CNC系统加减速控制对机床结构的影响研究

机床振动是影响机床寿命和性能的重要因素之一,加减速运动是在运行过程中激发数控机床振动的重要来源,因此研究数控系统(CNC)加减速控制对机床结构的影响是很重要的。首先建立了切削力和运动之间关系、机床振动与加减速控制的关系,然后通过对加速度信号的谱分析,发现直线型加减速控制中方波型加速度信号的带宽较宽,而S型加减速控制中梯形波加速度信号是一个带通滤波器激发机床,阐明了方波型加速度信号是激发机床模态振动的根本原因。最后在数控铣床V600上的试验结果表明,直线型加减速控制引起的机床振动在模态17.5、29、38.2、43.3 Hz是S型加减速控制的220%、300%、250%、333%.     

基于滤波技术的数控系统加减速研究

针对数控系统在启动／停止时由于速度不平滑,加速度存在突变现象导致机床产生剧烈振动问题,结合滤波技术和直线加减速规划方法提出了一种新的数控机床的加减速控制方法,该方法基于离散采样模型推导了滤波后的速度、加速度、加加速度的数学表达式,证明了该方法与常规S形加减速算法等价,并给出了该方法的实现步骤,实验结果证明了该算法的有效性。     

进给系统振动特性研究及新型加减速控制策略

不平滑的运动指令导致数控机床进给过程中产生振动。本研究基于滚珠丝杠进给系统集中质量动力学模型,建立了伺服电机扭矩激励与进给系统响应的理论模型,分析了运动指令加速度曲线功率谱与进给系统振动响应的相关关系。针对加减速策略中存在的加加速曲线开始点和结束点不连续而引入振动激励的问题,提出一种类余弦加加速加减速控制策略,实现了加加速全过程的平滑过渡。以某滚珠丝杠进给实验台架为例,建立并实验验证了该台架的集中质量动力学模型,在此基础上建立了加减速控制策略激励特性分析的仿真模型,对加减速控制策略的激励特性进行了对比分析。仿真结果表明,类余弦加加速策略的激励特性最小,其工作台响应的功率密度是有限加加速策略的万分之一,是正弦加加速策略的1%。     

加加速度连续的S型加减速规划算法

传统S型加减速算法的加加速度不连续,起止端存在突变导致机床进给过程中产生柔性冲击和振动,为改善机床动力学性能,提出一种加加速度无突变且起止端连续的加减速曲线,其加速度曲线由三角函数与直线连接组成,与纯三角函数加减速曲线相比可控性更强,可充分发挥机床的最大加速度性能。根据该加减速曲线特征,分别提出位移适配法和区间判别法对加减速模式进行规划分析和探讨。区间判别法只需简单少量计算,便可快速寻找出速度取值区间,规划出曲线构型,通过一次方程求解即可获得完整加减速曲线参数,具有高效的求解效率。对规划方法给出了详细的数学描述,并对曲线算法进行仿真和实验,得到平滑连续的加速度与速度曲线。仿真和实验结果证明了研究内容的正确性和方法的可行性。     

基于分段三次样条曲线的高速加工平滑运动轮廓自适应算法研究

针对高速加工的需求,提出了一种基于分段三次样条曲线的机床运动轮廓自适应生成算法。该算法能够保证机床在高速运行过程中加加速度（加速度的变化率）的恒定、加速度的连续、速度与时间关系的一阶连续、位移与时间关系的二阶连续,并且保证在各自的约束范围内,从而使机床的运动平稳,避免产生大的冲击和振动。分析了速度、加速度、加加速度的约束条件以及机床行程对平滑运动轮廓的影响,根据这些约束条件,该算法自适应地调整速度变迁各阶段的时间。针对多个程序段的加工,提出了分段常速与平滑变迁控制的策略。该算法简单、有效,已在最新开发的国内第一台高速玻璃刻花加工中心上实现。     

连续轨迹段平滑过渡的前瞻插补算法

针对数控机床处理连续轨迹段时启停频繁、加工过程中因加速度突变所引起的冲击振动,进而导致加工效率及精度降低等问题,以多项式为基础,构建一种柔性加减速控制的前瞻插补算法。首先,在相邻轨迹转折点处建立圆弧过渡模型,根据轨迹误差及加速度等约束条件求得过渡圆弧处的最大转接速度;其次,为实现加加速度可导、加速度连续可导,提出一种基于多项式的柔性加减速算法;再次,基于柔性加减速算法和前瞻控制实现对连续轨迹圆弧衔接处速度的规划;最后,在运动平台上进行对比试验验证。试验结果表明,提出的前瞻插补算法满足系统的轨迹精度要求,速度和加速度曲线连续平滑且没有突变,保证了加工过程中的平稳性并提高了效率。     

基于曲率特性的柔性加减速NURBS插补器

为降低非均匀有理B样条段间转接时对机床的机械冲击,提出了一种基于曲率特性的柔性加减速控制方法。研究了满足插补误差要求的非均匀有理B样条梯形加减速的算法,推导了满足S型加减速要求的简化算法。用两种算法进行的基于弓高误差的非均匀有理B样条仿真加工实验表明,在曲率突变处加速度和加加速度均出现突变,对机床造成较大冲击。而基于曲率变化进行的柔性加减速的仿真试验表明,相关特性参数符合加减速的规划要求。将算法集成至自行开发的开放式控制器中,加工实验表明,该算法使数控机床的速度变化更加平稳,并具有良好的实时性。     

机器人速度控制方法的研究

机器人在启动、停止过程中会出现速度曲线不平滑,加速度突变,从而造成本体冲击、震动等情况。机器人在运动过程中,必须保证速度变化平稳,各阶段之间平滑过渡,尽可能减少因速度、加速度的突变带来的冲击等问题。针对此情况对码垛机器人的速度控制进行了研究,现阶段常用的加减速法包括直线加减速法、指数加减速法、多项式加减速法、抛物线加减速法、S曲线加减速法等。着重分析了直线加减速法、指数加减速法和多项式加减速法。     

NURBS曲线高速高精度插补及加减速控制方法研究

为满足非均匀有理B样条曲线高速高精度插补加工的需要,针对目前参数曲线插补加减速控制方法的不足,提出了一种新的控制方法.该方法考虑了高速高精度加工中容易超限的弓高误差和机床所能承受的法向加速度等因素,使进给速度既符合加减速的要求,又能随曲线曲率自适应调整,因而可在提高轮廓加工精度同时,显著地减小加工过程对机床的冲击.同时,采取了改进、简化算法,实现了快速、实时自适应的非均匀有理B样条曲线插补的加减速控制.实例表明,该方法在实时插补过程中,满足了速度和加减速的要求,保证了插补加工的高速与高精度,且实现了速度的平滑过渡.     

NURBS曲线插补技术在CNC中的应用

为了提高数控机床的加工精度和效率,在分析传统机床加工轮廓控制方案不足的基础上,提出了一种改进的NURBS曲线插补算法,该算法实现了基于S型速度曲线的加减速控制,并提出时间顺延法,加减速对称法等方法,合理解决了加减速点的预测问题,实现了在线实时自适应的加减速控制。     

A control strategy with motion smoothness and machining precision for multi-axis coordinated motion CNC machine tools

The advanced manufacture technology requires that multi-axis coordinated motion computer numerical control (CNC) machine tools have the capability of high smoothness and high precision. At present, the study of the motion smoothness mainly concentrates on the acceleration and deceleration control method and the look-ahead process of velocity planning in the interpolation stage. The control strategy of the contouring error mainly focuses on tracking error control, cross-coupling control, and optimal control. In order to improve the motion smoothness and contouring precision for multi-axis high-speed CNC machine tools, a multi-axis modified generalized predictive control approach was presented in this paper. In the control strategy, the estimation models of tracking error, contouring error, velocity error, and acceleration error were structured separately. A new improved quadratic performance index was proposed to guarantee the minimum of these errors. Generalize predictive control was also introduced, a multi-axis generalized predictive control model was deduced for motion smoothness and machining precision for multi-axis coordinated motion CNC system, and an approved multi-axis generalized predictive controller based on the model was designed in this paper. The proposed predicted control approach was evaluated by simulation and experiment of circular, noncircular, and space line trajectories, respectively. These simulative and experimental results demonstrated that the proposed control strategy can significantly improve the motion smoothness and contouring precision. Therefore, the new position control method can be used for the servo control system of multi-axis coordinated motion CNC system, which increases motion smoothness and machining precision of CNC machine tools.     

锥面砂轮数控磨齿机运动控制系统电气参数设计研究

在分析锥面砂轮数控磨齿机工作原理、结构及特点的基础上,系统地建立了锥面砂轮数控磨齿机运动控制系统重要电气参数的设计方法,分析了运动速度与电动机功率的定量关系,给出了一个锥面砂轮数控磨齿机运动控制系统电气参数的设计实例。该方法能够对锥面砂轮数控磨齿机电气参数进行更为准确合理的设计,提高系统的经济性,并能推广应用于一般数控机床运动运动控制系统电气参数的设计。     

[可靠性建模及试验技术]基于元动作模块的多轴数控机床精度分析

为充分发挥多轴数控机床大数据的价值,降低运动精度的预测难度,提出了基于元动作模块的精度分析方法。采用多体模型描述机床运动系统的结构和运动关系,利用旋量理论和微分方法推导了用于运动精度评价的坐标误差模型;规划了多轴数控机床大数据驱动的精度分析的结构框架,并重点论述了以元动作模块为基本组成单元的分布式元动作数据库的构建方法,该方法充分发挥历史大数据和实时动态数据的价值,保证了机床运动系统的仿真和精度预测的稳定性与准确性。通过对五轴联动加工中心的刀具运动系统的实例分析,验证了精度分析方法的简便性和适用性。     

Reliability estimation for cutting tools based on logistic regression model using vibration signals

As an important part of CNC machine, the reliability of cutting tools influences the whole manufacturing effectiveness and stability of equipment. The present study proposes a novel reliability estimation approach to the cutting tools based on logistic regression model by using vibration signals. The operation condition information of the CNC machine is incorporated into reliability analysis to reflect the product time-varying characteristics. The proposed approach is superior to other degradation estimation methods in that it does not necessitate any assumption about degradation paths and probability density functions of condition parameters. The three steps of new reliability estimation approach for cutting tools are as follows. First, on-line vibration signals of cutting tools are measured during the manufacturing process. Second, wavelet packet (WP) transform is employed to decompose the original signals and correlation analysis is employed to find out the feature frequency bands which indicate tool wear. Third, correlation analysis is also used to select the salient feature parameters which are composed of feature band energy, energy entropy and time-domain features. Finally, reliability estimation is carried out based on logistic regression model. The approach has been validated on a NC lathe. Under different failure threshold, the reliability and failure time of the cutting tools are all estimated accurately. The positive results show the plausibility and effectiveness of the proposed approach, which can facilitate machine performance and reliability estimation.     

数控机床发展趋势及发展策略分析

数控机床的精密程度和操作效率对整个制造业具有深远的影响,并且数控技术的自动化和智能化也是制造业未来发展的新风向.数控加工技术提高了我国制造业的发展,但是相比于西方先进国家的数控机床技术,我国数控机床在设计和制造方面还存在着一定的差距,本文对数控机床的发展现状和存在的问题进行详细的分析,并就数控机床技术未来的发展趋势以及...     

数控成形砂轮磨齿机在机测量研究

提出了利用数控机床的回转运动（C轴）和径向进给运动（X轴）形成理论渐开线，实现齿形误差的在机测量方法。通过使用Num数控系统的YK73125数控成形磨齿机上的渐开线直齿轮齿形误差的在机测量实验验证了该方法的可行性。     

数控机床振动自检系统

数控机床振动自检系统既可以提高数控机床自检的智能化程度，预防和减少各种机电故障造成的停机损失、降低维修费用和提高产品质量，同时为机床的设计、制造和使用等提供动态跟踪手段。     

并联机床数控系统的研究

在分析并联机床控制特点的基础上，介绍了美国kollmorgen公司的8轴联动运动控制卡，提出以此卡为控制核心、工业控制机为系统支撑单元的主从式7轴联动并联机床数控系统设计方案，并分析了系统硬件结构和软件模块。     

数控机床位置误差建模与补偿

基于空间机构的分析与综合,利用机器人运动学中的齐次变换,提出了数控机床几何误差的一般模型,并针对一台立式加工中心,验证了模型的正确性。所提出的模型和结论,可推广应用于多轴数控机床的误差建模与补偿。     

西门子802D控制器参数优化技术研究

在深入研究西门子802D控制系统的基础上,结合机床运动学理论,总结出适合于西门子802D控制器的参数优化方法,并重点介绍了在参数优化过程中常见问题及解决方法等.针对此控制器参数优化技术,在装有西门子802D数控系统的机床上进行试验,效果良好.