智能數(shù)控機床與編程 課件 第4章 數(shù)控機床高性能技術

第4章數(shù)控機床高性能技術

4.1數(shù)控機床誤差補償技術4.2數(shù)控機床振動抑制技術4.3智能數(shù)控機床大數(shù)據(jù)技術4.4智能數(shù)控機床的互聯(lián)通信4.5本章小結

思維導圖

學習目標（1）了解數(shù)控機床熱誤差、幾何誤差和力誤差補償方法及意義；（2）理解數(shù)控機床主軸振動、進給軸振動和刀具振動的抑制方法；（3）掌握數(shù)控機床主要的內(nèi)部、外部數(shù)據(jù)感知方法；（4）熟悉數(shù)控機床的數(shù)據(jù)傳輸方案；（5）熟悉常用的數(shù)控系統(tǒng)互聯(lián)通訊協(xié)議；（6）熟悉NC-Link協(xié)議架構及主要組成

一、數(shù)控機床的誤差

二、熱誤差補償

三、幾何誤差補償

四、力誤差補償

§4.1數(shù)控機床誤差補償技術

一、數(shù)控機床的誤差數(shù)控機床主要由床身、立柱、主軸和各種直線導軌或旋轉軸等部件組成，機床部件在制造裝配和使用過程中會產(chǎn)生各種誤差。機床的各種誤差最終反映為刀具中心點的實際空間軌跡與理論空間軌跡的差別，如圖所示，誤差源包括4類，分別為：1）在無負荷或精加工條件下機床的幾何/運動誤差；2）由機床內(nèi)部熱源和環(huán)境溫度變化而造成的熱誤差；3）由切削力和慣性力引起的動態(tài)誤差；4）與夾具和裝夾有關的誤差機床的誤差二、熱誤差補償（1）熱誤差來源因機床的溫度變化導致機床的結構發(fā)生變形，從而產(chǎn)生誤差，稱為熱變形誤差或熱誤差，機床的熱變形是影響加工精度的主要原因之一。改善機床的熱特性并減少熱誤差，通常有四種途徑：1）改善熱環(huán)境和降低熱源的發(fā)熱程度；2）改進機床的結構設計；3）控制機床重要部件的升溫，采取措施對其進行有效冷卻和散熱；4）建立溫度變量與熱變形之間的數(shù)學模型，用軟件預報誤差二、熱誤差補償（2）熱誤差分析與檢測通過分析機床加工過程中所產(chǎn)生的熱變形誤差的因素，檢測和采集誤差源、加工誤差、加工位置及溫度分布等參數(shù)，確定引起機床熱變形誤差的熱源分布情況。熱誤差分析與檢測的基礎是建立熱誤差測量系統(tǒng)。誤差測量包括溫度測量和熱變形測量。溫度傳感器分布示例數(shù)字式溫度傳感器的接入五點式位移傳感器測量熱變形二、熱誤差補償（3）熱誤差建模熱誤差模型的建立就是將所篩選出的溫度敏感點實驗放據(jù)和相對應的熱位移實驗數(shù)據(jù)建立一定的數(shù)學關系。目前最常用的熱誤差建模方法是通過大量的實驗數(shù)據(jù)對機床各部件熱變形與敏感點的溫度變量進行擬合建模，多元線性回歸方法是最常用的熱誤差補償建模方法之一，由多個自變量的最優(yōu)組合共同預測或估計因變量。二、熱誤差補償（4）熱誤差補償熱誤差補償可以分為三種情況：針對主軸熱變形的熱誤差補償、針對絲杠膨脹的補償以及同時包含主軸和絲杠熱變形的補償。熱誤差補償?shù)膶嵤┓椒ㄖ饕校海?）基于FDEM（FEM+FDM）模型的熱誤差補償（2）基于神經(jīng)網(wǎng)絡的熱誤差補償（3）基于傳遞函數(shù)的熱誤差補償（4）基于控制系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)的熱誤差補償（5）高性能數(shù)控系統(tǒng)熱誤差補償功能三、幾何誤差補償數(shù)控機床的主要零部件在制造、裝配過程中存在誤差，會直接引起機床的幾何誤差。該誤差不僅影響工件加工精度，而且當誤差較大時會直接導致加工工件無法滿足加工要求。研究幾何誤差建模及補償方法將有利于減少幾何誤差，提升加工質量。（1）幾何誤差測量。機床誤差檢測分為單項誤差分量檢測和綜合誤差分量檢測兩種方法。數(shù)控機床的幾何誤差來源及機床運動部件的姿態(tài)誤差如圖所示。數(shù)控機床幾何誤差類型三、幾何誤差補償（2）幾何誤差建模機床結構以運動副的連接來實現(xiàn)刀具和工件的相對運動。理想情況下，刀位點的位置就是工件編程指示的位置，但實際加工中，這兩個位置不一定重合，二者之間的誤差就是空間定位誤差。每個運動部件皆可按照剛體運動學以桿件和鉸接符號來建立運動學模型，描述運動鏈相互關系。5軸龍門加工中心的運動學模型三、幾何誤差補償（3）幾何誤差補償幾何誤差補償分為實時補償和非實時補償兩種方式。實時補償受限于實時補償周期，適宜中低速度下進行；為提升空間誤差補償?shù)膶嶋H應用水平，研究空間誤差離線補償（非實時）技術，設計針對加工代碼修正的離線誤差補償模塊。與三軸機床相比，五軸機床增加了旋轉軸，除了直線進給軸的空間誤差外，旋轉運動軸也會有空間誤差，所以五軸機床誤差補償還需要進行機床旋轉軸與旋轉軸之間的誤差參數(shù)的測量和補償。幾何誤差補償原理示意圖旋轉軸的六項幾何誤差三、幾何誤差補償（4）高性能數(shù)控系統(tǒng)的幾何誤差補償高性能數(shù)控系統(tǒng)在幾何誤差補償技術上進行了深入研究，取得了關鍵技術突破，開發(fā)出不同特征的誤差補償功能，包括：1）西門子840D系統(tǒng)幾何誤差補償－VCS；2）發(fā)那科的三維誤差補償和三維機床位置補償；3）大隈OKUMA的幾何誤差測量與補償功能四、力誤差補償力誤差是加工誤差的主要來源之一。數(shù)控機床在加工過程中，由于切削余量的隨機波動導致切削力波動，使加工變形不均勻而映射到加工表面的加工誤差稱為力誤差。建立切削力誤差模型的關鍵是加工過程中切削力的實時準確測量，以FANUC數(shù)控系統(tǒng)為例，其解決方案為：利用數(shù)控系統(tǒng)中存儲的各軸的負載狀態(tài)信息，在無需添加額外測量裝置的情況下，通過TCP/IP網(wǎng)絡獲取各軸的負載信息。根據(jù)對主軸負載信息的分析，將進給倍率的調(diào)節(jié)控制信息通過網(wǎng)絡發(fā)送到PMC端，實現(xiàn)對進給速度的調(diào)節(jié)。結合FANUC二次開發(fā)工具FOCAS程序庫，通過以太網(wǎng)訪問數(shù)控系統(tǒng)，獲得各軸相應的負載信息，不用添加傳感器等設備，更加方便、快捷、有效。

一、振動測試方法

二、主軸振動抑制

三、進給軸振動抑制

四、刀具振動抑制

§4.2數(shù)控機床振動抑制技術

一、振動測試方法機床動態(tài)性能測試是典型的機械振動測試討程，振動測試的基本流程如圖所示。不同激振方式和激振器的技術特點不同，電動和電液激振技術成熟，應用廣泛。采用電動、電液和壓電相對激振時，激振器安裝在刀具（主軸）與工件（工作臺）之間，機床處于靜止狀態(tài)。機床振動測試二、主軸振動抑制（1）主軸振動形成原因數(shù)控機床配套使用的高速電主軸發(fā)生振動的原因有很多，主要有三類原因：1）電主軸的共振；2）電主軸的電磁振蕩；3）電主軸的機械振動（2）主軸振動抑制方法主軸振動抑制可從三方面入手：1）變速切削技術；2）主軸軸承預緊力控制；3）主軸系統(tǒng)自平衡控制三、進給軸振動抑制（1）進給軸振動形成原因導致數(shù)控機床進給軸產(chǎn)生振動的原因有很多，大致可分為四類：1）機械傳動方面的故障；2）數(shù)控機床電氣元件的故障；3）數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)設置不當；4）機床共振三、進給軸振動抑制（2）進給軸振動抑制方法1）在機械傳動方面，可通過改善機械傳動部件結構進行抑制。2）在電氣元件方面，可通過選用新型直線電機、采用電氣電柜的電磁屏蔽等措施來避免對進給軸運動產(chǎn)生影響。3）在伺服系統(tǒng)參數(shù)方面，可對伺服控制系統(tǒng)進行伺服優(yōu)化，或者通過控制系統(tǒng)校正，抑制進給軸的振動。（3）高性能數(shù)控系統(tǒng)進給軸振動抑制功能1）海德漢的動態(tài)高效功能；2）發(fā)那科系統(tǒng)的SERVOGUIDE功能；3）馬扎克的防振動功能四、刀具振動抑制（1）刀具振動形成原因刀具在切削工件時產(chǎn)生振動的原因有：1）包括刀具在內(nèi)的工藝系統(tǒng)剛性不足，導致其固有頻率低；2）切削產(chǎn)生了一個足夠大的外激力；3）切削力的頻率與工藝系統(tǒng)的固有頻率相同。四、刀具振動抑制（2）刀具振動抑制方法刀具切削振顫的控制方法分為兩種：被動控制和主動控制。被動控制是指通過改進刀具結構和材料、選擇合適的加工工藝參數(shù)來避開不穩(wěn)定切削區(qū)域。被動控制具體實施方法有：1）刀具振動控制2）工件振動控制3）調(diào)整工藝參數(shù)主動控制是指在振動控制過程中，根據(jù)傳感器監(jiān)測到的振動信號，基于一定的控制策略，經(jīng)過實時計算，通過驅動器對控制目標施加一定的影響，達到抑制或者消除振動的目的。

一、數(shù)控機床大數(shù)據(jù)應用層次

二、數(shù)控機床大數(shù)據(jù)感知

三、數(shù)控機床大數(shù)據(jù)傳輸

四、數(shù)控機床大數(shù)據(jù)處理

五、智能數(shù)控機床大數(shù)據(jù)應用－iNCCloud服務平臺

§4.3智能數(shù)控機床大數(shù)據(jù)技術一、數(shù)控機床大數(shù)據(jù)應用層次以大數(shù)據(jù)的全生命周期為主線、大數(shù)據(jù)在智能數(shù)控系統(tǒng)中的應用方式為：從數(shù)控機床獲取數(shù)據(jù)-將數(shù)據(jù)存儲至資源池--對數(shù)據(jù)進行分析，并根據(jù)分析結果生成決策、對應地，本章節(jié)將大數(shù)據(jù)應用流程分為3個層次：數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析與應用，如圖所示。數(shù)控機床大數(shù)據(jù)應用層次二、數(shù)控機床大數(shù)據(jù)感知數(shù)控機床的狀態(tài)數(shù)據(jù)反映機床的加工特征，是實現(xiàn)數(shù)控機床智能化的關鍵支撐數(shù)據(jù)，包括位置、振動、速度、加速度、電流，功率，聲音、溫度等。這些狀態(tài)數(shù)據(jù)有一部分直接來自數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部，與數(shù)控機床本身的控制過程緊密相關，有些狀態(tài)數(shù)據(jù)則需要借助外部傳感器間接獲取。（1）數(shù)控機床內(nèi)部電控大數(shù)據(jù)感知主要包括：1）位移數(shù)據(jù)；2）速度數(shù)據(jù)；3）壓力數(shù)據(jù)（2）數(shù)控機床外部數(shù)據(jù)感知主要包括：1）溫度傳感器；2）振動傳感器；3）聲發(fā)射傳威器；4）RFID傳感器；5）條碼/二維碼傳感器二、數(shù)控機床大數(shù)據(jù)感知（3）數(shù)控機床測量數(shù)據(jù)數(shù)控機床運行過程中的感知、分析、決策等重要環(huán)節(jié)都離不開機床測量技術，刀具磨損、數(shù)控機床健康狀態(tài)、幾何量、智能傳動裝置及油液狀態(tài)等都需要精密測量，并通過誤差補償來提高機床使用壽命及工件加工精度。目前，數(shù)控系統(tǒng)測量設備層出不窮，比較常用的有激光干涉儀和機床測頭等。主要包括：1）激光干涉儀；2）機床測頭三、數(shù)控機床大數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸是數(shù)據(jù)從感知到應用的必需環(huán)節(jié)，主要表現(xiàn)為以通信技術為主的各種網(wǎng)絡，依賴于物理設備的硬件互聯(lián)和通信網(wǎng)絡的協(xié)議互通。主要包括：（1）數(shù)控機床的RS-232/422/485互聯(lián)；（2）數(shù)控機床的USB互聯(lián)；（3）數(shù)控機床的RJ-45互聯(lián)；（4）窄帶物聯(lián)網(wǎng)；（5）5G移動網(wǎng)絡四、數(shù)控機床大數(shù)據(jù)處理根據(jù)數(shù)據(jù)實時性或數(shù)據(jù)量等需求，數(shù)控機床大數(shù)據(jù)的處理方式一般有兩種：云端數(shù)據(jù)處理和邊緣數(shù)據(jù)處理。如圖展示了云計算和邊緣計算數(shù)據(jù)處理的典型架構。(1)云端數(shù)據(jù)處理是指各種底層設備通過網(wǎng)絡連接將數(shù)據(jù)上傳至云端，并在云端對數(shù)據(jù)進行存儲和分析(2)邊緣數(shù)據(jù)處理是指各種底層設備通過網(wǎng)絡連接直接把數(shù)據(jù)存儲于邊緣端，以低延遲的方式對數(shù)據(jù)進行就近處理，從而及時向控制設備反饋處理結果。云端計算與邊緣計算體系架構五、智能數(shù)控機床大數(shù)據(jù)應用－iNCCloud服務平臺iNCCloud平臺的實質是數(shù)控資源集聚共享的有效載體，為工業(yè)智能化應用的創(chuàng)新與集成提供數(shù)據(jù)和平臺，推進傳統(tǒng)制造業(yè)向智能制造的轉型升級。如圖所示,應用可分為數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析和智能決策四大模塊，通過這四大模塊實現(xiàn)iNCCloud平臺的智能化應用。其功能包括：1）產(chǎn)品全生命周期追溯；2）設備定位；3）機床自主維修；4）故障在線報修；5）生產(chǎn)過程實時監(jiān)測；6）預測性維修iNCCloud平臺應用

一、數(shù)控機床大數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通互操作

二、數(shù)控系統(tǒng)互聯(lián)通訊協(xié)議

三、NC-Link協(xié)議

§4.4智能數(shù)控機床的互聯(lián)通信一、數(shù)控機床大數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通互操作數(shù)控機床互聯(lián)通信實現(xiàn)了數(shù)控機床大數(shù)據(jù)的互聯(lián)、互通、互操作，是溝通設備與數(shù)據(jù)應用的使能技術，是“讓設備說話的技術”。主要包括：（1）數(shù)控機床大數(shù)據(jù)的互聯(lián)；（2）數(shù)控機床大數(shù)據(jù)的互通；（3）數(shù)控機床大數(shù)據(jù)的互操作二、數(shù)控系統(tǒng)互聯(lián)通訊協(xié)議數(shù)控系統(tǒng)互聯(lián)通訊協(xié)議主要有三種，分別是：（1）OPCUA協(xié)議（2）MTConnect協(xié)議（3）umati協(xié)議三、NC-Link協(xié)議NC-Link協(xié)議是由“數(shù)控機床互聯(lián)互通產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權的數(shù)控機床互聯(lián)通訊協(xié)議標準，旨在打造中國自主知識產(chǎn)權的機床互聯(lián)通訊標準，提供更加適合數(shù)控機床的互聯(lián)通訊協(xié)議。（1）NC-Link協(xié)議特點1）獨特的數(shù)控裝備信息模型；2）支持自定義的組合數(shù)據(jù)；3）輕量級數(shù)據(jù)交換格式；4）對異構設備或平臺高度兼容；5）獨特的安全性設計三、NC-Link協(xié)議（2）NC-Link標準組成NC-Link標準包含五部分內(nèi)容如圖所示：通用要求、設備模型，數(shù)據(jù)字典，接口要求和安全要求。設備模型、數(shù)據(jù)字典和接口要求共同構成了NC-Link協(xié)議的語義系統(tǒng)，決定了NC-Link協(xié)議的互操作能力。NC-Link標準組成三、NC-Link協(xié)議（3）NC-Link體系架構NC-Link標準的體系結構包括：設備層、NC-Link層、應用層，如圖所示。設備層由獨立的數(shù)控裝備組成，是原始數(shù)據(jù)源；應用層是數(shù)據(jù)的最終使用方；NC-Link層在設備與應用層之間執(zhí)行數(shù)據(jù)轉發(fā)，是NC-link體系架構的核心。數(shù)據(jù)的傳輸流向為設備層→NC-Link層→應用層或應用層→NCLink層→設