双闭环数控机床的设计思路

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第2 O卷第 4期 2 O 0 7年 7月

De v e l o p me n t& I n n o v a t i o n o f Ma c h i n e r y& El e c t r i c a l P r o d u c t s

机电产品开发局剀斩

Vo 1 . 2 0, No. 4

J u l y., 2 00 7

双闭环数控机床的设计思路何四平(天津职业大学，天津 3 0 0 4 0 2 )

摘要：介绍了目前闭环系统数控机床的加工原理，阐述了目前它在加工精度中存在的问题；介绍了先进的

智能化刀具技术，以及利用这种技术提高数控机床加工精度的方法；并且对该方案在技术上的实现，进行了较为详细的可行性分析；同时还预测了该技术的发展前景。

关键词：闭环；数控机床；精度；补偿；智能化刀具中图分类号 T G 6 8 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2— 6 6 7 3( 2 0 0 7)0 4— 1 6 9— 0 2

0引言随着航天航空、军事等高尖端科技领域日新月异的发展 .机械产品对加工精度的要求已越来越高 .作为现代机械制造技术的主要工艺装备一数控机床，其向高精

l

加工精度带来影响外，还有因为刀具在切削时会发生以

下几个方面的变化：①切削力的作用，使得刀具发生弹损；③产生的切削热使得刀具的温度升高，导致热膨胀变形。

I 性变形；②刀具使用一段时间后，会出现一定量的磨

度方向发展是它的必然趋势。近些年来，人们一直在为如何提高数控机床加工精度的研究发面不懈努力，也取得了相应的一些成果 .如 C刀补功能的开发利用 .系统

上述因素使得加工程序控制刀位点的运动轨迹发生偏移，从而给加工带来一定的误差，而且，它还会随着切削时间、加工工件的材料、刀具及切削用量的不同而随机地发生变化。该误差不在目前闭环系统的控制范围之内，是影响现在数控机床加工精度的一个重要因素。

的改进等。但对于有些影响加工精度的随机变量因素，一

直没有办法解决。

因为作为切削终端的刀尖位置信号不容易采集，所以，

1问题的提出目前，高精度的闭环伺服控制系统数控机床 .当指

问题显得

较为棘手 .能否对它进行控制，一直是人们在探索的问题。

令信号控制伺服电机，带着移动部件进给时，系统能通过安装在移动工作台 (或拖板 )和固定导轨上的直线位

2实现方法现在测量控制技术的概念，被称为智能化 .它是基于人体的神经网络系统，能对各种随机的、敏感的外部

置检测装置，把进给移动部件的位置信号反馈回到数控装置，经与指令值比对，然后进行差值补偿，再进给，其工作原理如图 1所示。因为它能对伺服电机输出轴至

刺激信号进行捕捉，并转换成大脑可以识别处理的信息。这种理念如果用在数控机床加工时刀具的受力变形、磨损及热膨胀变形引起的误差测量和控制技术方面，将会使现有闭环数控机床的加工精度进一步得到提高。 影响刀具加工精度的因素随机性比较大，而且需要从刀具的动态切削部分收集数据，这就使得难度增加。 现正在研制开发中的一种智能化刀具，它是采用一种具有测量功能的特殊刀具材料对刀片进行涂层 .如图 2所

进给移动部件之间的机械传动等误差自动进行补偿控制 .故其精度比不能进行误差补偿的开环系统要高得多，它也是目前使用的最为先进的数控机床。 但在切削加工过程中 .除了机床的机械传动误差给直线位移检测元件进给移动部件

指令信号

示。该材料不但具有切削所需要的高硬度、高的耐磨和耐热等性能，而且当这种刀具出现变形、磨损或温度变化时，会改变涂层的电阻，那么，只要能随机地采集到

这种变化的电讯号，并把它传回到数控装置，它具有的图1 闭环系统工作原理图

这种测量功能就会使得原来一些棘手的问题迎刃而解。在切削加工过程中，这种涂层刀片因为切削力而发生弹 (塑 )性变形、以及出现磨损和切削温度改变引起1 69

收稿日期：2 0 0 7— 0 6— 0 8

作者简介：何四平 ( 1 9 6 9一 ),男，湖南邵阳人，讲师，工学学士。

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数控机床世界

的热胀冷缩变形，使得涂层的电阻发生改变。理论上讲，涂层变化的电阻值RY与刀具的形变 6

具有一一对应的关系，对应关系为：R x= F( 6 ),那么，只要测量到这个变化的电阻值 .也就测出图 2智能化刀具

序前 .需要通过实验等手段建立起刀具形变与涂层电阻变化的数学模型，也就是建立起它们之间的对应关系，它们的关系也可以通过列表方式表示出来，以供编写补

偿计算的控制程序时使用。该工作量大，而且内容复杂，又是直接影响到这些误差控制精度的关键。如此一来。闭环系统的误差控制范围被延伸到了加

了刀具形变引起的误差。

每个电阻值 R 对应着相应的电流或电压值，这个变化的模电讯号是比较容易检测到的 .模电讯号经过相

工切削的终端一刀具，使得数控机床的控制精度进一步得到提高。这种涂层刀片的技术一旦成熟后，它就可以

应的电路转换成数字信号，其关系式为： = G( R x ),也就是= G f F ( 6 )]。切削时，刀片变形引起的电流或电压变化值经过传感技术在线检测后，由 MD转换电路转

作为数控机床专用刀具使用，其前景非常广阔。

3方案分析( 1 )控制进给功能都是现成的，但需要在目前闭环

换成数字信号，输入到数控装置，那么，数控装置就可以根据实际切削时，因为刀具变化引起的误差 6,由控制程序根据关系式= Gf F ( 6 )]计算得来的值，随机地进行补偿和控制进给，基本原理如图 3所

数控机床的基础上，考虑系统程序对这些方面的误差进行补偿计算，这个补偿值应是该闭环需补偿的量 6与原来闭环需补偿的量 6 之和，此时系统需补偿的值是 6 - - 8+ 8 。( 2 )突破这项技术的难点是，这种涂层刀片必须与

示。这就相当于在原来的闭环系统基础上又增加了一个 封闭环，而成

系统配套，也就是说，系统程序处理的数据来源必须与确立系统程序的依据是一一对应关系。当然，它的技术一

旦成熟后，这种刀具可以统一它的标准，问题也就会迎刃而解。 参考文献：[ 1]李华 .机械制造技术[ M] .北京：机械工业出版社， 2 0 0 4 . f 2]刘跃南 .机床计算机数控及其应用[ M] .

北京：机械工业出版社， 2 0 0 3 .

为双闭环数

塞控机床。在编写图 3双闭环控制系统原理图

[ 3]张绍军.旋转刀具的发展趋势[ M] .成都：工具技术， 2 0 0 4, 1 0 .f 4]杜君文 .数控技术[ M】 .天津：天津大学出版社， 2 0 0 2 .

它的控制程

Me t ho d o f I m pr o vi n g Pr o c e s s Ac c ur a c y o f CNC Ma c h i n eHE S i一

( T i a n j i n P r o f e s s i o n a l Co l l e g e,Ti a n j i n 3 0 0 4 0 2,Ch i n a )Abs t r ac t: Th i s pa p e r i n t r o d uc e s t he l o o p s y s t e m t o CN C Ma c ine h p r o c e s s i n g p r i nc i p l e s a t p r e s e n t,And d i s c us s e s i t s p r o b l e ms i n p r oc e s s a c c u— r a c y a t p r e s e n t,i nt rod u c e s a d v a n c e d t e c h n i q ue s o f i n t e l l i g e n t i z e d c ut t e r,a n d i s t s o l u io t n s t ha t i mp r o v e p r o c e s s a c c u r a c y o f CN C Ma c h i ne b y

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