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国产数控机床整机的可靠性与数控系统

2020-07-06

国产数控机床整机的可靠性水平与进入口数控机床相比处于劣势,尤其是优良加工中心及车铣复合数控加工装备的可靠性指标明显低于欧美日等国生产的数控机床。其次,与数控机床配套的功能部件,如数控刀架、刀库、直线导轨、滚珠丝杠,机械手、主轴,还有一些用的定位、检测、警报装置等的可靠性水平与相比差距较大。其大多依靠进入口,拖了数控机床主机发展的后腿,成为数控机床产业发展的瓶颈。

随着现代制造业的发展,数控机床的使用已经越来越普遍。我国数控装备在可靠性方面与差距显著。数控机床可靠性研讨作为我国主要科技攻关项目,“十一五”期间把数控机床及其关键功能部件可靠性研讨放在主要位置,列为科技重大专项重要研讨内容。本文结合我国“优良数控机床与基础制造装备”科技重大专项“大型链式刀库和高速盘式刀库及自动换刀装置开发研讨”,对数控机床及其关键功能部件可靠性研讨进行归纳分析,结合现有可靠性分析数据,对数控机床及其关键功能部件可靠性研讨现状及研讨方法进行论述,探索数控机床及其关键功能部件的可靠性研讨及可靠性试验的可行方案,以期为数控机床及其功能部件可靠性水平的提升提供参考。

他们对数控机床进行现场跟随试验,收集了大量的故障数据,分析处理所获得的故障数据并进行可靠性评价,研讨故障数据的分布规律,找到数控机床可靠性的薄弱环节,从而进行可靠性增长设计,实现数控机床的可靠性增长。德国一则是对机床用户反馈的故障信息进行可靠性分析,建立了机床诊断与预测系统,并在数控机床的设计、制造及装配过程中建立了可靠性保障体系。而日本则是对数控机床进行故障诊断与分析,研讨数控机床的故障模式与故障原因,对数控机床可靠性水平的提升有重要的意义。

将多维可靠性设计转化为求解非线性方程组,然后用数值方法求解;对一般可靠性设计方法进行分析,指出其存在的不足;提出了剩余可靠度的概念,建立了剩余可靠度之和为化目标函数,可靠性条件和边界条件为约束的机械可靠性优化设计的数学模型,编制了相应的计算机程序;对过盈联接的可靠性优化设计进行了研讨,并用实例验证了研讨结果的正确性。

伺服驱动系统是进给系统的能量输入环节,是实现进给系统运动的动力源。由于电机结构非线性和驱动电路非线性,直线电机及旋转伺服电机输出的力矩并不是名义指令力矩,而是存在多阶干扰谐波成分。在高速高加速场合,进给轴处于不断加减速或频繁换向状态,此时伺服进给系统的跟随误差受到数控指令频宽、伺服系统带宽以及伺服参数的共同影响,仅靠调整伺服参数无法减小跟随误差和保障其运动性能。此外,在多轴联动加工场合,由于各轴的伺服特性、机械特性各不相同,数控系统分配给各轴的指令也不相同,导致各轴跟随误差不协调,造成联动精度下降。因此,伺服驱动系统面临的核心问题是研讨电机结构非线性(磁链谐波、三相绕组不对称、绕组匝间短路故障、齿槽效应及直线电机特有的端部效应等)和驱动电路存在非线性(三相驱动电压不对称、寄生电容、死区效应以及电流传感器反馈误差等)因素对电机力/力矩特J睦的影响机制,提出基于谐波特征的补偿策略,实现中间解祸,并根据位移波动的允差设计出控制策略。另外,需研讨加减速段伺服进给系统跟随误差的形成机制,提出相应的伺服控制方法,提高单轴控制精度和多轴联动精度。

数控系统是数控机床的控制核心,是实现前瞻、加减速和插补、规划进给速度以及输出控制指令。传统插补器是基于恒进给速度设计,加速度不连续,易对伺服进给系统产生冲击,引起系统振动。为了生成平滑的指令速度和加速度,以样条插补技术和小线段连续插补技术为代表的加速度连续或限制插补技术得到了发展和应用。但是,这些方法没有考虑到伺服进给系统的特性和机械惯性作用,在高速高精场合下,伺服系统和机械系统无法准确及时复现指令输入。因此,数控技术的核心问题是考虑伺服驱动、进给系统机械特性的速度规划和联动控制策略,此外还需考虑结构祸合对各轴运动的影响,通过分析加速度、惯性力与目标点轨迹偏差之间的关系,将加速度作为优化目标,提出的速度规划方法。

多轴联动是数控机床与普通机床的本质区别。在多轴联动高速加工过程中,各进给轴绝大多数时间处在频繁加减速运动状态下,匀速运动所占比例很小,而且各轴之间的运动状态和运动性能又各不相同,这就导致对多轴联动过程的目标轨迹准确控制变得很困难。因此,在高速高加速运动下实现高精度联动控制是优良数控机床面临的主要挑战,下面主要从机械系统、伺服驱动系统和数控系统3个方面阐述其联动控制的核心技术问题。

机械系统是联动控制的对象,作为机床传动、支撑和导向的主体,在结构上主要有单直线轴、转摆台、转摆头、结构祸合多直线轴等多种形式,组成上主要包括基础大件、移动部件和各类动静结合部,其系统动态特性取决于各种组成零部件动态特性及各类动静结合部的物理特性,而其特性好坏又直接决定了伺服进给系统的控制性能。在高速高加速条件下,机械系统结构形式的分布位置变化、移动部件的速度和加速度变化和所受负载的变化,都会造成机械系统动态特性较准静态发生改变。

因此,机械环节面临的核心问题是要分析系统零部件和动静结合部在不同位移/姿态和运动状态(速度、加速度)下所受到的移动部件重力、加工切削力、预紧力、摩擦力和惯性力等多源力以及其物理行为特性,实现系统全工作状态下的动力学性能定量计算与分析,进而对机械系统结构形式、零部件布局和尺寸参数以及装配过程参数等进行主动设计。