超高速数控机床控制系统的开展.docx
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1、超高速数控机床控制系统的开展高速数控加工技术是一门综合技术,实际应用中还有许多问题等待解决。这些问题包括:高速机床的动态、热态特性,刀具材料、几何形状与耐用度的关系,高速机床刀具、工夹具及工艺参数,冷却光滑、切属排除和平安操作,CNC高速高精度控制系统等。近来,航空工业总公司为解析决在航空领域中数控加工的综合技术问题,在北京航空工艺研究所成立了“数控制造技术航空科技重点实验室LANCMT,将高速数控加工技术列为主要研究内容之一。本文从主轴控制、伺服系统、CNC系统等方面,对超高速数控机床的控制系统作一介绍。1.矢量控制的PWM沟通变频控制器电主轴是高速数控机床的关键部件,目前国际上最高程度的电
2、主轴产品如瑞士Fisher公司产品,nmax40000r/min,P40kw;法国Forest-Line公司的产品ORB17,nmax40000r/min,P40kW,M9.5Nm等。轴承多采用陶瓷球轴承、磁浮轴承和空气静压轴承。高程度的电主轴从静止到最高速仅需1.5s,加速度到达1g。这些参数要求主轴控制器具有极高的动态品质、精度、可靠性和可维护性。矢量控制的PWM沟通变频系统是这种控制的最正确选择。矢量控制包括坐标变换、矢量运算非线性的复杂运算及参数检测。对于沟通电动机瞬时值进展控制的必要条件是高速运算。应用专用CPU的32位DSP进步了运算速度,执行一条指令只需见纳秒,进而到达了转矩快速
3、响应的目的。高速化的另一个因素是采用了固体驱动电路。全数字化的H/W电流控制系统,电动机转速的自适应辨识系统和电压、电流测试信号经过采样数据的处理,求出可信度极高的电动机动态参数值。这种关量控制PWM变频器的性能及规格要求是:采用矢量控制,在1Hz时有150以上的高启动转矩;采用1GBT智能功率模块,载波频率高15kHz;采用32位DSPDigitalSignalProcessor及MPU芯片,由双CPU实现全信号数字处理的复杂矢量运算和PWM控制;故障自诊断监控及显示;参数自检测和离线自设定功能;基于神经网络的自适应转速辨识才能;两种速度控制方式:恒转矩和恒功率;输出频率范围0.1400Hz
4、;加减速时间等于0.1300s等。2.快速响应,高定位精度,瞬时变构造,实时控制伺服系统和直线电动机驱动超高速加工不但要求机床有极高的主轴速度,而且要求有很高的进给速度和加速度、进给速度一般大于30m/min,加速度到达1g。在滚珠丝杠驱动方式下其极限值约为60m/min和1g,而使用直线电动机后可到达160m/min以上和2.5g以上,定位精度可高达0.50.05m。采用快速、精细、高速度和耐用的直线电动机,防止了滚珠丝杠齿轮,齿条传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚度缺乏等缺点,实现了无接触直接驱动,可获得一致公认的高精度、高速度位移运动在高速位移中的极高的定位精度和重复定位精度,并获得极好
5、的稳定性。但要到达这些要求,必须有高性能和高灵敏度的伺服驱动系统。目前,全数字沟通驱动系统已作为产品得到较普遍应用,它为伺服控制的高灵敏度及变构造控制打下了根底。用专用CPU进展电流环、速度环、位置环的全闭环控制,采用前馈控制,利用伺服跟踪预测进展前向补偿以减少跟踪误差,加快了响应速度,增加了非线性补偿控制功能,补偿了驱动机械静摩擦和粘性阻力产生的误差;利用鲁棒控制理论进展自校正控制,克制了转矩惯性及负载变化引起的误差;在高速运动中为保证高定位精度,而应用磁式高分辨率绝对位置编码器,如每转100万条刻线,分辨率0.01m等先进技术,为了到达高速加工中的响应速度快、抗干扰才能强及高的定位精度等优
6、良性能,目前多采用一种变构造的伺服控制方式。这种控制方式可以在系统瞬态变化经过中改变系统构造,而这种变化是由系统当前的状态所决定的。且这种系统具有对系统参数及外扰变化的不敏感性,并可以改善系统的动态特性,使系统快速、准确地定位或者跟踪给定曲线。3.精简指令集的CNC控制系统为了在超高速加工复杂零件时获得高精度,许多CNC系统采用了精简指令集系统,简称RISC。它可以计算系统参数产生的预期误差,并根据实际需要进展修正,进而使实际轨迹准确地跟踪编程轨迹,消除跟踪误差。RISC还具有控制加、减速,优化执行程序等功能。这种系统以FANUC16,西门子840为代表均已采用32位CPU,有些已采用64位C
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