.3机床夹具对数控车床的影响83.4工件的安装误差对数控的影响94减少机床的热变形105数控车床的位移检测装置116提高数控车

11、床的系统精度136.1位置精度的测量和补偿136.1.1反向偏差测量和补偿136.1.2定位精度的测量和补偿156.2数控车床的进给伺服系统166.3数控机床采用高精度轨迹控制176.3.1基本措施176.3.2数学模型186.3.3实时插补计算186.3.4算例分析196.3.5实现高精度轨迹控制的双闭环控制方案196.4数控车床信息化轨迹误差校正226.5应用实例237结论24参考文献25致 谢26论文原创性声明27重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 1绪论1绪论1.1 数控车床的研究意义数控机床是实现先进制造技术的重要基础装备，它关系到国家发展的战略地位。因此，立足国内实际，加速发

12、展具有较强竞争能力的国产高精度数控机床，不断扩大市场占有率，逐步收复失地，便成为我国数控机床研究开发部门和生产厂家所面临的重要任务为完成这一任务，必须攻克若干关键技术，但其中最关键的一项是数控机床的高精度轨迹控制技术。因此，我们从高速高精度插补、高速高精度伺服控制和信息化轨迹校正等诸方面，对高速高精度轨迹控制技术进行了系统研究，并以此为基础加强了新型数控系统和高精度数控机床的开发。本文将介绍所取得的部分结果。1.2数控机床的基本工作原理在普通机床上加工零件，是由操作者根据零件图纸的要求，不断改变刀具与工件之间相对运动轨迹，由刀具对工件进行切削而加工出要求的零件。而在数控机床上加工零件时，则是将

13、被加工零件的加工顺序、工艺参数和机床运动要求用数控语言编制出加工程序，然后输入到CNC装置，CNC装置对加工程序进行一系列处理后，向伺服系统发出执行指令，由伺服系统驱动机床移动部件运动，从而自动完成零件的加工。图1.1为数控机床的工作过程。零件图纸制成零件加工程序CNC装置伺服系统机床部件编制加工驱动命令送入图1.1 数控机床的工作过程1.3数控车床的组成及数控车床的分类1.3.1数控车床的组成数控机床是采用数控技术对工作台运动和切削加工过和进行控制的机床，是典型的机电一体化产品，典型数控机床的组成如图1.2所示。由图可见，数控机床方要由程序编制、数控装置、伺服驱动系统、强电控制系统、检测反馈

14、系统和机床本体等六大部分，其中数控装置与伺服驱动系统、强电控制系统、检测反馈系统又合称为数控系统。图1.2数控机床的组成1.3.2数控机床的分类（一）按数控机床的工艺用途分类1.一般数控机床：是与普通机床工艺可行性相似的各种数控机床，其种类与普通机床一样，如数控车床、数控铣床、数控刨床、数控磨床、数控钻床等。2.加工中心：是带有刀库和自动换刀装置的数控机床。3.特种数控机床：是装备了数控装置的特种加工机床，如数控线切割机床、数控激光加工机床等。（二）按数控机床的运动轨迹分类1.点位控制数控机床：其数控装置只控制机床移动部件从一个位置（点）移动到另一个位置（点），而不控制点到点之间的运动轨迹，刀

15、具在移动过程中不进行切削加工。如数控钻床、数控冲床等。2.直线控制数控机床：其数控装置除了要控制机床移动部件的起点和终点的准确位置外，还要控制移动部件以适当速度沿平行于某一机床坐标轴方向或与机床坐标轴成450的方向进行直线切削加工。如简易数控车床、简易数控磨床等。3.轮廓控制数控机床：其数控装置能够同时对两个或两个以上坐标轴进行联动控制，从而实现曲线轮廓和曲面的加工。如具有两坐标或两坐标以上联动的数控铣床、数控车床等。（三）按伺服系统的控制方式分类1.开环控制系统：指不带反馈的控制系统，即系统没有位置反馈元件，通常以功率步进电机或电液伺服电机作为执行机构。2.半闭环控制系统：半闭环控制系统是在

16、开环系统的丝杠上装有角位移检测装置，通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的位移，然后反馈给数控装置。3.闭环控制系统：是在机床移动部件上直接装有位置检测装置，将测量的结果直接反馈到数控装置中，与输入的指令位移进行比较，用偏差进行控制，使移动部件按照实际的要求运动，最终实现精确定位。 27重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 2刀具对数控车床加工精度的影响2刀具对数控车床加工精度的影响2.1刀具几何参数对数控车床加工精度的影响刀具的制造误差对加工精度的影响，根据刀具种类不同而异。当采用定尺寸刀具如钻头、铰刀、拉刀、键槽铣刀等加工时，刀具的尺寸精度将直接影响到工件的尺寸精度；当采用成形刀具如成

17、形车 刀、成形铣刀等加工时，刀具的形状精度将直接影响工件的形状精度；当采用展成刀具如齿轮滚刀、插齿刀等加工时，刀刃的形状必须是加工表面的共轭曲线，因此刀刃的形状误差会影响加工表面的形状精度；当采用一般刀具如车刀、镗刀、铣刀等的制造误差对零件的加工精度并无直接影响，但其磨损对加工精度、表面粗糙度有直接的影响。任何刀具在切削过程中都不可避免地要产生磨损，并由此引起工件尺寸和形状误差。例如用成形刀具加工时，刀具刃口的不均匀磨损将直接复映到工件上造成形状误差；在加工较大表面（一次走刀时间长）时，刀具的尺寸磨损也会严重影响工件的形状精度；用调整法加工一批工件时，刀具的磨损会扩大工件尺寸的分散范围；刀具磨

18、损使同一批工件的尺寸前后不一致。在数控加工中，通常车刀会存在刀尖圆弧半径r， 主偏角kr，车刀刀尖距零件中心高的偏差等刀具几何参数的影响，必定引起被加工零件的轴向尺寸误差和径向尺寸误差，由此使得加工中的运行轨迹与被加工零件的表面形状产生差异。因被加工零件表面形状各异，所以引起的差异也各不相同。误差分析及改进方法 下面分析车刀刀尖圆弧半径对加工圆柱类零件表面形状引起的差异以及采取的措施。众所周知，被加工零件表面的成形是由车刀与零件表面接触间切点的运行轨迹保证的。对于主偏角kr=90度的车削加工，参见图2.1示，被加工零件表面的轴向尺寸由刀尖圆弧顶点A保证。图2.1刀具几何参数对加工精度的影响当(

19、D-d)/2=ap>r时，由图可知，由刀尖圆弧半径引起的轴向尺寸变化量a为a =b-a=r式中：b零件轴向尺寸;a实际轴向位移量;r 刀尖圆弧半径。此时，刀具实际轴向位移是长度a为：a=b-a=b-r当(D-d)/2=ap<R时，由图可知，由刀尖圆弧半径引起的轴向尺寸变化量A为： a=BC=此时，刀具实际轴向位移长度a=b-a = 对于主偏角KF<90°的车削加工，当完成轴向加工即处于图2-1c位置时，被加工零件的已加工表面部由车刀刀尖点A保证，零件的加工表面由刀具型面AC和CE形成。显而易见，当刀具轴向位移长度为a时，则达到零件要求的轴向长度。所以轴向尺寸变化量a

20、为：a =b-a=BC+DE因为BC=rsinKrDE=CEctgKr=(ap-r+rcos，Kr)ctgKr 所以 a =rsinKr+(ap-r+rcosKr)ctgKr 此时，刀具的实际轴向位移长度a为： a=b-a =b- rsinKr+(ap-r+rcosKr)ctgKr 当(D-d)/2=ap<R时，则承担切削仅为刀尖圆弧部分，所以，轴向尺寸变化量A及刀具实际位移长度A的计算同前述。由此可得结论： 对于圆柱类零件表面的加工，由于车刀刀尖圆弧半径与车刀主偏角的存在，使得被加工零件的轴向尺寸发生变化，且轴向尺寸的变化量随刀尖圆弧半径的增大而增大;随车刀主偏角的增大而减小。所以，在

21、编制加工程序时，应相应改变其轴向位移长度。刀具几何参数对此类零件的径向尺寸无影响。2.2提高刀具的性能在切削过程中，刀具的切削部分要承受很大的压力、摩擦、冲击和很高的温度。因此，刀具材料必须具备高硬度、高耐磨性、足够的强度和韧性，还需具有高的耐热性（红硬性），即在高温下仍能保持足够硬度的性能，才能保证在高温高压力下仍能加工出很高精度的零件。常用车刀材料主要有高速钢和硬质合金。1.高速钢高速钢又称锋钢、是以钨、铬、钒、钼为主要合金元素的高合金工具钢。高速钢淬火后的硬度为HRC6367，其红硬温度550600,允许的切削速度为2530m/min。高速钢有较高的抗弯强度和冲击韧性，可以进行铸造、锻造

22、、焊接、热处理和切削加工，有良好的磨削性能，刃磨质量较高，故多用来制造形状复杂的刀具，如钻头、铰刀、铣刀等，亦常用作低速精加工车刀和成形车刀。2.硬质合金硬质合金是用高耐磨性和高耐热性的WC（碳化钨）、TiC（碳化钛）和Co（钴）的粉末经高压成形后再进行高温烧结而制成的，其中Co起粘结作用，硬质合金的硬度为HRA8994（约相当于HRC7482），有很高的红硬温度。在8001000的高温下仍能保持切削所需的硬度，硬质合金刀具切削一般钢件的切削速度可达100300m/min，可用这种刀具进行高速切削，其缺点是韧性较差，较脆，不耐冲击，硬质合金一般制成各种形状的刀片，焊接或夹固在刀体上使用。2.3

23、提高刀具对零件的加工精度就是在加工时，注意观察机床刀具是否发出异常声音（很尖锐的叫声）和刀具是否产生火花和变红，若此时有一种声音出现，那就代表刀具应该重磨一下。提高刀具对零件的加工精度还有以下其它方法。刀具误差的消除方法 消除方法：编程时，调整刀尖的轨迹，使得圆弧形刀尖实际加工轮廓与理想轮廓相符。即通过简单的几何计算，将实际需要的圆弧形刀尖的轨迹换算出假想、刀尖的轨迹。重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3数控车床的制造精度 3数控车床的制造精度3.1机床的几何制造精度机床的几何制造精度是指机床在不运转时部件间相互位置精度和主要零件的形状精度、位置精度。机床的几何制造精度对加工精度有重要

24、的影响，因此是评定机床精度的主要指标。机床制造精度检测的主要内容包括：直线运动的平行度、垂直度；回转运动的轴向及径向跳动；主轴与工作台的位置精度等。数控机床的制造精度综合反映机床各关键零部件及其组装后的几何形状误差。机床几何精度的许多项目相互影响，必须在精调后一次性完成。3.2如何提高机床导轨的制造精度机床导轨的功用是起导向及支承作用，它的精度、刚度及结构形式等对机床的加工精度和承载能力有直接影响。为了保证数控机床具有较高的加工精度和较大的承载能力，要求其导轨具有较高的导向精度、足够的刚度、良好的耐磨性、良好的低速运动平稳性，同时应尽量使导轨结构简单，便于制造、调整和维护。在加工机床床身导轨面

25、时首先保证重要表面的加工余量均匀，则应以该表面为粗基准。既应先以导轨面为粗基准加工床脚平面，然后再以床脚平面为精基准加工导轨面，因为机床导轨要求硬度高而且金属组织均匀，在其毛坏铸造时，导轨面向下放置，使其表层金属组织细致均匀，没有气孔、夹砂等缺陷。因此，希望在加工时只切去一层薄面均匀的余量，保留组织细密耐磨的表层。由些可得在提高机床的制造精度时，加工工艺是十分重要的。应合理选择适当的加工工艺进行加工。3.3机床夹具对数控车床的影响夹具的制造误差与磨损包括三个方面：（1）定位元件、刀具导向元件、分度机构、夹具体等的制造误差；（2）夹具装配后，定位元件、刀具导向元件、分度机构等元件工作表面间的相对

26、尺寸误差；（3）夹具在使用过程中定位元件、刀具导向元件工作表面的磨损。这些误差将直接影响到工件加工表面的位置精度或尺寸精度。一般来说，夹具误差对加工表面的位置误差影响最大，在设计夹具时，凡影响工件精度的尺寸应严格控制其制造误差，一般可取工件上相应尺寸或位置公差的1215作为夹具元件的公差。3.4工件的安装误差对数控的影响工件的安装误差是由定位误差、夹紧误差和夹具误差等三项组成。其中，夹具误差如上所述，此处不再赘述。夹紧误差是指工件在夹紧力作用下发生的位移，其大小是工件基准面至刀具调整面之间距离的最大与最小尺寸之差。它包括工件在夹紧力作用下的弹性变形、夹紧时工件发生的位移或偏转而改变了工件在定位

27、时所占有的正确位置、工件定位面与夹具支承面之间的接触部分的变形。定位误差多数是定位基准与设计基准不重合导致的。应尽量使定位基准与设计基准重合。重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 4减少机床的热变形4减少机床的热变形在内外热源的影响下，机床各部件将发生不同程度的热变形，使工件与刀具之间的相对运动关系遭到破环，也使机床精度下降。对于数控机床来说，因为全部加工过程是计算的指令控制的，热变形的影响就更为严重。为了减少热变形，在数控机床结构中通常采用以下措施。1.减少发热机床内部发热时产生热变形的主要热源，应当尽可能地将热源从主机中分离出去。2.控制温升在采取了一系列减少热源的措施后，热变形的情况

28、将有所改善。但要完全消除机床的内外热源通常是十分困难的，甚至是不可能的。所以必须通过良好的散热和冷却来控制温升，以减少热源的影响。其中部较有效的方法是在机床的发热部位强制冷却，也可以在机床低温部分通过加热的方法，使机床各点的温度趋于一致，这样可以减少由于温差造成的翘曲变形。重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 5数控车床的位移检测装置5数控车床的位移检测装置位移检测装置是闭环和半闭环控制的CNC系统的重要组成部分，其作用是检测执行部件的位移，并将其反馈至CNC装置，构成位移闭环控制系统，从而实现对执行部件位置的准确控制，保证刀具相对工件的运动轨迹。因此位移检测装置对数控车床的精度及为重要。

29、采用闭环或半闭环伺服系统的数控机床，其加工精度主要取决于位移检测装置的精度。因此必须尽量提高位移检测装置的精度。位移检测装置的精度指标主要有精度和分辨率两项。精度是指在一定长度或转角范围内测量积累误差的最大值，目前直线位移检测精度一般已达±（0.0020.02）mm/m,转角位移测量精度可达±10"/360°。系统分辨率是测量元件所能正确检测的最小位移量，目前直线位移的分辨率多数为0.0010.01mm。转角位移分辨率为2"。位移检测装置分辨率的选取通常和脉当量的选取方法一样，数值也相同，取机床加工精度的1/31/10。本章只举例说明直线光栅位

30、移检测器。直线光栅 1长光栅检测装置的结构 光栅分为物理光栅和计量光栅，物理光栅刻线细密，用于光谱分析和光波波长的测定。计量光栅，比较而言刻线较粗，但栅距也较小，在0.0040.25mm之间，主要用在数字检测系统。2工作原理 以透射光栅为例，当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹之间形成一个小角度，并且两个光栅尺刻面相对平行放置时，在光源的照射下，位于几乎垂直栅纹上，形成明暗相间的条纹。这种条纹称为“莫尔条纹”（见图5.1）。严格的说，莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。莫尔条纹中两条亮纹或两条纹暗之间的距离称为莫尔条纹的宽度，以W表示。莫尔条纹具有以下特征： 图5.1 莫尔条

31、纹（1）莫尔条纹的变化规律 两光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹间距。由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正（余）弦函数，变化周期数与两光栅相对移过的栅距数同步。 （2）放大作用 在两光栅栅线夹角较小的情况下，莫尔条纹宽度W和光栅栅距d、栅线夹角之间有下列关系： W=d/2sin(/2) 式中 的单位为rad，W 的单位为mm。由于角很小，sin ，则W/d 。若d = 0.01mm，= 0.01rad，则由上式可得W =1mm，即把光栅距转换成放大100倍的莫尔条纹宽度。 （3）均化误差作用 莫尔条纹是由若干光栅条纹共用形成，例如100线/mm的光栅，10mm宽的莫尔条纹就

32、由1000条线纹组成，这样栅距之间的相邻误差就被平均化了，消除了由于栅距不均匀、断裂等造成的误差。重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 6提高数控车床的系统精度6提高数控车床的系统精度6.1位置精度的测量和补偿大量统计资料表明:65.7%以上的新机床,安装时都不符合其技术指标；90%使用中的数控机床处于失准工作状态。因此,对机床工作状态进行监控和对机床精度进行经常的测试是非常必要的,以便及时发现和解决问题,提高零件加工精度。目前数控机床位置精度的检验通常采用国际标准ISO230-2或国家标准GB10931-89等。同一台机床，由于采用的标准不同，所得到的位置精度也不相同，因此在选择数控机床

33、的精度指标时，也要注意它所采用的标准。数控机床的位置精度通常指各数控轴的反向偏差和定位精度。对于这二者的测定和补偿是提高加工精度的必要途径。6.1.1反向偏差测量和补偿在数控机床上，由于各坐标轴进给传动链上驱动部件(如伺服电动机、伺服液压马达和步进电动机等)的反向死区、各机械运动传动副的反向间隙等误差的存在，造成各坐标轴在由正向运动转为反向运动时形成反向偏差，通常也称反向间隙或失动量。对于采用半闭环伺服系统的数控机床, 反向偏差的存在就会影响到机床的定位精度和重复定位精度, 从而影响产品的加工精度。如在G01切削运动时, 反向偏差会影响插补运动的精度, 若偏差过大就会造成“圆不够圆，方不够方”

34、的情形；而在G00快速定位运动中，反向偏差影响机床的定位精度，使得钻孔、镗孔等孔加工时各孔间的位置精度降低。同时，随着设备投入运行时间的增长, 反向偏差还会随因磨损造成运动副间隙的逐渐增大而增加, 因此需要定期对机床各坐标轴的反向偏差进行测定和补偿。（1）反向偏差的测定反向偏差的测定方法：在所测量坐标轴的行程内, 预先向正向或反向移动一个距离并以此停止位置为基准,再在同一方向给予一定移动指令值，使之移动一段距离,然后再往相反方向移动相同的距离,测量停止位置与基准位置之差。在靠近行程的中点及两端的三个位置分别进行多次测定(一般为七次),求出各个位置上的平均值, 以所得平均值中的最大值为反向偏差测

35、量值。在测量时一定要先移动一段距离,否则不能得到正确的反向偏差值。测量直线运动轴的反向偏差时，测量工具通常采有千分表或百分表，若条件允许,可使用双频激光干涉仪进行测量。当采用千分表或百分表进行测量时，需要注意的是表座和表杆不要伸出过高过长，因为测量时由于悬臂较长，表座易受力移动，造成计数不准，补偿值也就不真实了。若采用编程法实现测量，则能使测量过程变得更便捷更精确。例如，在二坐标数控车床上测量X轴的反向偏差，可先将表压住主轴的圆柱表面，然后运行如下程序进行测量：N10 G01 X50 F1000；工作台后移N20X-50；工作台前移，消除传动间隙N30 G04 X5；暂停以便观察N40 Z50

36、；Z轴右移N50 X-50：工作台前移N60 X50：工作台后移复位N70 Z-50：Z轴复位N80 G04 X5：暂停以便观察N90 M99；需要注意的是，在工作台不同的运行速度下所测出的结果会有所不同。一般情况下，低速的测出值要比高速的大, 特别是在机床轴负荷和运动阻力较大时。低速运动时工作台运动速度较低，不易发生过冲超程(相对“反向间隙”)，因此测出值较大；在高速时，由于工作台速度较高，容易发生过冲超程，测得值偏小。回转运动轴反向偏差量的测量方法与直线轴相同，只是用于检测的仪器不同而已。（2）反向偏差的补偿国产数控机床, 定位精度有不少>0.02mm，但没有补偿功能。对这类机床，在

37、某些场合下，可用编程法实现单向定位，清除反向间隙，在机械部分不变的情况下，只要低速单向定位到达插补起始点，然后再开始插补加工。插补进给中遇反向时, 给反向间隙值再正式插补, 即可提高插补加工的精度，基本上可以保证零件的公差要求。对于其他类别的数控机床，通常数控装置内存中设有若干个地址，专供存储各轴的反向间隙值。当机床的某个轴被指令改变运动方向时，数控装置会自动读取该轴的反向间隙值，对坐标位移指令值进行补偿、修正，使机床准确地定位在指令位置上，消除或减小反向偏差对机床精度的不利影响。一般数控系统只有单一的反向间隙补偿值可供使用，为了兼顾高、低速的运动精度，除了要在机械上做得更好以外，只能将在快速

38、运动时测得的反向偏差值作为补偿值输入，因此难以做到平衡、兼顾快速定位精度和切削时的插补精度。对于FANUC0i、FANUC18i等数控系统，有用于快速运动(G00)和低速切削进给运动(G01)的两种反向间隙补偿可供选用。根据进给方式的不同，数控系统自动选择使用不同的补偿值，完成较高精度的加工。将G01切削进给运动测得的反向间隙值A 输入参数NO11851(G01的测试速度可根据常用的切削进给速度及机床特性来决定)，将G00测得的反向间隙值B 输入参数NO11852。需要注意的是，若要数控系统执行分别指定的反向间隙补偿，应将参数号码1800的第四位(RBK)设定为1；若RBK设定为0，则不执行分

39、别指定的反向间隙补偿。G02、G03、JOG与G01使用相同的补偿值。6.1.2定位精度的测量和补偿数控机床的定位精度是指所测量的机床运动部件在数控系统控制下运动所能达到的位置精度，是数控机床有别于普通机床的一项重要精度，它与机床的几何精度共同对机床切削精度产生重要的影响，尤其对孔隙加工中的孔距误差具有决定性的影响。一台数控机床可以从它所能达到的定位精度判出它的加工精度，所以对数控机床的定位精度进行检测和补偿是保证加工质量的必要途径。（1）定位精度的测定目前多采用双频激光干涉仪对机床检测和处理分析，利用激光干涉测量原理，以激光实时波长为测量基准，所以提高了测试精度及增强了适用范围。检测方法如下

40、：安装双频激光干涉仪；在需要测量的机床坐标轴方向上安装光学测量装置；调整激光头，使测量轴线与机床移动轴线共线或平行，即将光路预调准直；待激光预热后输入测量参数；按规定的测量程序运动机床进行测量；数据处理及结果输出。（2）定位精度的补偿若测得数控机床的定位误差超出误差允许范围，则必须对机床进行误差补偿。常用方法是计算出螺距误差补偿表，手动输入机床CNC系统,从而消除定位误差，由于数控机床三轴或四轴补偿点可能有几百上千点，所以手动补偿需要花费较多时间，并且容易出错。现在通过RS232接口将计算机与机床CNC控制器联接起来，用VB编写的自动校准软件控制激光干涉仪与数控机床同步工作，实现对数控机床定位

41、精度的自动检测及自动螺距误差补偿，其补偿方法如下：备份CNC 控制系统中的已有补偿参数；由计算机产生进行逐点定位精度测量的机床CNC程序,并传送给CNC 系统;自动测量各点的定位误差；根据指定的补偿点产生一组新的补偿参数,并传送给CNC系统,螺距自动补偿完成；重复进行精度验证。根据数控机床各轴的精度状况,利用螺距误差自动补偿功能和反向间隙补偿功能,合理地选择分配各轴补偿点,使数控机床达到最佳精度状态,并大大提高了检测机床定位精度的效率。定位精度是数控机床的一个重要指标。尽管在用户购选时可以尽量挑选精度高误差小的机床，但是随着设备投入使用时间越长，设备磨损越厉害，造成机床的定位误差越来越大，这对

42、加工和生产的零件有着致命的影响。采用以上方法对机床各坐标轴的反向偏差、定位精度进行准确测量和补偿, 可以很好地减小或消除反向偏差对机床精度的不利影响,提高机床的定位精度，使机床处于最佳精度状态, 从而保证零件的加工质量。6.2数控车床的进给伺服系统伺服系统是数控机床的重要组成部分，用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。伺服系统的作用是把接受来自数控装置的指令信息，经功率放大、整形处理后，转换成机床执行部件的直线位移或角位移运动。由于伺服系统是数控机床的最后环节，其性能将直接影响数控机床的精度和速度等技术指标，因此，对数控机床的伺服驱动装置，要求具有良好的快速反应性能，准确而灵敏地跟踪数

43、控装置发出的数字指令信号，并能忠实地执行来自数控装置的指令，提高系统的动态跟随特性和静态跟踪精度。伺服系统包括驱动装置和执行机构两大部分。驱动装置由主轴驱动单元、进给驱动单元和主主轴伺服电动机、进给伺服电动机组成。步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机，交流伺服电动机是常用的驱动装置。测量元件将数控机床各坐标轴的实际位移值检测出来并经反馈系统输入到机床的数控装置中，数控装置对反馈回来的实际位移值与指令值进行比较，并向伺服系统输出达到设定值所需的位移量指令。如图6.1。图6.1伺服系统结构图6.3数控机床采用高精度轨迹控制高精度轨迹控制其核心思想是：采用具有高分辨率和高采样频率的新型插补技术

44、，在保证速度的前提下大幅度提高轨迹生成精度；通过新型双位置闭环控制，有效保证希望轨迹的高精度实现。以信息化轨迹校正消除机械误差和干扰对轨迹精度的影响，从而保证所控制的机床可在生产环境中长期高精度运行。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。6.3.1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(mm)间有如下关系 (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

45、将经常遇到高速高精度小曲率半径加工问题。为此，应发挥软硬件综合优势将采样插补频率提高到5kHz，即插补周期为0.2ms。这样，即使要求进给速度达到60m/min，在当前曲率半径为50mm时，仍能保证插补误差不大于0.1m。6.3.2数学模型常规采样插补算法普遍采用递推形式，一般存在误差积累效应。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=f1(u)，y=f2(u)，z=f3(u)(2)式中u参变量，u0，1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。例如，对于

46、圆弧插补，式(2)的具体形式为x y=2u 1-M (3)式中M常数矩阵，当插补点位于一、二、三、四象限时，其取值分别为 r为圆弧半径。6.3.3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。其实现过程如下：首先根据当前进给速度和加减速要求确定当前采样周期插补直线段长度L。然后，按下式计算当前采样周期参变量的取值 (4) 式中ui-1上一采样周期参变量的取值参变量的摄动量与对应的x，y，z的摄动量最后将ui代入轨迹计算公式(2)，即可计算出插补轨迹上当前点的坐标值xi，yi,zi。不断重复以上过程直至到达插补终点，即

47、可得到整个离散化的插补轨迹。需说明一点，按式(4)计算ui时允许有一定误差，此误差仅会对进给速度有微小影响，不会对插补轨迹精度产生任何影响。这样，式中的开方运算可用查表方式快速完成。6.3.4算例分析表1给出了第一象限半径为50mm圆弧的插补计算结果。表中第一行为插补点序号，u行为各插补点处参变量的取值，x、y行为各插补点的坐标值。为分析插补误差，将各插补点处的圆弧半径和插补直线段长度的实际值也一同列于表中的r行和L行。由表6.1可见，虽然插补过程中计算ui时产生的误差对插补点沿被插补曲线前后位置的准确性有一定影响(L值约有小于1%的误差)，但各插补点处的r值总是50.000，这说明插补点准确

48、位于被插补曲线上，不存在轨迹误差。表6.1圆弧插补计算结果(x,y,r，L的单位为mm)插补点uxyrL10.07949.3837.83150.0007.85520.15947.54315.48250.0007.86930.24144.52622.74750.0007.86640.32640.41029.44650.0007.86350.41535.29735.41350.0007.85860.51129.31940.50250.0007.85170.61422.62544.58850.0007.84280.72815.38547.57450.0007.83290.8557.78249.391

49、50.0007.818101.0000.00050.00050.0007.8066.3.5实现高精度轨迹控制的双闭环控制方案 通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系统组成常规全闭环机床位置控制系统的动态结构如图6.2所示。其设计思想是在速度环的基础上加上位置外环来构成全闭环位置控制系统。根据电力拖动系统的工程设计方法，设计此类系统时，位置控制器应选用PI或PID调节器，以使系统获得较快的跟随性能。然而，因这类系统为高阶型系统，其开环频率特性将与非线性环节的负倒幅曲线相交，从

50、而使系统出现非线性自持振荡而无法正常工作。这就使得这类系统难以在实际中广泛应用。图6.2常规全闭环位置控制系统的动态结构ni,no调速系统输入指令和输出转速Ki传动机构增益为了克服常规全闭环位置控制系统存在的缺陷，必须打破以速度内环为基础构造全闭环位置控制系统的传统理论的束缚，寻求新的在保证可靠稳定性的基础上获得高精度的途径。经过多年探索，我们研究出一种新的转角-线位移双闭环位置控制方法，由其构成的位置控制系统的动态结构如图6.3所示。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置闭环，其检测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i输出为

51、o的转角随动系统。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。图6.3转角线位移双闭环位置控制系统的动态结构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(1)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 (5) 式中K转角闭环增益T转角闭环时间常数系统外环虽然包

52、含了非线性环节，但设计控制器使 (6) 式中Kp积分环节时间常数将系统校正为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T较小时o(s)/i(s)K，系统将具有更强的稳定性。 (2)跟随误差分析采用上述方案可保证图6.4系统稳定工作，因此可忽略非线性因素的影响，求出该系统的传递函数 (7)系统设计时使反馈系数Kf=1，前馈通道 (8)有x(s)1 (9)上式说明，双闭环系统具有理想的动态性能和跟随精度。6.4数控车床信息化轨迹误差校正在双位置闭环控制下，机床坐标运动的精度主要取决于检测装置获取信息的准确程度。因此，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，将为进一步提高坐标运动精度提供一条新的途径。为此采取以下措施：对检测装置的误差及其与系统状态的关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