数控机床进给伺服系统特性对加工精度影响的研究

iamheather

数控机床在进行连续切削加工中，为了保证轮廊形状精度，除了要求机床有较高的定位精度之外，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，即系统要求具有高的轮廊跟随精度。轮廊跟随精度与伺服驱动系统的稳态和动态特性有关。在轮廊加工过程中，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轴运动的位置与速度，由于系统的稳态和动态特性，会影响坐标轴的协调运动和位置的精度性，产生轮廊的形状误差。
1  跟随误差的形成
数控机床的伺服进给系统均可简化为一阶系统来论述。当恒速输入时，稳态情况下系统的运动速度与指令速度值相同，但两者的瞬时位置却有一恒定的滞后。如图 1 所示，曲线 1 为某一坐标轴的位置命令输入曲线，曲线 2 为实际运动的位置时问曲线。当时t=t时，系 统进入稳 态，实际位 置总是滞后 命令位置一个E值 ( 即跟随误差 ) 。 如在ti时 刻，指令位 置在yi点， 此时实际位置在 Yi  ，则跟随误差 E i=yi—yi ‘ 。在t时刻，插补完成，再没有新的位置命令发出，此时仍存在跟随误差 E ，但坐标仍需继续运动，直到 t 。时刻实际位置到达y。，即跟随误差为零时才完全停止。
由上可得跟随误差的计算公式：
% J( x" I, p- Z- m$ G' O0 W% K8 NE = U ／ Ku ；
3 T" F$ u; Q4 J0 _: |
图1  恒建输入下的稳态误差
式中： U ——移动坐标的运动速度，
0 o+ T3 e+ }2 w! E' d- J —— 系统增益。
愈大，跟随误差愈小，但托过大会使系统稳定性能变差，且运动速度与跟随误差成正比。
2  跟随误差与轮廓误差的相互关系
轮廊误差是指实际轨迹之间的最短距离。此仅分析直线和圆弧两种情况下产生的轮廊误差。
* k5 @, W% O  D5 X3 s4 z1)  加工直线轮廊的情况若两轴的输入指 令为： Y(t)=  Uy *t ， X( t )= Ux *f 则轨迹 方程为： Y=  Uy  *  x ／ Ux
由于存在跟随误 差，在某一时刻指令位置在p（x,y）点，实际位置在p 点，如果2所示，其坐标位置为：
* I1 W) x( y* V" s2 z （1）
其中跟随 误差Ex，Ey，为
  D% q2 A) w+ E. G- Y4 V9 W- S1 f （2）
1 N2 q# u9 U4 I9 F" G. R式中 为x轴和y轴的系统增益。
2 X8 o! T( y1 J2 W$ O从式样（1）中消去t，得实际轨迹方程为：
) ?3 u" q$ y; l8 Q9 k& {& c) k （3）
轮廓误差可由解析集合法求得p 点至指令直线的距离
  x; o! i. Z1 |+ d* H   （4）
6 a2 z! O2 R# a将（2）式代入（4）得，
（5）
7 d6 y: S$ b1 j1 ~2 F% b- x; e* a式中： 为平均增益；△Ku=Kux-Kuy为x,y轴系数的差值△Ku/ Ku为系统增益的失配量， 为进给速度。
( G- ~% j4 }' Q9 G) }) J1 j6 J当Kux=Kuy时，△Ku=0，所以， =0。即当两轴的系统增益相同时，即使有跟随误差，也不会产生轮廓误差。当△Ku增大， 就增大，实际运动轨迹将偏离指令轨迹，产生轮廓误差。
2）加工圆弧轮廊的情况
若指令圆弧为x2+ y2=R 2  ，所采用的x、Y 轴两个同弧系数增益相同，Kux=Kuy =Ku ，进给速度U= = 常数，当指令位置在 p( x，y) 点，实际位置在点 p(  x-Ex-Ey ) 处，如图3 所示。描绘出圆弧 ，其半径△ R 可由几何关系求得：
（6）
/ I! ~. X6 Q4 E. r) R2 h所以得：
# ^9 z* @, n9 Z& g( M8 S2 ?由 (6) 式可知，加 式误差与进给速度的平方成正比，与系统增益的平方成反比， 降低进给速度，增大 系统增益将大大提高 圆弧轮廓加工精度。 同时可以看出，加工圆弧半径越大，加工误差越小。对于一定 系统增益相同时，△ R 是常值，即只影响尺寸误差，该项误差可以根据零件的精度要求，在编程时予以补偿。

! B5 D- b, U2 u5 q. ^# _! {图2  跟随误差对加工圆弧的影响

' `+ ^$ l5 E8 z2 g$ l实际上，大多数连续削控制系统中各坐标轴的增 益特性常稍有差别，在加工圆弧时将会产生形状误差 ( 即成为椭圆 ) 。因此在进行系统调试时，要求将各轴的系统增益岛值调整得尽量接近，其值应尽量高。根据实际生产经验得：当进轮廊加工时，切削进给 F 取： 100=