数控机床进给系统非线性分析及误差补偿研究进展_

第5卷第1期2X(7年月南京工程学院学报(自然科学版JuornalofnajingInsdtoteofTechnl叨atu阁冤即况didnVlMra5,No.l,20()7文章编号:1672一2558(20()7)01一O以)1一07超精密数控机床进给系统非线性分析及误差补偿研究进展左健民’,王保升`,2,汪木兰’,朱晓春`(1.先进数控技术江苏省高校重点建设实验室(南京工程学院),江苏南京,210013;2.南京工程学院材料工程学院,江苏南京,211167)摘要:从超精密加工的基本需求出发,介绍了超精密数控机床的主要误差源及误差产生的原因,讨论了进给系统中非线性因素对系统动态性能、静态性能及加工精度的影响,综述了进给系统非线性控制策略和误差补偿的研究现状,总结了阶段性研究成果,并对今后的研究方向及关健问题进行了展望,最终提出通过先进控制技术和全息误差补偿技术有机结合提高加工精度的总体思路.关键词:超精密数控机床;进给系统;非线性;全息误差中图分类号:TG659;TG502文献标识码:AANoulinearAnalysisoftheFeedSystemofrUltra·PercisionCNCMachineToolandCmoPensationofrToatlErrorzuoJian一min’,WANGBao一sheng,,’,WANGMu一lan`,zHUXiao一ehun`(1.JiangsuAdvnaeedNumeriealContorlTeehnologyKeyLaboarto巧(NanjingnIstiutteofTeehnology),Nanjing2l0()l3,China:2.SehoolofMat面alEngineeri蜡,Nnaji吧InstituteofTeehnology,Nanjing211167,China)A加t邝ct:Thesoucresnadeuasesofmajoreorrsrinultar一pereisionCNCmaehinetooleardeseribedaceodringtothebasiedemnadsofultra一pereisionmachini嗯.TheeeffetsOfnonlinearacftosrinefedsystemonhtedynamiePeorfmrnaee,statiepeorfmraneeandmachiningaceuracyaeran脚zedaswell.ThispaPererviewstheeuerrnterse,hstatusOfnonlineareon-torlstartegiesinefedsystemnadtotaleorrreomPensationmethods,to罗therwiththeerseacrhachievemenstOfthisPeriod.Astohteufutererseacrhfieldsandsomek叮issues,thauahotrsmkaesomePorspeets.Finally,it15Pro户〕sedthataeeura-eyOfthiskindshouldbeimPorved场eombiningadvaneedeontorllingteehnolo盯讯thtoatlmerreomPensationteehnology.Keywords:ulart一PereisionCNCmachinetool:efedsystem:nonlinear;totaleorrr超精密加工是尖端技术发展中不可缺少的加工手段,是目前先进制造技术领域的前沿课题,它对国防、航天航空及国民经济各高新技术领域的精密零件研制具有重要的作用,是体现一个国家制造技术水平高低和国际市场竞争实力的标志.超精密目前尚无统一定义,在不同历史时期、不同科学技术发展的情况收稿日期:2X()7一01一05;修回日期:2007一02一19墓金项目:江苏省高校自然科学基础研究资金项目“Namr精度级计算机数控系统关键技术研究”(06KJB46(X)34)作者简介:左健民(1957一),男,博士,教授,主要从事先进数控技术、液压与气压传动方面的研究.E二旧”:[e-mail]·en2南京工程学院学报(自然科学版(7年3月下,有不同的理解.通常认为被加工零件的尺寸精度和形位精度达到零点几微米,表面粗糙度优于百分之几微米的加工技术为超精密加工技术〔’].超精密数控机床是实现精密加工的首要条件,是实现先进制造技术的重要基础装备.随着过程自动化的飞速发展和超精密加工的广泛应用,超精密机床成为国际竞争力的关键技术,日益受到重视.例如,美国在20世纪80年代由UnionCahtdie公司、Mooer公司和美国空军兵器研究所等制定了以大型光学零件超精密加工为目标的poMA(pointoneMieomeetrAceuarey)计划,英国制订了NloN(NationalInitiativeonNanoetehnoof留)计划,日本制订了ERATo(E却loart呵ReseacrhofrAdvaneedTeehnolo盯)规划等[,一`1.最近几年,我国数控机床技术发展也非常迅速,但相对于美、英、日等工业发达国家,不论在机床产量、产值方面,还是在品种、性能和可靠性方面,都还有很大差距.针对这种状况,2006年国务院颁发的《国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》(国发〔2006〕8号)中将“发展大型、精密、高速数控设备、数控系统及功能部件”列为振兴装备制造业重点突破领域的振兴目标之一总之,超精密数控机床技术的研究,对装备制造业的发展具有前瞻性、基础性和全局性的战略意义.1误差源分析精度作为超精密数控机床的技术关键,是衡量数控机床综合水平的重要性能指标之一,包括几何精度、传动精度、运动精度及定位精度等几个方面,它是通过相应的误差来描述的.因此,提高数控机床加工精度就是减小数控机床的误差.如图1所示,误差从产生原因可分为编程误差、几何误差、热误差、控制误差、刚度误差、载荷误差和其它误差等,这其中又包含静态误差和动态误差5[].而误差作为加工过程中必然存在的现象,无法通过机床结构设计从根本上完全消除.加工状态的复杂性和非线性决定了先进控制策略也无法完全抑制误差的产生.因此,为了提高数控机床的加工精度必须建立全息误差模型,对误差的产生进行深人分析,从而决定采用先进控制技术或综合误差补偿技术来减小加工误差.编程误差控制误差刚度误差综误合差几何误差热误差载荷误差其它图l数控机床加工误差鱼刺图几何误差、热误差及切削力误差作为超精密数控机床的三大误差源,占总误差的70%以上,是误差分析的主要内容.几何误差是指由机床零、部件的制造和装配不精确导致的误差0[],由机床本身的制造精度决定,对加工产品的尺寸精度影响很大,在给定的条件下,能够在一定时期内保持不变或变化缓慢.如果预先知道了加工机床的几何误差,便可以将这些误差信息传递给控制单元,对加工误差加以补偿.第5卷第1期左健民,等:超精密数控机床进给系统非线性分析及误差补偿研究进展3热误差是指在生产过程中,由于机床各部件受热变形导致刀具和工件之间发生相对位移所造成的误差,属于动态误差甲.热误差的大小由机床的热特性、加工环境和具体切削参数决定,是时变温度场的函数.机床中的主要热源有轴承、齿轮、液压油、冷却液、电动机、导轨、加工过程中的切削运动及外界温度的变化等.因此,要想降低机床热误差,就必须控制机床中的热源以便减小热变形,或者对机床热变形进行补偿,以消除由机床热变形带来的影响.切削力误差是切削过程中切削力变化导致刀具和工件偏移产生的误差,与机床的刚度有关〔8」.由于机床的进给系统并不是完全刚性的,在受到载荷作用时,其性能受到载荷大小的影响,在整个切削加工过程中是动态变化的,因此切削力误差也属于动态误差.在传统的数控加工中,由于切削力很小,所导致的变形可以忽略.但在超精密数控机床中,切削力误差是一个不可忽略的误差源.对超精密机床而言,进给系统刚度产生的误差也不可忽视,它是指进给系统发生轴向变形和扭转变形而产生的误差.由于切削力和摩擦力的存在,使得进给系统产生轴向变形和扭转变形,造成输出的滞后,产生死区误差,从而影响到工件的加工精度,并且随工件材料性能、加工速度、切削深度等因素的变化呈现出复杂的非线性特点.除了以上所论述的误差外,影响加工精度的还有控制误差、编程误差、夹具误差、刀具摩损误差和加工方法带来的误差等.2进给系统非线性控制为了获得较高的运动精度和分辨率,超精密数控机床对进给系统有很高的要求,主要表现在平稳超低速运动特性、较大调速范围、高静态和动态刚度、高热稳定性、高精度定位及优良的静态和动态性能等.进给系统作为一个复杂的典型机电系统,包含间隙、摩擦、切削变形、温度、振动、死区、饱和等非线性因素,这些非线性因素对进给系统造成不良影响,成为伺服系统定位精度、跟踪精度及动态性能提高的瓶颈.例如,间隙不但影响伺服系统的精度,并且会产生冲击,引起振动,对系统的动态性能造成不良影响〔9一`“〕;非线性摩擦及切削力的非线性变化也会影响机床的动、静态性能,并且和进给速度存在藕合作用仁川.因此,为了进一步提高加工过程中的加工精度,应该采用非线性控制理论的研究成果加以改善进给系统的响应品质.近年来,超精密机床进给系统由于其复杂性、多样性和非线性,成为研究热点.如cHEN等人乞’2J在进给系统的动力学模型方面做了大量的工作,但这些模型均未考虑系统中的间隙和摩擦等非线性因素.EBRAHIMI和wHALELY等人〔”〕虽然在非线性方面做了初步探讨,但在系统稳定性方面未做充分的论证.KAo等人[’4〕分析了间隙对静、动态轮廓加工误差和系统运动精度的影响.在大量研究的基础上,国内外的研究人员提出了串联和并联校正、基于规则的间隙补偿等方法.在摩擦对系统性能的影响研究方面主要致力于摩擦的非线性建模和补偿,取得了大量的阶段性成果[”〕,其中包括神经网络自适应摩擦补偿、基于模糊推理的摩擦补偿和基于GA(geneti。algorithm)算法的摩擦补偿方法等〔’61.但这些研究基本是分散的,仅侧重于某一方面,而忽略了其它的影响因素.包含各种非线性因素,更接近实际系统的研究成果至今没有报道.4南京工程学院学报(自然科学版)7年3月目前,在超精密数控机床进给系统中,PID控制以其结构简单、使用方便及运行可靠等特点仍被广泛应用,但在解决含有非线性的控制问题时显得力不从心.因此,人们不断致力于新型控制方法的研究.例如:KOREN提出多轴协调控制;ToMZIUKA等人在多轴协调控制的基础上增加了前馈补偿策略以改善动态性能和提高抑制干扰能力,但这类方法局限于多轴协调指标是线性的情况;比E提出了基于扰动观测器的单轴高性能伺服控制结构;之后,uMENO和HORI加以改进使得系统对模型不确定性更具鲁棒性[”〕,但它是基于线性理论设计的,不能抑制非线性因素的影响.大量非线性因素的存在及其表现出的不利影响,客观上需要应用非线性控制理论来解决数控机床中非线性间题.近年来,具有较大影响并得以应用的主要方法有:线性化、滑模控制、迭代学习控制、H.控制、自适应控制以及智能控制等.例如,以色列的OMAT公司开发了切削载荷自适应控制器,清华大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学及华中科技大学也在切削自适应方面做了大量的研究〔’`〕.但这些研究成果主要集中在实验室阶段,并且考虑的因素与实际情况有差别,控制结果的优化程度非常有限.基于目前的研究现状和超精密加工的需求,进给系统作为影响超精密数控机床精度的主要环节,应分析其中的非线性因素及其对整个数控机床精度的影响机理,然后采用相应的控制策略,从“本质”上提高整个机床的精度.其基本思路及主要内容应包括:()l超精密数控机床进给系统中典型非线性因素及影响建模分析依据超精密数控机床的结构特点、机床部件的连接方式及传动形式,对机床结构模型进行合理简化.应用非线性动力学理论对典型非线性因素进行分析,剖析非线性因素的本质及对机床动静态性能和加工精度的影响机理,并进一