数控机床的系统讲解与减少机床热误差方法

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控制变得困难。因此，在高速运动下实现联动控制是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。

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究电机结构非线性(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，需研究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。

要提高机床的精度和热性能，在设计阶段，从提高机床的热特性、热刚度入手，实现机床的主动热控，从根本上提高机床的热性能。虽然人们自20世纪40年代就已开始对机床热特性进行研究，但是由于传统机床在精度和速度上没有现代制造要求的这么高，热问题不严重，且由于机床及其部件类型和负载的多样性、结构的复杂性以及机床温度场和热变形受多种因素的影响，故其研究一般都是针对具体机床，采用实验研究法或数值模拟法，分析机床的各种热源及其对机床温度场的影响，在机床热设计方面就形成了“头疼医头、脚疼医脚”的现象，没有形成系统的理论、方法和分析工具，这显然与当前机床高速发展的要求不相适应。

大量研究与加工实践表明，对于高速机床，由热变形引起的加工制造误差所占的比例为40%~70%，热问题已成为影响机床精度的关键因素。为了减小机床热变形对加工精度和精度稳定性的影响，需要从设计、制造和使用等方面进行综合分析与优化。减少机床热误差的主要方法有两种：一是在设计阶段提高机床的热特性；二是在运行阶段对机床进行热误差补偿。目前常用的是在数控系统中根据热变形进行热误差补偿。热误差补偿法在范围内可提高加工精度，有助于降低设计制造成本。但是，它是一种被动的和事后补偿的方法，其补偿范围和性具有的限制。当一个机床的热特性比较差的时候，仅靠事后的热补偿是无法满足加工精度要求的。