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多轴联动的机床交叉耦合轮廓误差补偿技术

制造技术与机床 2018年第6期 154-159页

作者：张万军张峰张景轩张景怡张景妍苟小平西安交通大学机械工程学院陕西西安741049 兰州理工大学机电学院甘肃兰州730050 兰州工业化设备有限公司甘肃兰州730050

为了提高多轴联动CNC机床的加工精度,减小由机械传动及电气控制等因素造成的轮廓误,针对多轴联动CNC机床伺服采用交叉耦合参数选择困难及稳定不强等问题,提出了一种交叉耦合轮廓补偿的控制方法,建立了交叉耦合轮廓误差补偿的模型,搭建了... 详细信息

为了提高多轴联动CNC机床的加工精度,减小由机械传动及电气控制等因素造成的轮廓误,针对多轴联动CNC机床伺服采用交叉耦合参数选择困难及稳定不强等问题,提出了一种交叉耦合轮廓补偿的控制方法,建立了交叉耦合轮廓误差补偿的模型,搭建了x轴、y轴及z轴仿真实验平台,仿真实验结果表明,轮廓误差补偿的算法使用交叉耦合误差补偿算法进行控制,可以大大减小轮廓误差,提高插补控制精度,也减小数控插补系统的单轴震动,对其他数控插补过程具有借鉴意义。

关键词：多轴联动数控机床轮廓误差交叉耦合控制轮廓误差补偿运动控制

CNC多轴联动的机床交叉耦合轮廓误差补偿技术

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机床与液压 2019年第2期47卷 1-5,17页

作者：张万军张峰张景轩张景怡张景妍张万良西安交通大学机械工程学院陕西西安710049 庆阳鑫圆工程有限公司甘肃庆阳745000 兰州工业化设备有限公司甘肃兰州730050 泉州信息工程学院福建泉州362000

为了提高多轴联动CNC机床的加工精度,减小由机械传动及电气控制等因素造成的轮廓误差,针对多轴联动CNC机床伺服采用交叉耦合参数选择困难及稳定不强等问题,提出一种交叉耦合轮廓补偿的控制方法,建立交叉耦合轮廓误差补偿的模型,搭建了x... 详细信息

为了提高多轴联动CNC机床的加工精度,减小由机械传动及电气控制等因素造成的轮廓误差,针对多轴联动CNC机床伺服采用交叉耦合参数选择困难及稳定不强等问题,提出一种交叉耦合轮廓补偿的控制方法,建立交叉耦合轮廓误差补偿的模型,搭建了x轴、y轴及z轴仿真实验平台。仿真实验结果表明:轮廓误差补偿的算法使用交叉耦合误差补偿算法进行控制,可以大大降低轮廓误差。

关键词： CNC多轴联动的数控机床轮廓误差交叉耦合控制轮廓误差补偿运动控制

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面向运动控制的轮廓误差补偿关键技术研究

面向运动控制的轮廓误差补偿关键技术研究

作者：朱慧华广东工业大学

学位级别：硕士

轨迹跟踪和轮廓误差补偿技术是现代数控加工技术的重要研究内容,直接影响着数控机床加工的生产质量和效率。本文针对数控加工领域的轨迹跟踪和轮廓误差补偿技术所存在的问题进行理论分析,主要研究目标是在零相差位置跟踪控制设计的离散... 详细信息

轨迹跟踪和轮廓误差补偿技术是现代数控加工技术的重要研究内容,直接影响着数控机床加工的生产质量和效率。本文针对数控加工领域的轨迹跟踪和轮廓误差补偿技术所存在的问题进行理论分析,主要研究目标是在零相差位置跟踪控制设计的离散时间选取问题上提出理论分析;对轮廓误差补偿控制策略中的交叉耦合控制补偿进行研究,对比传统的位置误差补偿算法,提出将全局任务坐标系算法应用到交叉耦合控制中。主要研究内容如下：(1)对当前数控加工领域的轮廓误差补偿控制策略主要集中在单轴伺服位置系统的跟踪精度、轮廓误差模型建立、运动控制补偿等技术的国内外研究现状进行了对比分析。(2)分析用于提高轮廓跟踪精度的零相位误差跟踪控制技术。根据简化的位置伺服系统的数学模型设计相应的前馈控制器,分析针对不同的离散时间所设计的零相位误差控制器得到的仿真结果,并结合系统数学模型和前馈控制器的稳定性对仿真图形结果进行分析。通过对离散化系统设计的前馈控制器的稳定性、离散时间的理论分析,提出前馈控制器设计存在最优离散时间采样点并进行详细的理论推导验证。(3)研究现有各种轮廓误差模型的估算、计算方法的优劣,对比传统近似估算的交叉耦合控制算法和基于全局任务坐标系算法进行理论分析、重点对交叉耦合控制方法对轮廓误差的补偿效果进行分析研究,提出将全局任务坐标系算法应用到交叉耦合控制中。(4)通过上面的理论分析,论文以简化的伺服系统数学模型作为仿真对象,对提出来的算法在Simulink环境中下进行轨迹跟踪和轮廓误差补偿的验证计算机仿真,并验证了相关理论验证。(5)对论文的研究内容进行了总结,并对接下来的研究方向进行了展望。

关键词：运动控制零相位误差跟踪控制轮廓误差补偿交叉耦合控制 Simulink仿真

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数控加工的凸轮轮廓误差补偿研究

数控加工的凸轮轮廓误差补偿研究

作者：张洁河南理工大学

学位级别：硕士

关键零部件的生产作为我国制造业最核心的一个环节,其对于工程机械领域的发展起着支撑和保障的作用。凸轮及凸轮轴作为实现各种复杂机械运动的关键零部件,随着需求量不断增大,工程上对凸轮生产工艺水平以及磨削精度提出了更高的要求。... 详细信息

关键零部件的生产作为我国制造业最核心的一个环节,其对于工程机械领域的发展起着支撑和保障的作用。凸轮及凸轮轴作为实现各种复杂机械运动的关键零部件,随着需求量不断增大,工程上对凸轮生产工艺水平以及磨削精度提出了更高的要求。凸轮的轮廓误差作为衡量凸轮轮廓加工精度的重要指标,近些年来,为了追求凸轮磨削的高精度加工,轮廓误差补偿这一方法已然成为了研究热点。本文根据数控凸轮磨削系统中的单轴伺服系统以及双轴联动加工系统与凸轮轮廓误差之间的关系,以数控凸轮磨削系统为研究对象,对凸轮轮廓误差的补偿方法进行了研究。针对系统中单轴跟踪滞后导致的跟踪误差以及两轴联动不同步而导致的轮廓误差问题,提出了一种模型与数据混合驱动的单轴位置控制和交叉耦合控制相结合的轮廓误差补偿方法。并在MATLAB平台上进行了仿真分析。具体研究内容如下:(1)论文首先从硬件构成方面对数控凸轮磨削系统组成进行了介绍,简述了数控凸轮磨床加工凸轮片的原理及过程。之后,根据影响数控凸轮磨削精度的因素,确定了研究内容,对数控凸轮磨削系统中机械传动机构以及三环控制系统分别进行了建模。为接下来的单轴位置控制以及双轴交叉耦合控制的研究提供了理论基础。(2)针对单轴伺服系统存在跟踪误差,提出了一种模型与数据混合驱动的单轴位置控制器。该方法首先将单轴伺服系统分为线性模型以及未建模动态这两个部分,所谓的未建模动态指的是凸轮磨削系统加工过程中的扰动、噪声以及高阶未建模动态项。对于线性模型部分,在增量式数字PID控制的基础上,引入加权项,采用一步超前最优控制策略,设计了基于模型的位置控制器,通过设计的最优性能指标,求得下一时刻控制输入,以达到优化目的。对于未建模动态部分,利用单轴系统的输入输出数据,选择径向基函数神经网络(Radial Basis Function Neural Network,RBFNN)对未建模动态项进行估计,并设计了与之对应的数据驱动补偿器。为了更加适应实际加工环境,利用带死区的投影算法,同时配合RBFNN对未建模动态的估计,对系统的模型参数进行交替辨识,实现了系统自适应能力。最后,证明了神经网络的收敛性以及单轴控制系统的稳定性。(3)针对双轴之间因单轴跟踪滞后或者双轴联动不同步导致的轮廓误差,提出了融合单轴位置控制与交叉耦合控制的轮廓误差补偿策略。在分析了跟踪误差与轮廓误差之间的几何关系之后,建立了基于同步滞后理念的轮廓误差估计模型,并引入交叉耦合控制作为轮廓误差控制器。选择经典PID控制器作为交叉耦合控制器。由于轮廓误差在实时变化,为了让PID交叉耦合控制器对凸轮轮廓误差进行跟进,提出了基于反向传播神经网络(Back Propagation Neural Network,BPNN)的PID交叉耦合控制器参数整定方法,以提升轮廓控制器对轮廓误差的精准控制。(4)为了验证本文所提算法,采用两种不同凸轮片,分别为凸轮A和凸轮B。针对给出的两种凸轮轮廓进行数控凸轮磨削仿真分析。首先,利用工厂提供的凸轮升程表通过MATLAB软件实现凸轮轮廓曲线的生成;在获得凸轮轮廓曲线后,针对前文所设计的单轴位置控制器,采用经典PID控制进行单轴跟踪控制的对比仿真;之后,在两种单轴控制器的基础上分别引入PID交叉耦合控制对轮廓误差的补偿进行对比仿真,并对PID交叉耦合控制器的参数进行了整定,仿真数据表明,本文所设计的控制策略可以有效控制跟踪误差以及轮廓误差,提升数控凸轮磨削精度,具有一定的工程应用价值。图59幅,表7个,参考文献61篇。

关键词：轮廓误差补偿径向基函数神经网络跟踪误差混合驱动数控凸轮磨削

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一种基于轮廓误差的NC数据补偿方法

清华大学学报（自然科学版） 2022年第12期62卷 1989-1995页

作者：张云梁光顺张赟李燕清华大学机械工程系北京100084 北京市机电研究院有限责任公司北京100027

误差补偿是提升数控机床加工精度的重要手段。该文利用三坐标测量机,测量精加工后六边形凹槽表面上部分点的三坐标,并根据理想模型计算轮廓误差。以镜像反变形的思路,对刀位点连线中点处的轮廓误差进行补偿,得到新的NC数据。在一个立式... 详细信息

误差补偿是提升数控机床加工精度的重要手段。该文利用三坐标测量机,测量精加工后六边形凹槽表面上部分点的三坐标,并根据理想模型计算轮廓误差。以镜像反变形的思路,对刀位点连线中点处的轮廓误差进行补偿,得到新的NC数据。在一个立式加工中心上进行对照实验,结果表明:误差补偿后,零件的轮廓误差绝对值最大值降低了48.1%,加工精度得到明显改善。基于轮廓误差的NC数据补偿方法,对以直线加工路径构成的零件有很强的适用性。以刀位点连线中点为补偿对象有利于误差测量和程序设计。

关键词：六边形凹槽轮廓误差补偿镜像反变形刀位点连线中点 NC数据

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基于PMAC的多轴轮廓误差预补偿方法研究

基于PMAC的多轴轮廓误差预补偿方法研究

作者：陈元浩华中科技大学

学位级别：硕士

数控系统的一个重要指标是控制精度,随着现代工业产品的发展,对控制精度也提出了越来越高的要求。国内外学者在如何提高数控系统控制精度的问题上进行了深入研究,其中,从轮廓误差的角度提高控制精度属于一个重要研究方向。本文首先搭建... 详细信息

数控系统的一个重要指标是控制精度,随着现代工业产品的发展,对控制精度也提出了越来越高的要求。国内外学者在如何提高数控系统控制精度的问题上进行了深入研究,其中,从轮廓误差的角度提高控制精度属于一个重要研究方向。本文首先搭建了基于PC+PMAC的多轴运动控制平台,在搭建平台整体框架的基础上开发出了系统硬件和系统软件,使用VC++开发出了良好的上位机用户界面。该平台完成了基本数控功能并实现了自定义控制算法,可以很好地对本文提出的轮廓误差补偿方法进行验证。然后本文对多轴运动控制平台的驱动系统进行建模,同时提出了两种轮廓误差模型,平面轮廓误差模型和广义轮廓误差模型。结合多轴轮廓误差模型,对轮廓误差预补偿技术进行了研究,通过辨识传递函数对实际位置进行预测,完成轮廓误差的预补偿,从而提高多轴系统控制精度。针对如何辨识驱动系统的传递函数,本文在研究了常用的系统辨识方法的基础上,结合多轴运动控制平台的驱动模型,通过输入M序列,采集输出信号,继而在Matlab系统辨识工具箱中辨识得到传递函数,并通过曲线验证了辨识结果的可靠性。最后,结合辨识得到的驱动系统传递函数,在Matlab上搭建了仿真平台。通过多轴轮廓误差模型验证了仿真平台的可靠性。结合仿真平台,对交叉耦合补偿和预补偿进行了仿真分析,并结合多种曲线在多轴运动控制平台上进行实验,得到了较好的效果,验证了预补偿技术的可行性。

关键词：轮廓误差补偿预补偿技术系统参数辨识多轴运动控制平台

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数控机床轮廓误差的i代码补偿技术研究

数控机床轮廓误差的i代码补偿技术研究

作者：廖宇豪华中科技大学

学位级别：硕士

现代数控技术正朝着更快、更精、更智能的方向不断发展,研究如何在高速工况下有效地减小零件的轮廓误差对实现更高的数控加工精度而言具有重要意义。因此,本文以提升数控机床的实际加工精度为目的,对轮廓误差的补偿方法与技术展开深入... 详细信息

现代数控技术正朝着更快、更精、更智能的方向不断发展,研究如何在高速工况下有效地减小零件的轮廓误差对实现更高的数控加工精度而言具有重要意义。因此,本文以提升数控机床的实际加工精度为目的,对轮廓误差的补偿方法与技术展开深入研究。研究数控机床进给系统的动态响应特性是实现轮廓误差补偿的基础。本文以实验的形式对进给系统单轴和多轴联动的实际响应规律进行探究,从中归纳了进给系统运动轨迹的重复性、信号响应延迟时间的稳定性等特性,为离线预测生成补偿值提供了理论支撑。针对交叉耦合控制等补偿方法所存在的复杂性与稳定性等问题,本文基于“离线预测—实时补偿”的轮廓误差补偿技术路线提出了i代码实时补偿方法。该方法以离线预测轮廓误差的方式计算生成补偿值,并以i代码文件的形式记录补偿值序列。将补偿i代码导入数控系统,与G代码双码联控实现轮廓误差的实时补偿。离线生成的i代码补偿值是按照编程速度预测出来的,当加工时的实际速度与编程速度不一致时,补偿值就不再适用。针对该问题,本文对进给速度与轮廓误差之间的函数关系进行了理论推导与实验验证,以此为基础提出了一种补偿i代码的速度自适应技术。该技术在数控系统中集成速度自适应算法,使输出的补偿值与实际进给速度相匹配,提高了补偿方法的鲁棒性。为了验证i代码实时补偿方法的有效性,本文以华中9型数控系统为载体,对基于双码联控的轮廓误差补偿功能进行了开发和集成,并在实际机床上进行了补偿实验。通过光栅尺反馈的实际位置数据分析补偿效果,对于进给速度为5000mm/min、半径为55mm的圆轮廓实验用例,其轮廓误差最大值由11.52um降低至2.43um,证明了本文所提出的轮廓误差补偿方法的有效性。

关键词：数控机床进给系统轮廓误差补偿速度自适应双码联控

基于修改进给指令的五轴轮廓误差迭代学习控制

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基于修改进给指令的五轴轮廓误差迭代学习控制

作者：岳睿杰哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着数控机床在工业领域的广泛应用，对多轴联动加工的效率与精度要求也逐步提高。但在实际加工过程中，随着速度的提高多轴联动的不协调同步将对精度产生更大的影响，从而降低使得加工质量降低，故加工的效率和质量往往难以同时保证。... 详细信息

随着数控机床在工业领域的广泛应用，对多轴联动加工的效率与精度要求也逐步提高。但在实际加工过程中，随着速度的提高多轴联动的不协调同步将对精度产生更大的影响，从而降低使得加工质量降低，故加工的效率和质量往往难以同时保证。同时，商用数控系统的底层控制器往往缺少插补数据的反馈，使得多数基于插补指令控制方法难以应用。考虑到多轴联动系统在工业现场加工时的一个常见应用场景为单一零件的重复性加工，本文拟研究一种可应用于大部分数控系统的提高单一工件重复加工过程中效率和精度的轮廓控制方法。　　针对商业数控系统对单一零件的加工质量与速度提升需求，本文提出了一套基于修改数控加工指令数据的误差控制方法。针对指令数据与反馈信号无法空间对应的问题，提出一种基于隐马尔科夫模型的空间对应关系建立方法。针对当前五轴轮廓误差估计算法中仅以刀具位置为基准的轮廓误差估计方法的缺陷，提出了一种更适用于五轴数控系统的融合刀具位置与方向的轮廓误差的估计方法，使得改进后的轮廓误差估计算法适用于更多加工轨迹。在补偿部分采用空间迭代学习算法，以规划路径为基准在笛卡尔坐标系中对轮廓误差进行补偿，再根据运动学转换将补偿转换至单轴模型得到新的规划路径。　　本文采用BC型五轴数控机床对提出的方案进行了实验验证，证明了本文提出的基于指令数据的轮廓控制方案在不改变底层控制器结构的基础上，相比于传统的方案有同样优秀的表现。在较为特殊的大曲率轨迹处，该方法对轮廓误差的补偿效果有所改进。同时，采用实验证明了提出的轮廓误差估计方法相比于现有方法，在刀具位置变化缓慢的轨迹处的误差估计更为准确。实验结果证明该方法可以一定程度上实现精度与效率的提升。

关键词：五轴轮廓误差轮廓误差估计轮廓误差补偿空间迭代学习控制

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凸轮轴升程误差在位测量及补偿方法研究

凸轮轴升程误差在位测量及补偿方法研究

作者：叶沐霖华中科技大学

学位级别：硕士

凸轮轴是汽车发动机中的关键零部件,目前X-C两轴联动数控磨削是凸轮轴加工的主要方法,但机床伺服运动轴位置跟踪误差、砂轮磨损等不利因素会导致凸轮轮廓误差的出现。本文对凸轮轴磨削运动数学模型构建方法和升程误差在位测量及补偿方... 详细信息

凸轮轴是汽车发动机中的关键零部件,目前X-C两轴联动数控磨削是凸轮轴加工的主要方法,但机床伺服运动轴位置跟踪误差、砂轮磨损等不利因素会导致凸轮轮廓误差的出现。本文对凸轮轴磨削运动数学模型构建方法和升程误差在位测量及补偿方法展开研究,旨在通过准确规划磨床各轴运动轨迹以及对运动轨迹进行补偿,从而提高凸轮轴上各凸轮片的轮廓磨削精度。针对现有凸轮磨削运动数学模型面对轮廓曲率不连续凸轮无法准确规划磨床各轴运动轨迹的问题,本文分析了问题出现的原因,并提出一种针对轮廓曲率不连续凸轮的磨削加工运动数学模型构建方法。该方法通过在曲率不连续位置构造Bezier曲线实现误差可控的轮廓重构,使重构后凸轮轮廓达到G2连续条件,以适用现有磨削运动数学模型,为曲率不连续凸轮磨削提供高精度位移转角表,从而准确实现C-X轴的跟随运动控制。升程误差是反映凸轮轮廓加工精度的重要指标,目前主要使用专用测量仪进行离线测量。专用检测仪器价格高昂且效率低下,也无法将升程误差实时反馈到数控系统进行精度的改善。同时这种检测方式存在二次装夹,必然会引入新的安装定位误差。针对上述问题本文构建了一种基于数控磨床的凸轮轴升程误差在位测量系统,以实现升程误差的自动化在位测量。基于在位测量系统,本文进一步提出一种利用升程误差测量结果对机床各轴运动轨迹进行补偿的方法。该方法需计算出与位移转角表对应的X-C补偿表,由位移转角表和补偿表共同决定X-C轴的跟随运动关系。在此基础上,本文进一步提出了凸轮轴数控磨削加工、检测及补偿一体化方案,开发了位移转角表计算功能和轮廓误差补偿功能并集成到数控系统。通过实验验证了轮廓曲率不连续凸轮磨削运动数学模型的正确性和凸轮轴数控磨削加工、检测及补偿一体化方案的有效性。结果表明,本文提出的凸轮轴磨削运动模型构建方法和升程误差在位测量及补偿方法,可以有效减小凸轮轴轮廓误差,提高凸轮磨削精度。

关键词：凸轮轴数控磨削磨削运动数学模型在位测量轮廓误差补偿