[01397340]高速数控机床进给系统动态性能演化机理及误差补偿方法

“高速数控机床进给系统动态性能演化机理及误差补偿方法”课题来源于天津市科学技术委员会天津自然科学基金一般项目,主承担单位是河北工业大学机械工程学院,负责课题基础理论研究、机理研究及关键技术研究。 针对高速数控机床进给系统复杂的机电耦合特性及耦合关系具有非线性、强时变性等特点,在多刚体动力学基础上,考虑了关键部件的弹性变形、工作台结合面参数等非线性因素,建立了具有柔性信息的直线电机进给系统刚柔耦合模型,并综合考虑直线电机伺服控制系统,运用ADAMS/Controls模块与MATLAB/Simulink构建了直线电机进给伺服系统机电耦合仿真模型;采用非线性自适应遗传算法对刚柔-机电耦合仿真模型的控制参数进行优化,对比分析了三种情况下（未优化、优化电机控制系统控制参数、优化刚柔-机电耦合模型的控制参数）阶跃响应和正弦响应,发现刚柔-机电耦合模型优化效果更好;设计了不同工作台负载对直线电机进给系统动态位移响应的影响以及不同进给速度下工作台的俯仰振动和扭摆振动实验,验证了直线电机进给伺服系统机电耦合模型及仿真分析的合理性和有效性,为高速数控机床进给系统机电耦合机理研究奠定基础,解决了高速数控机床进给系统中机械传动部件动态性能参数与伺服进给系统动力学控制参数的协同匹配及优化问题。 针对高速数控机床误差元素的时变特性,基于多体系统理论构建了几何-伺服动态综合误差模型,鉴于切比雪夫多项式的高逼近精度且以递归方式建立模型误差累积量更小等优点,采用切比雪夫多项式建立机床几何误差参数化模型,并分析了几何综合误差移动误差分量的变化规律,由此确定定位误差补偿策略;在此基础上设计了不同工况下机床两轴联动圆运动轮廓误差检测实验,分析了圆运动误差随进给速度的变化规律,由此确定依据特定工况补偿不同的比例不匹配误差和伺服不匹配误差等补偿策略,解决了复杂工况条件下高速数控机床动态误差补偿问题。 针对高速数控制造装备及CNC集成制造过程动态在线监控要求,构建集视诊、触诊、听诊、问诊等多功能HMI嵌入式多窗口监控、分布式组态监控及上位机监控分析决策为一体的监控系统,建立了多模式窗口多对象协同监控模型,实现了数控系统内外部多传感器信息的采集、处理及复杂工况模式识别、诊断、控制预警,为数控加工健康状态监控、性能分析和智能修复提供依据,并在高速数控车削加工中心、大型车铣复合加工中心、高速铣削加工中心、精密直线电机运动控制平台逐步进行应用。 技术成熟可靠,适用于高速数控车削加工中心、大型车铣复合加工中心、高速铣削加工中心、精密直线电机运动控制平台等伺服进给系统动态精度设计、精度保障及健康维护中,项目研究成果解决了高速数控机床进给系统中机械传动部件动态性能参数与伺服进给系统动力学控制参数的协同匹配及优化等难题,为高速数控制造装备动态性能稳态控制及高速数控制造装备健康维护提供技术支撑。在应用中存在的主要问题是动态误差补偿方法 目前课题研发成果在通用数控系统中集成了视诊、触诊、听诊和问诊等多传感器监测功能用于动态性能监控和误差补偿;但是在应用过程中数控系统功能无缝嵌入方面及误差智能补偿方面还存在缺陷,还没有真正实现物联式传感装置的智能监测和控制,使得动态性能演化及误差补偿技术应用有所局限。 课题组研究成果“数控机床集成监控及产业化应用”2016年2月获得河北省科技进步二等奖。