第4章數控機床高性能技術

4.1數控機床誤差補償技術4.2數控機床振動抑制技術4.3智能數控機床大數據技術4.4智能數控機床的互聯通信4.5本章小結

思維導圖

學習目標（1）了解數控機床熱誤差、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）掌握數控機床主要的內部、外部數據感知方法；（4）熟悉數控機床的數據傳輸方案；（5）熟悉常用的數控系統互聯通訊協議；（6）熟悉NC-Link協議架構及主要組成

一、數控機床的誤差

二、熱誤差補償

三、幾何誤差補償

四、力誤差補償

§4.1數控機床誤差補償技術

一、數控機床的誤差數控機床主要由床身、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）由機床內部熱源和環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生變形，從而產生誤差，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）改善熱環境和降低熱源的發熱程度；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，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。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和相對應的熱位移實驗數據建立一定的數學關系。目前最常用的熱誤差建模方法是通過大量的實驗數據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。熱誤差補償的實施方法主要有：（1）基于FDEM（FEM+FDM）模型的熱誤差補償（2）基于神經網絡的熱誤差補償（3）基于傳遞函數的熱誤差補償（4）基于控制系統內部數據的熱誤差補償（5）高性能數控系統熱誤差補償功能三、幾何誤差補償數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。數控機床的幾何誤差來源及機床運動部件的姿態誤差如圖所示。數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的實際應用水平，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）高性能數控系統的幾何誤差補償高性能數控系統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，開發出不同特征的誤差補償功能，包括：1）西門子840D系統幾何誤差補償－VCS；2）發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數控系統為例，其解決方案為：利用數控系統中存儲的各軸的負載狀態信息，在無需添加額外測量裝置的情況下，通過TCP/IP網絡獲取各軸的負載信息。根據對主軸負載信息的分析，將進給倍率的調節控制信息通過網絡發送到PMC端，實現對進給速度的調節。結合FANUC二次開發工具FOCAS程序庫，通過以太網訪問數控系統，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數控機床振動抑制技術

一、振動測試方法機床動態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。機床振動測試二、主軸振動抑制（1）主軸振動形成原因數控機床配套使用的高速電主軸發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控機床進給軸產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）數控機床電氣元件的故障；3）數控系統參數設置不當；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生影響。3）在伺服系統參數方面，可對伺服控制系統進行伺服優化，或者通過控制系統校正，抑制進給軸的振動。（3）高性能數控系統進給軸振動抑制功能1）海德漢的動態高效功能；2）發那科系統的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生振動的原因有：1）包括刀具在內的工藝系統剛性不足，導致其固有頻率低；2）切削產生了一個足夠大的外激力；3）切削力的頻率與工藝系統的固有頻率相同。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來避開不穩定切削區域。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）調整工藝參數主動控制是指在振動控制過程中，根據傳感器監測到的振動信號，基于一定的控制策略，經過實時計算，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、數控機床大數據應用層次

二、數控機床大數據感知

三、數控機床大數據傳輸

四、數控機床大數據處理

五、智能數控機床大數據應用－iNCCloud服務平臺

§4.3智能數控機床大數據技術一、數控機床大數據應用層次以大數據的全生命周期為主線、大數據在智能數控系統中的應用方式為：從數控機床獲取數據-將數據存儲至資源池--對數據進行分析，并根據分析結果生成決策、對應地，本章節將大數據應用流程分為3個層次：數據感知、數據存儲、數據分析與應用，如圖所示。數控機床大數據應用層次二、數控機床大數據感知數控機床的狀態數據反映機床的加工特征，是實現數控機床智能化的關鍵支撐數據，包括位置、振動、速度、加速度、電流，功率，聲音、溫度等。這些狀態數據有一部分直接來自數控系統內部，與數控機床本身的控制過程緊密相關，有些狀態數據則需要借助外部傳感器間接獲取。（1）數控機床內部電控大數據感知主要包括：1）位移數據；2）速度數據；3）壓力數據（2）數控機床外部數據感知主要包括：1）溫度傳感器；2）振動傳感器；3）聲發射傳威器；4）RFID傳感器；5）條碼/二維碼傳感器二、數控機床大數據感知（3）數控機床測量數據數控機床運行過程中的感知、分析、決策等重要環節都離不開機床測量技術，刀具磨損、數控機床健康狀態、幾何量、智能傳動裝置及油液狀態等都需要精密測量，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，數控系統測量設備層出不窮，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、數控機床大數據傳輸數據傳輸是數據從感知到應用的必需環節，主要表現為以通信技術為主的各種網絡，依賴于物理設備的硬件互聯和通信網絡的協議互通。主要包括：（1）數控機床的RS-232/422/485互聯；（2）數控機床的USB互聯；（3）數控機床的RJ-45互聯；（4）窄帶物聯網；（5）5G移動網絡四、數控機床大數據處理根據數據實時性或數據量等需求，數控機床大數據的處理方式一般有兩種：云端數據處理和邊緣數據處理。如圖展示了云計算和邊緣計算數據處理的典型架構。(1)云端數據處理是指各種底層設備通過網絡連接將數據上傳至云端，并在云端對數據進行存儲和分析(2)邊緣數據處理是指各種底層設備通過網絡連接直接把數據存儲于邊緣端，以低延遲的方式對數據進行就近處理，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、智能數控機床大數據應用－iNCCloud服務平臺iNCCloud平臺的實質是數控資源集聚共享的有效載體，為工業智能化應用的創新與集成提供數據和平臺，推進傳統制造業向智能制造的轉型升級。如圖所示,應用可分為數據傳輸、數據存儲、數據分析和智能決策四大模塊，通過這四大模塊實現iNCCloud平臺的智能化應用。其功能包括：1）產品全生命周期追溯；2）設備定位；3）機床自主維修；4）故障在線報修；5）生產過程實時監測；6）預測性維修iNCCloud平臺應用

一、數控機床大數據的互聯互通互操作

二、數控系統互聯通訊協議

三、NC-Link協議

§4.4智能數控機床的互聯通信一、數控機床大數據的互聯互通互操作數控機床互聯通信實現了數控機床大數據的互聯、互通、互操作，是溝通設備與數據應用的使能技術，是“讓設備說話的技術”。主要包括：（1）數控機床大數據的互聯；（2）數控機床大數據的互通；（3）數控機床大數據的互操作二、數控系統互聯通訊協議數控系統互聯通訊協議主要有三種，分別是：（1）OPCUA協議（2）MTConnect協議（3）umati協議三、NC-Link協議NC-Link協議是由“數控機床互聯互通產業聯盟”研發的具有自主知識產權的數控機床互聯通訊協議標準，旨在打造中國自主知識產權的機床互聯通訊標準，提供更加適合數控機床的互聯通訊協議。（1）NC-Link協議特點1）獨特的數控裝備信息模型；2）支持自定義的組合數據；3）輕量級數據交換格式；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協議（2）NC-Link標準組成NC-Link標準包含五部分內容如圖所示：通用要求、設備模型，數據字典，接口要求和安全要求。設備模型、數據字典和接口要求共同構成了NC-Link協議的語義系統，決定了NC-Link協議的互操作能力。NC-Link標準組成三、NC-Link協議（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。設備層由獨立的數控裝備組成，是原始數據源；應用層是數據的最終使用方；NC-Link層在設備與應用層之間執行數據轉發，是NC-link體系架構的核心。數據的傳輸流向為設備層→NC-Link層→應用層或應用層→NCLink層→設