几种数控系统的分析与研究

数控机床直线电机进给伺服系统的动态特性分析与研究1. 数控机床直线电机进给伺服系统概述随着科技的不断发展，数控机床在工业生产中扮演着越来越重要的角色。

为了提高数控机床的加工精度和效率，近年多的研究者开始关注直线电机进给伺服系统的研究与应用。

直线电机进给伺服系统是一种采用直线电机作为驱动源的高精度、高速度、高可靠性的伺服系统，广泛应用于数控机床、机器人、自动化生产线等领域。

直线电机进给伺服系统具有很多优点，如结构简单、体积小、重量轻、响应速度快、转矩大等。

这些优点使得直线电机进给伺服系统在数控机床中的应用越来越广泛。

由于直线电机本身的特点以及伺服系统的复杂性，对其进行动态特性分析与研究具有很大的挑战性。

本文将对数控机床直线电机进给伺服系统的动态特性进行深入研究，以期为实际应用提供理论依据和技术支撑。

1.1 研究背景随着现代制造业的快速发展，数控机床在各个领域的应用越来越广泛。

数控机床的性能和精度对于提高产品质量、降低生产成本具有重要意义。

直线电机进给伺服系统作为数控机床的关键部件之一，其动态特性直接影响到数控机床的加工精度、速度和稳定性。

研究数控机床直线电机进给伺服系统的动态特性，对于提高数控机床的整体性能具有重要的现实意义。

传统的数控机床进给伺服系统主要采用步进电机驱动，虽然在一定程度上满足了加工需求，但其动态特性较差，如速度响应慢、加速度范围窄、负载能力有限等。

这些问题限制了数控机床在高速、高精度加工方面的应用。

随着直线电机技术的不断发展，直线电机进给伺服系统逐渐成为数控机床领域的研究热点。

直线电机具有功率密度高、加速度响应快、速度快、转矩大等优点，可以有效提高数控机床的性能。

由于直线电机进给伺服系统涉及到多个学科领域，如电机学、控制理论、机械设计等，因此对其动态特性的研究具有较高的难度。

本论文旨在对数控机床直线电机进给伺服系统的动态特性进行分析与研究，以期为提高数控机床的性能和稳定性提供理论依据。

基于云边协同的智能数控车间自调控系统研究与实现在数字化浪潮中，制造业的转型升级成为必然趋势。

智能数控车间作为智能制造的核心组成部分，其自调控系统的研究和实现显得尤为重要。

本文旨在探讨基于云边协同的智能数控车间自调控系统的研究与实现路径，为制造业的智能化发展提供新的思路和方向。

首先，我们需要明确什么是“云边协同”。

在这个比喻中，“云”指的是云计算平台，它如同天空中的云彩，汇聚着海量的数据和强大的计算能力；而“边”则指的是边缘计算设备，它们如同地面上的树木，扎根于生产一线，实时感知和处理数据。

云边协同就是将云计算的强大能力和边缘计算的实时性相结合，形成一种高效的数据处理和应用模式。

在智能数控车间中，云边协同的应用可以带来显著的优势。

通过边缘计算设备对车间内的机床、机器人等设备进行实时监控和数据采集，再将数据上传至云端进行分析和处理，可以实现对生产过程的精准控制和优化调度。

这种模式就像给车间装上了一双“千里眼”和一对“顺风耳”，让管理者能够随时掌握生产动态，做出及时的决策。

然而，要实现这一目标并非易事。

我们需要面对诸多挑战和问题。

首先是数据的采集和传输问题。

在车间内，各种设备产生的数据量巨大且复杂，如何确保数据的完整性和准确性是一个难题。

同时，数据传输过程中的安全性和稳定性也需要得到保障。

其次是数据分析和处理的问题。

云端虽然拥有强大的计算能力，但面对海量的数据仍然显得力不从心。

如何提高数据处理的效率和准确性是另一个需要解决的问题。

针对这些问题，我们可以采取以下措施加以解决。

一是加强边缘计算设备的研发投入，提高其数据采集和处理的能力；二是优化数据传输网络，确保数据的安全和稳定传输；三是利用人工智能等先进技术对云端的数据处理进行智能化改造，提高处理效率和准确性。

除了上述技术层面的措施外，我们还需要从管理层面进行改革和创新。

例如，建立完善的数据管理体系，规范数据的采集、传输和使用流程；加强跨部门、跨领域的合作与交流，形成合力推动智能数控车间的发展；注重人才培养和引进，为智能数控车间的发展提供有力的人才支持。

基于PLC的数控机床电气控制系统研究【摘要】本文围绕基于PLC的数控机床电气控制系统展开研究，通过分析研究背景、研究目的和意义及价值，揭示了PLC在数控机床中的应用以及数控机床电气控制系统的特点。

探讨了基于PLC的数控机床电气控制系统设计原理和研究方法，结合实际案例展示了其应用效果。

结论部分总结了研究成果，展望未来研究方向，并得出研究的启示。

通过本文的研究，有望提高数控机床的生产效率和精度，促进工业自动化的发展，具有重要的理论和实践意义。

【关键词】PLC、数控机床、电气控制系统、研究、设计原理、研究方法、应用案例、结论、未来研究方向、启示1. 引言1.1 研究背景本文旨在探讨基于PLC的数控机床电气控制系统的设计原理、研究方法和应用案例，旨在为数控机床制造商和研发人员提供参考，推动数控机床电气控制技术的进步与应用。

1.2 研究目的研究目的是为了深入探讨基于PLC的数控机床电气控制系统的设计和应用，从而提高数控机床的性能和精度，提高生产效率，降低能源消耗和成本。

通过研究，我们希望能够总结出一套科学的设计原则和方法，为数控机床领域的相关工作者提供有益的参考和借鉴，促进数控机床技术的发展和应用。

我们也希望通过这项研究，进一步推动PLC技术在数控机床领域的应用，促进数字化制造技术的发展，提高我国制造业的竞争力和创新能力。

通过研究基于PLC的数控机床电气控制系统，我们可以为我国工业自动化领域的发展做出贡献，推动我国制造业向高端、智能化方向迈进。

1.3 意义和价值基于PLC的数控机床电气控制系统具有重要的意义和价值。

这种电气控制系统可以实现自动化生产，提高生产效率，减少人力成本，提高产品质量和一致性。

基于PLC的数控机床电气控制系统可以实现多功能控制，即便在复杂的加工工艺中也能保持高度的稳定性和精度。

随着信息化和智能化的发展，基于PLC的数控机床电气控制系统还可以与其他系统进行数据共享和联网，实现智能制造。

《五轴数控系统轨迹平滑处理技术的研究与实现》一、引言五轴数控系统广泛应用于机械制造、航空航天、医疗器械等领域，其精度和效率直接影响到产品的质量和生产效率。

轨迹平滑处理技术是五轴数控系统中的重要技术之一，能够有效提高加工轨迹的平滑性和加工精度，从而提升加工质量和效率。

本文将针对五轴数控系统轨迹平滑处理技术进行研究与实现，以期为相关领域的研究和应用提供参考。

二、五轴数控系统概述五轴数控系统是一种高精度、高效率的加工设备，其通过五个轴向的运动实现复杂零件的加工。

五轴数控系统的核心是控制系统，其中轨迹规划与平滑处理是控制系统的关键技术之一。

轨迹规划是指根据零件的加工要求，生成合理的加工轨迹；而轨迹平滑处理则是对生成的加工轨迹进行优化，以提高加工精度和表面质量。

三、轨迹平滑处理技术的研究1. 传统轨迹平滑处理方法传统的轨迹平滑处理方法主要包括参数曲线拟合、离散点插值等。

这些方法虽然能够实现一定程度的轨迹平滑，但在处理复杂轨迹时，往往存在计算量大、精度不高、轨迹不平滑等问题。

2. 现代轨迹平滑处理方法随着计算机技术和控制理论的不断发展，现代轨迹平滑处理方法逐渐成为研究热点。

其中，基于优化算法的轨迹平滑处理方法具有较高的精度和效率。

该方法通过建立优化模型，将轨迹平滑问题转化为优化问题，利用优化算法求解最优轨迹。

此外，还有一些智能算法如神经网络、遗传算法等也被应用于轨迹平滑处理中。

四、五轴数控系统轨迹平滑处理的实现1. 确定优化目标在五轴数控系统轨迹平滑处理中，优化目标主要包括提高加工精度、降低表面粗糙度、减小加工力等。

根据具体需求，确定合适的优化目标。

2. 建立优化模型根据优化目标，建立相应的优化模型。

优化模型包括目标函数和约束条件。

目标函数用于描述优化目标，约束条件用于限制变量的取值范围。

3. 选择合适的算法根据优化模型的特点，选择合适的算法进行求解。

对于复杂的优化问题，可以采用智能算法如神经网络、遗传算法等。

西门子828D数控机床远程监控系统的研究与应用韩金利（山西机电职业技术学院数控工程系，山西长治046000）摘要：提出了一种基于OPC UA协议的远程监控方案。

该方案利用西门子828D数控系统内置的OPC UA服务器功能，实现西门子828D数控机床和实验电脑之间数据的传输。

文中以电脑作为远程监控客户端，利用TIA Portal软件中的WinCC RT Profissional设计了远程监控画面。

实验测试结果显示，该系统可对数控机床的各种状态信息实现可靠的监控。

关键词：OPC UA；博图；828D；远程监控中图分类号:TH164；TG659文献标志码:A文章编号：1002-2333（2019）05-0027-03 Research and Application of Siemens828D NC Machine Tool Remote Monitoring SystemHAN Jinli（School of numerical control Engineering,Shanxi Institute of Mechanical&Electrical Engineering,Changzhi046000,China）Abstract:A remote monitoring scheme based on OPC UA protocol is introduced.The scheme uses the built-in OPC UA server function of SIEMENS828D CNC system to realize data transmission between SIEMENS828D NC machine and experimental computer.This paper designs the remote monitoring client by computer,and the remote monitoring screen is designed by using WinCC RT Profissional in the TIA Portal software.The experimental results show that the system can realize reliable and effective monitoring of various state information of NC machine tools.Keywords:OPC UA;TIA Portal;828D;remote monitoring0引言随着我国经济的快速发展，数控机床在机加行业的使用越来越普遍[1-2]。

国产数控机床精度保持性分析及研究现状马军旭1,2赵万华1,2 张根保31.西安交通大学,西安,7100492.机械制造系统工程国家重点实验室,西安,7100543.重庆大学,重庆,400030摘要:通过对国产数控机床精度的大量调研发现,非正常磨损造成机床精度衰退的数目占机床总数的比例较大㊂为了更清晰地找出精度下降的原因,从主轴精度㊁基础件几何精度和各轴的运动精度入手,分别在机床的设计㊁制造和使用三个阶段分析了造成国产数控机床精度保持性差的原因㊂针对不同类型机床精度,提出了提高机床精度保持性的方法㊂关键词:精度保持性;非正常磨损;装配应力;机电匹配中图分类号:T G 659;T H 162 D O I :10.3969/j.i s s n .1004‐132X.2015.22.020R e s e a r c hS t a t u s a n dA n a l y s e s o nA c c u r a c y R e t e n t i v i t y o fD o m e s t i cC N C M a c h i n eT o o l s M a J u n x u 1,2 Z h a o W a n h u a 1,2 Z h a n g Ge n b a o 31.X i ’a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y,X i ’a n ,7100492.S t a t eK e y L a b o r a t o r y f o rM a n u f a c t u r i n g S y s t e m E n g i n e e i n g,X i ’a n ,7100543.C h o n g q i n g U n i v e r s i t y ,C h o n g q i n g,400030A b s t r a c t :W i t ha l a r g en u m b e ro f a c c u r a c y s u r v e y ond o m e s t i cC N C m a c h i n e t o o l s ,i tw a s f o u n d t h a t t h en u m b e r o f a c c u r a c y r e c e s s i o nc a u s e db y a b n o r m a lw e a r g a v e ab i g g e r p r o po r t i o n .I no r d e r t o f i n d t h e r e a s o n s o f a c c u r a c y d e s c e n d sm o r e c l e a r l y ,t h e r e a s o n s t h a t l e d t o t h e p o o r a c c u r a c y r e t e n t i v i t yi n t h e s t a g e o f d e s i g n ,m a n u f a c t u r e a n d a p p l i c a t i o n sw e r e a n a l y z e d f r o mt h r e e a s p e c t s o f s p i n d l e a c c u -r a c y ,g e o m e t r i c a c c u r a c y a n dd y n a m i ca c c u r a c y .F i n a l l y ,a i m i n g a t t h ed i f f e r e n t t y p e so fC N C m a -c h i n e t o o l s ,t h em e t h od s t o i m p r o ve a c c u r a c y r e t e n t i v i t y w e r e p r o po s e d .K e y wo r d s :a c c u r a c y r e t e n t i v i t y ;a b n o r m a lw e a r ;a s s e m b l y s t r e s s ;m a t c h i n g o f e l e c t r i c a l p a r a m e t e r a n dm e c h a n i c a l pa r a m e t e r 收稿日期:20150522基金项目:国家科技重大专项(2010Z X 04014‐015,2012Z X 04005011);国家自然科学基金资助重点项目(51235009)0 引言国产数控机床与国外数控机床的精度保持性有很大的差距,在国家科技重大专项的支持下,针对某型号卧式加工中心㊁立式加工中心和磨齿机精度保持性问题,笔者走访了10余家机床用户,翻阅了机床厂的部分维修记录,得到了机床的精度衰退情况㊂其中,卧式加工中心为:机床使用半年之后出现地脚螺栓调整12例,一年之后出现工作台消隙调整2例,其他3例㊂立式加工中心为:3个月后出现Z 轴轴承磨损6例,Z 轴刚度降低3例,半年之后出现X 轴与Y 轴联动椭圆13例,X ㊁Y ㊁Z 轴定位精度降低9例,其他2例㊂磨齿机为:3个月后出现顶尖与C 轴同轴度下降8例,半年之后出现Z 轴与C 轴平行度问题16例,Z 轴精度下降12例,X 轴精度下降8例,主轴轴承精度下降或损坏时间在1个月至1年之间不定共14例,其他5例㊂磨损是造成机床精度下降的原因㊂正常磨损情况下,机床精度保持时间与零部件(导轨㊁轴承等)寿命是相当的㊂根据对国产机床设计㊁制造过程和使用情况的调研,得到国产机床精度衰退的主要原因是运动部件间非正常磨损的结论㊂数控机床精度保持性衰退原因和提高措施因结构形式的不同而不同㊂主轴部件因高速旋转,既不同于直线进给轴的运动形式,又与旋转进给轴速度差别较大,因此,本文将主轴精度独立于几何精度之外,作为一项独立的精度指标㊂除主轴精度外,轴线的几何精度是机床精度的基础,而机床运动时的瞬态和稳态精度影响着机床的加工精度㊂为了便于找出精度衰退的原因,把机床精度分成三个部分:主轴精度㊁几何精度和运动精度[1]㊂根据调研的10余家国产数控机床用户的机床精度衰退情况得到:主轴精度衰退14例,占调研机床总数的11.5%;几何精度(不包括主轴精度,下同)衰退76例,占调研机床总数的62.3%;运动精度衰退24例,占调研机床总数的19.7%;其他精度问题8例,占调研机床总数的6.6%㊂本文针对国产数控机床精度保持性存在的问题,从主轴精度㊁几何精度㊁运动精度及整机精度㊃8013㊃中国机械工程第26卷第22期2015年11月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.监控四个方面分析了国产数控机床在设计㊁制造和使用阶段造成精度保持性差的原因及解决方法,回顾了目前国产机床精度保持性的研究现状,并给出了提高国产数控机床精度保持性的建议㊂1 主轴精度保持性分析及研究现状主轴在设计阶段的主要任务是完成结构方案㊁分配零部件公差及确定零件间的配合;在制造阶段的主要任务是合理地施加预紧力,保证主轴刚度,限制主轴温升㊂国产主轴在精度设计时往往根据设计手册选择经济精度及其配合,在制造时根据经验选择预紧力,缺少科学计算的指导㊂使用时,主轴的温升会造成轴承间隙㊁预紧力的变化,如果在设计㊁制造时考虑不充分,就会造成轴承的非正常磨损㊂密封㊁润滑不良也将直接导致轴承非正常磨损,如图1所示㊂图1 主轴精度保持性影响因素因此,造成主轴轴承非正常磨损的因素主要为:设计阶段的轴承间隙(配合)过大或过小㊁密封及润滑结构不合理,以及制造阶段预紧力过大或过小㊂1.1 轴承间隙的合理设计设计阶段,通常为了保证主轴径向跳动精度,选择较小的轴承和主轴箱间隙㊂在结构和冷却㊁润滑参数确定的情况下,间隙越大,主轴径向跳动越大;反之,间隙越小,主轴径向跳动越小,但主轴发热变形越大,容易加剧磨损或者造成轴承卡死㊂为了提高主轴的精度保持性,合理地选择轴承与主轴箱间隙,减小轴承的非正常磨损显得尤其重要㊂B u r t o n等[2]研究了主轴在使用时温度造成角接触轴承尺寸的变化情况,并给出了计算方程,但是计算精度不够高㊂J e d r z e j e w s k i等[3]为了从热变形㊁刚度等方面来评价间隙设计结果,利用有限元法和有限差分法建立了高速加工中心主轴箱混合模型,分析了因旋转速度变化形成的离心力造成的间隙变化㊂H o l k u p等[4]同时考虑了轴承滚珠㊁滚道的接触变形线性叠加轴承外圈与轴承座的热变形来计算轴承间隙㊂K i m等[5]建立了轴承间隙随外部载荷㊁转速和操作时间变化的变形曲线,为间隙设计提供了依据㊂但是其提供的是单个轴承在各种工况下的变形量,一般情况下,主轴轴承是成组使用的㊂因此,为了提高主轴的精度保持性,减小轴承非正常磨损,在设计轴承间隙时,需要同时考虑转速变化引起的离心力造成的轴承变形㊁预紧力造成的轴承发热变形㊁主轴的冷却效果以及轴承的配置方式等的影响㊂1.2 预紧力的合理选择主轴的功能是给刀具提供足够的动力和刚度来保证正常切削工件㊂在制造阶段,为了保证主轴有足够的刚度,往往对轴承施加预紧力㊂预紧力越大,主轴刚度越大,主轴发热变形也越大,轴承越容易磨损,主轴精度保持性越差㊂合理保证服役状态下主轴预紧力,能够减小主轴轴承发热造成的非正常磨损,提高主轴精度保持性㊂K i m等[6]通过预紧力测试装置和跳动测试装置测试了不同切削条件下预紧力对跳动精度的影响,优化了主轴预紧力㊂J i a n g等[7]为了获得高转速低温升㊁低转速高刚度主轴的预紧力,建立了离心力和陀螺效应影响的轴承非线性模型,利用传递矩阵法(t r a n s f e r m a t r i x m e t h o d,T MM)分析了调压预紧时的温升和刚度,得到结论:高速时,根据主轴温度变化选择预紧力,低速时,根据主轴轴承的疲劳寿命选择预紧力㊂C h e n等[8]在分析预紧力对温升的影响时,得到结论:低速时(转速n<10000r/m i n),温升与预紧力的关系不大;高速时(转速n>10000r/m i n),由于离心力造成滚珠和内圈的接触不良,所以摩擦力增大,温升增大㊂蒋兴奇等[9]为了防止高速轴承出现内沟道或钢球表面的擦伤,同时又使轴承的运转摩擦力矩最小,给出了主轴角接触轴承最小预紧载荷的计算方法㊂给出的轴承预紧力影响因素是在主轴径向载荷很小(10N)的条件下计算得到的,不能适用于机床的切削状态㊂因此,考虑使用状态下的转速㊁切削载荷㊁温升对预紧力的影响,才能保证装配时的预紧力在使用状态下是合理的,减小预紧力设置不当造成的精度衰退,提高主轴精度的保持性㊂1.3 润滑和密封不当主轴轴承的密封和润滑不当也是造成国产数控机床主轴㊁特别是磨削类主轴轴承非正常磨损的重要原因㊂申阳等[10]统计了国产主轴轴承损㊃9013㊃国产数控机床精度保持性分析及研究现状 马军旭 赵万华 张根保Copyright©博看网. All Rights Reserved.坏的形式,指出润滑不良是主轴异常磨损的一个重要因素㊂磨削类机床由于砂轮在工作时磨粒的脱落造成冷却液中杂质过多,如果轴承密封不良更容易造成主轴轴承的磨损㊂余常武[11]针对某型号磨床主轴轴承密封不严造成主轴磨损的情况(最严重的情况是试切时轴承磨损损坏),改进了主轴密封结构,使其精度保持时间延长至17个月以上㊂由国产主轴精度保持性的分析和回顾可知,提高国产数控机床主轴精度保持性的措施应在主轴的设计和制造阶段实施㊂应考虑主轴使用工况,合理设计主轴间隙㊁选择预紧力,进而提高机床主轴精度保持性㊂2 几何精度保持性分析及研究现状根据G B18400.1‐2010中几何精度的检测项目,除去与主轴精度相关的项目,几何精度主要是与运动轴线相关的精度㊂运动轴线几何精度保持性取决于基础件精度保持性㊂基础件在设计阶段的主要任务是完成结构方案,校核刚度和强度,确定导轨安装基准面等的公差;在制造阶段的主要任务是合理地消除基础件内应力以及保证装配后的几何精度㊂国产数控机床在设计时根据设计手册选择零件的经济精度,当装配精度达不到要求时,利用试凑或者采用不恰当的拧紧等措施使基础件局部变形过大来保证几何精度,造成较大的装配应力㊂内应力消除往往根据经验,缺乏规范的工艺措施㊂如果设计时不能充分考虑装配时和使用时力㊁热等造成的基础件精度变化,就会导致精度设计不合理,进而可能造成装配时产生较大的装配应力,使用时装配应力释放导致导轨滑块安装基准变化,加剧导轨滑块磨损㊂如果制造阶段内应力释放不完全,服役时,内应力释放也将导致导轨滑块的安装基准发生变化,造成导轨滑块的非正常磨损,精度保持性下降,如图2所示㊂因此,造成导轨滑块非正常磨损的主要因素为:内应力释放变形和装配应力蠕变变形等㊂2.1 内应力消除工艺机床基础件大部分为铸件,少量为焊接件,在铸造或焊接过程中会产生一定的内应力㊂为了使内应力得到充分释放,往往采用自然失效的方式处理基础件㊂自然失效周期较长,不能满足生产时,采用热时效的方式㊂热时效耗能大,基础件大小受限于时效炉的尺寸㊂目前较为流行的是振动时效㊂L i等[12‐13]利用有限元仿真得到床身的各阶振型,作为振动时效工艺参数选择的依据,但是图2 几何精度保持性影响因素没有定量给出铸造残余应力振动时效后应力变化的大小㊂低频振动时效时零件变形量大,甚至出现破坏,H e等[14]为了防止出现这种现象,提出了超过1k H z的高频振动工艺方案,在两块焊接的钢板上进行了试验验证,得到高频振动更能均化焊接件的残余应力的结论㊂焊接件一般质量较小,但是对于大型铸件,高频振动受激振能量限制,不太合适㊂胡敏等[15]针对某型号卧式加工中心床身结构,利用模态分析选择了振动时效的激振频率㊁支撑点㊁激振点和拾振点,根据工件质量选择了激振时间,根据最大动应力和激振力的关系选择了激振力大小,并且与原有振动工艺消除应力的效果进行了对比㊂目前,对振动时效的定量研究较少,大部分工厂是按照经验对大型基础件进行振动时效处理㊂因此,为了减小内应力释放变形造成的轴线基准变形以及基准变形造成的导轨滑块非正常磨损,需要规范基础件制造时的内应力工艺,定量控制内应力的大小㊂2.2 减小装配应力的措施设计时如果没有考虑移动部件重力在全行程内造成的基础件精度变化,造成装配后的轴线几何精度达不到设计要求,现场采用不恰当的拧紧等措施使基础件局部变形过大来保证导轨的直线度㊁平行度等精度,就会产生较大的装配应力㊂机床使用时,地脚螺栓中受力较大的螺栓蠕变较快,导轨安装基准变化;同时,导轨的基准变化将加剧导轨滑块的磨损,轴线几何精度丧失㊂在设计阶段,张文凯[16]根据卧式加工中心移动部件在行程内质心位置变化造成的导轨安装基准面变形,利用A N S Y S的A P D L语言优化了地脚螺栓布局,使导轨安装面直线度由11.6μm减㊃0113㊃中国机械工程第26卷第22期2015年11月下半月Copyright©博看网. All Rights Reserved.小到了8.6μm㊂减小了为保证机床精度造成的部分地脚螺栓应力,使地脚螺栓的布局设计更加合理㊂张景和等[17]在大型非球面超精密机床上设计了卸荷浮板结构,减小了导轨负荷(导轨及其上移动部件的质量)㊂当卸荷量达到12k N时,主导轨直线度为0.375μm/600mm㊂张伯鹏等[18]针对大型数控龙门铣床横梁重力变形问题,在辅助梁上设置了3个出力可控的液压千斤顶,利用遗传算法实现了自演机制,减小了重力变形造成的误差㊂上述两种方法利用改变横梁结构,增大横梁刚度,减小了重力变形对导轨直线度的影响,间接地提高了机床的精度保持性㊂但是受机床结构影响,有些机床不能通过改变结构来增大横梁刚度,只能通过制造阶段的工艺措施来合理地保证精度㊂在制造阶段,胡万良等[19]利用压电式传感器发明了智能垫铁(Z L200910024358.7),该智能垫铁能够监测机床垫铁的受力大小,用于机床在装配时保证地脚螺栓受力均匀,减小机床使用时地脚螺栓蠕变量的不一致㊂智能垫铁只是监测了地脚螺栓的受力状况,可以再改进使其能够自动调整来保证地脚螺栓受力均匀㊂郭铁能等[20‐21]针对数控重型龙门铣床超跨距横梁由于跨度大㊁滑板滑枕质量大造成的横梁向下弯曲(最大挠度可达1mm),采用对导轨面预起拱的方法来补偿横梁变形对加工精度的影响㊂利用合理的装配工艺保证机床的精度,间接地提高了机床的精度保持性㊂单个运动轴的装配应力会造成导轨滑块的非正常磨损,运动轴间的装配应力是由于固定结合面精度的设计和装配的不合理产生的,固定结合面的螺栓蠕变会造成运动轴间的垂直度㊁平行度等精度的衰退㊂螺栓蠕变常见于高温下法兰盘连接用螺栓的蠕变,而O e h l e r t等[22]㊁N e e r a j等[23]认为,常温下金属在一定载荷下也会发生蠕变,单琳豪[24]研究了船用螺旋桨在服役时的蠕变㊂目前还缺少机床结合面螺栓蠕变造成的几何精度衰退规律㊂根据几何精度保持性的分析和回顾,提高国产数控机床几何精度保持性的措施应在机床的设计和制造阶段实施㊂考虑装配应力㊁内应力等的影响,合理设计基础件精度,规范装配工艺,避免为了保证精度而牺牲精度保持性㊂3 运动精度保持性分析及研究现状数控机床的运动精度不同于准静态下的几何精度,是机床在保证几何精度的前提下,进给时运动轴在位移㊁速度㊁加速度三个方面的瞬态和稳态精度[1]㊂运动精度取决于进给系统的机电参数是否匹配㊂数控机床较普通机床最大的优势在于多图3 加工振纹轴联动,单轴的运动不稳定决定了多轴联动误差,联动加工时将在工件表面产生振纹等,影响工件的加工质量,如图3所示㊂机床使用一段时间后,机械参数中的接触刚度和阻尼等随运动副的磨损而变化;电机线圈绕组中漆包绝缘层出现老化导致线圈间的绝缘电阻值变化,输出电磁力矩中出现谐波成分㊂机电参数不再是初始的最优匹配,就会造成运动精度的下降,精度保持性变差㊂运动精度下降之后可以通过机电参数匹配在一定程度上进行恢复㊂表1所示为某台机床在使用一段时间后的运动精度对比㊂表1 某型号机床运动精度衰退及恢复对比表参数出厂最优值1年后衰退调整后恢复机械参数传动刚度(108N/m)2.932.652.65伺服参数速度环增益(H z)7.67.69.2位置环增益(H z)333.5误差值位移波动幅值(μm)1.631.991.67速度波动幅值(mm/m i n)7.959.308.25 机电参数匹配之前,需要辨识机械参数和电机参数,然后通过一定的控制算法进行匹配㊂R e n等[25]提出了子结构参数耦合辨识方法,C e l i c 等[26]基于子结构参数耦合辨识方法提出了改进的关节参数辨识方法,对固定结合部刚度进行了辨识㊂但是数控机床非正常磨损造成的是动结合部的动力学参数变化㊂胡峰等[27‐28]在丝杠径向施加简谐振动,利用初参数解析法辨识了丝杠支撑处㊁螺母处和导轨滑块处的刚度㊂邰晓辉[29]利用I n a m u r a和S a t a方法识别了系统中的轴承㊁螺母的轴向刚度和阻尼㊂但是其辨识的只是轴承和螺母的刚度,不是整个进给系统的刚度㊂陈光胜等[30]利用编码器和光栅尺的信号作为输入信号,对进给系统机械刚度进行了辨识㊂上述辨识都是在静态下进行的,而运动精度恢复需要的是动态下辨识的机械参数㊂曹锟[31]针对高速进给系统的高阶线性模型,将M序列和匀速运动信号相叠加,改进了辨识方法,对某型号机床的直线进给轴刚度进行了辨识,并利用激光干涉仪进行了验证㊂㊃1113㊃国产数控机床精度保持性分析及研究现状 马军旭 赵万华 张根保Copyright©博看网. All Rights Reserved.J o k s i m o v i c等[32]对感应电机定子绕组匝间短路故障引起的线电流频谱变化进行了建模和仿真分析,发现相比于正常电机,匝间短路故障电机线电流频谱中出现电流基频的三次谐波,正常电机中存在谐波成分的幅值增大㊂T a l l a m等[33]利用坐标变换理论得到了感应电机定子绕组匝间短路故障的瞬态模型㊂该模型能够根据误差灵敏度函数准确预测故障线电流的正序和负序部分量值㊂N i c o l a s等[34]基于电流残差定义的故障因子对永磁同步电动机匝间短路故障进行了建模和分析,考虑使用条件和参数不确定性使得预测模型能够对匝间短路电阻小于1kΩ的故障进行准确预测㊂蒋锐权等[35]利用神经元的自学习功能,提出了适用于数控机床位置伺服控制的神经元控制器,该算法结构简单,不需要知道受控对象的结构和参数,而影响精度保持性的恰恰是结构机械参数的变化,因此这种算法不能满足要求㊂I r i s a 等[36]通过辨识伺服进给系统的数学模型,将控制参数整定转化为非线性约束方程的求解过程,此方法能够得到较满意的效果,但整定过程比较复杂㊂K u o等[37]利用遗传算法对五轴数控机床的运动控制参数进行了整定,其整定后的参数在一定程度上改善了机床加工的轮廓精度㊂陈鹏展[38]提出了先获得机械表征对象特征的参考模型,再对参考模型进行控制参数寻优的方法,既保证了控制参数整定的快速性,又能得到满意的整定结果㊂李学伟[39]针对多轴联动中,轨迹预补偿方法中误差分配为考虑各轴跟随特性而导致补偿效果不理想的问题,提出了零相差轨迹与补偿控制方法,利用加工圆弧和抛物线方案进行了验证㊂根据运动精度保持性的分析和回顾,提高数控机床运动精度保持性的措施应在机床的制造和使用阶段实施㊂机械参数的辨识㊁电机参数的辨识和合理的机电匹配算法是提高国产数控机床精度保持性的关键㊂4 整机精度监控系统调研时发现,国产数控机床在使用时,由于使用不当(如切削力过载)和维护保养不足(如润滑油不够清洁)等造成机床轴承及静压导轨等零部件的过早磨损,机床精度下降的情况也较多㊂因此,针对国产数控机床的这一特殊情况,研发整机监控系统,对机床进行工作状态监控及维护保养也能延续机床的精度保持性㊂机床在使用期间,如果机床切削力过大,将加剧主轴轴承的受力,造成轴承的非正常磨损,机床精度很快下降㊂因此,监控切削力大小,设置切削过载报警有助于延长机床的精度保持性时间㊂朱晓春[40]提出通过检测主轴和进给电动机的功率和角速度,计算出切削扭矩,来实现切削过载的在线监控㊂对切削力进行监控,不仅有利于减小刀具的磨损,而且还可以减小主轴轴承因过载造成的磨损㊂润滑液不清洁会加剧运动部件间的磨损,造成导轨滑块或者轴承精度下降㊂特别是磨削类机床,磨粒脱落在冷却液中,如果轴承密封不当,极易造成轴承的磨损[11]㊂通过对润滑液清洁度监控,及时更换不合格的润滑液,定期保养机床,也有利于提高机床的精度保持性㊂张根保等[41]建立了基于液压系统清洁度熵的关键故障源提取模型,提取出了关键故障源,对其清洁度进行了控制,这样有利于减小液压元件(如静压导轨等)的非正常磨损,提高机床的精度保持性㊂李平等[42]建立了丝杆磨损量与驱动电机做功的数学模型,利用监控驱动电机做功的总量来决定丝杆是否需要维护㊂丝杠的磨损影响半闭环控制机床的定位精度和重复定位精度㊂陈宇[43]分析了机床关键功能部件故障数据,在有用性最大的基础上提出了最佳预防维修间隔时间模型,并求得该机床关键功能部件最佳预防维护间隔时间㊂对于不同类型的机床,需要监控的参数类型和参数的阈值范围是不同的,这需要根据机床的特点进一步研究才能确定㊂根据整机精度监控的分析和回顾,在机床的使用阶段,对机床工作状态及工作环境进行监控,适时地对机床进行维护保养,也能提高机床的精度保持性㊂对机床整机精度监控的项目有:润滑油的清洁度㊁液压系统压力㊁电机的功率㊁主轴振动㊁环境温度㊁湿度㊁空气清洁度㊂通过这些参数的监控,可实施维修时间在线预报和强制维护保养㊂5 提高国产数控机床精度保持性的建议通过国产数控机床精度保持性的分析及相关研究文献的回顾,根据调研的国产数控机床设计㊁制造过程和使用环境,针对机床的三类精度,为避免非正常磨损,提高国产数控机床精度保持性,在设计㊁制造和使用阶段提出以下建议㊂(1)几何精度保持性方面㊂提高措施应集中在设计和制造阶段的精度合理保证㊂造成导轨滑块非正常磨损的主要因素有:考虑移动部件质心㊃2113㊃中国机械工程第26卷第22期2015年11月下半月Copyright©博看网. 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