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伺服系统特性影响零件加工精度的探讨-【新闻】舟山

发布时间:2021-04-20 12:44:07 阅读: 来源:滴灌带厂家

伺服系统特性影响零件加工精度的探讨

摘 要:在闭环控制系统中进行连续切削加工时,轮廓误差与伺服驱动系统的稳态、动态特性有着密切的关系

关键词:数控机床 进给伺服系统 跟随误差 轮廓误差

在进行连续切削加工的数控机床闭环系统中,为了保证加工零件的轮廓形状精度,除了要求机床有较高的定位精度外,还要求系统有良好的动态响应特性,能稳定而灵活地跟随指令信号,即要求系统具有高的轮廓跟随精度。这与数控机床伺服驱动系统的稳态、动态特性有关。在轮廓加工过程中,各坐标轴常要求随加工形状的不同瞬时启停或改变速度,控制系统应同时精确地控制各坐标运动的位置与速度,由于系统的稳态和动态特性,影响了各坐标轴的协调运动和位置的精确性,从而产生了轮廓的形状误差,下面仅从系统稳态特性对插补轮廓误差的影响进行讨论。

简化位置闭环控制模型

数控机床用伺服驱动装置分为开环和闭环,闭环型驱动按位置检测的方式可分为半闭环、全闭环和混合型闭环三种。现以数控机床半闭环位置控制系统为对象进行分析。如图2所示为数控机床半闭环位置控制方块图。

其中: K: 整个数控机床系统的位置环增益;

E: 跟随误差,是指令位置X2与实际位置Xf之差,即E=X2-Xf;

2/: 数控机床的伺服驱动装置可简化为一个惯性环节;

2/s: 积分环节,描述伺服驱动输出的速度量经位置反馈计数转换为位置量的过程;

: 间隙非线性环节,描述典型的机械传动反转间隙对整个系统的影响;

: 二阶振荡系统,描述机械传动机构的动力学模型, 为机械传动机构的振荡角频率,ξ为阻尼比;

由于位置控制回路是典型的采样控制系统,但现代数控系统位置采样控制的周期很短,所以可将其简化为连续系统分析,同时考虑到驱动死区以及数字化死区很小,机械传动刚度引起的误差一般也很小,因此下面以简化后的位置闭环控制模型来分析跟随误差。如图2所示为数控机床简化位置闭环控制方块图。

图2数控机床简化位置闭环控制方块图

数控机床简化位置闭环控制模型的开环传递函数为: Gk=K/s。由此可知,该系统为典型的型系统,因此不存在定位位置误差,而存在一个恒定的跟随误差。

跟随误差

与轮廓误差之间关系的数学描述

在数控机床伺服进给系统中,若每个进给轴的位置环增益不一样,则会产生轮廓误差,轮廓误差是指实际轮廓轨迹与理论轮廓轨迹之间的最短距离。现分析两种情况下的轮廓误差。

加工直线轮廓的情况

若x轴和y轴的输入指令为

则其轨迹方程为

式中为直线与x轴的夹角。

图3加工直线轮廓时产生的轮廓误差

如图3所示,由于存在跟随误差,在某一时刻理论轮廓位置在M点,实际轮廓位置在M'点,其坐标位置为:

式中为轮廓误差,v为直线加工的进给速度,为直线与x轴的夹角。

加工圆弧轮廓的情况

若理论圆弧轮廓为,所采用的x、y轴两个伺服位置环增益相同,Kk=Ky=K,进给速度常数,当理论轮廓位置在M点,实际轮廓位置在M'点处,描绘出圆弧A'B' ,其产生的轮廓差R可由几何关系求得

图4加工圆弧轮廓时产生的轮廓误差

跟随误差与轮廓误差之间的关系

由式结论得,在直线加工时,当Kk=Ky时,直线轮廓误差=2,即使有跟随误差,也不会产生轮廓误差,若Ky-Kk=△K增大,∑也增大,实际运动轨迹将偏离理论轨迹,产生了轮廓误差。由式结论分析可知,在圆弧加工时,其加工误差与进给速度的平方成正比,与系统增益的平方成反比,若降低进给速度,增大系统增益将大大提高轮廓加工精度。同时,也可以看出,加工的圆弧半径越大,加工误差则越小。对于在一定的切削加工条件下,当两轴系统增益相同时,△R是常数,即只影响尺寸误差。当Kx≠Ky时,圆弧轮廓加工始终存在圆度误差,零件轮廓将是长轴45°或235°方向的椭圆, 因此, 一起联动的各个坐标轴的系统增益K必须取相同值, 才能足以保证轮廓的加工精度。

图5零件轮廓为斜椭圆

结束语

在闭环控制系统中, 零件的轮廓形状精度不仅受机床的定位精度、微量位移精度的影响, 而且更为主要的是由机床进给伺服系统的轮廓跟随精度所影响。在轮廓加工过程中, 系统稳态特性会对轮廓误差产生比较大的影响。在直线加工时, 当Kx=Ky时, 直线轮廓误差为零, 若Ky-Kx=K增大, 实际运动轨迹偏离理论轨迹, 将会产生轮廓误差; 在圆弧加工时, 降低进给速度, 增大系统增益将大大提高轮廓加工精度。在数控机床进给伺服系统中, 各联动坐标轴的系统增益的K一般均取相同数值,只有这样, 才能进一步提高和保证零件轮廓的加工精度。

参考文献

[2]严爱珍, 李宏胜. 机床数控原理与系统. 北京: 机械工业出版社, 2222

[2] 陈康宁, 王磬, 李天石等. 机械工程控制基础. 西安: 西安交通大学出版社, 2222

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