CN102789204A - 经济型数控车床的高速螺纹插补方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于数控加工制造技术领域，具体来说是涉及经济型数控车床高速切削螺纹时的螺纹插补方法。该方法通过采样当前周期的主轴转角，预测下一周期的理论转角值，然后根据这个理论值推导出进给轴的同步进给控制量，同时依据伺服系统的动态特性，对进给轴做一个跟随误差的补偿，保证进给轴能始终跟随主轴同步运行在同一条螺旋线上，降低了主轴速度波动和伺服系统动态特性对螺纹加工质量的影响，避免乱牙现象的产生。该方法无需同步脉冲和相应的硬件电路，不但简化了硬件结构，而且有利于提高控制系统的可靠性，能够很好地应用于实际生产，对提高生产效率和螺纹质量都起到重要的作用。

Description

经济型数控车床的高速螺纹插补方法

技术领域

本发明涉及数控加工技术领域，具体的来说是一种经济型数控车床在高速切削螺纹时的螺纹插补方法。

背景技术

在螺纹加工中，往往要经过多次往复切削才能达到所需的深度。因此，要加工出高精度的螺纹，不仅要保证每次切削中，主轴和进给轴的正确联动，而且还要保证每次重复切削的初始切削点与首次切削点重合，否则会出现乱牙现象。

解决此问题的基本思路分为两步：第一步通过首次切削加速过程结束并转入稳态过程的瞬间，动态采样主轴和进给轴的坐标值(θ_b，X_b)，将其作为同步基准点。第二步，在后续的重复切削中，根据同步基准点和同步关系预测本次的同步点(θ_s，X_s)，然后以该点为目标，控制主轴做匀速运动，进给轴做加速运动，使主轴达到θ_s的同时，进给轴达到X_s，从而实现切削轨迹为同一条螺旋线。此后按正常联动关系对主轴和进给轴进行联动控制，依次循环第二步即可保证加工螺纹不但螺距符合要求，而且其牙形的轴向位置与首次切削重合。

由于经济型数控车床的主轴主要采用变频器控制，反映在螺纹加工中就是进给轴为被动轴，也就是说进给轴跟随主轴的实际位置做同步运动。因此，其同步点的预测方法为：数控系统通过采样当前周期主轴的转角θ_i，将其转换为下一周期的同步进给控制量X_i+1。但由于每个采样周期的主轴位置都有一个理论增量，即θ_i+1＝θ_i+Δθ，使得预测出的同步进给控制值偏小。此外，主轴转速的波动及伺服系统的动态特性也不能满足进给轴与主轴联动插补的要求，反映在螺纹加工中就是进给轴相对于主轴运动会产生跟随误差，使得螺纹实际加工轨迹发生变化，严重影响螺纹的加工精度，甚至产生废品。

发明内容

为了解决高速螺纹加工中进给轴和主轴不同步的问题，本发明提出一种高速螺纹加工插补方法。该方法采用前瞻控制的思想，即在实际切削之前，通过采样上一周期的主轴转角，预测当前周期的理论转角值，然后根据这个理论值推导同步进给控制值，同时对进给轴做一个跟随误差的补偿，从而实现主轴和进给轴的精确同步，保证多次重复切削的螺纹轨迹与首次切削产生的螺纹轨迹一致。具体方法包括以下三个步骤：

步骤(一)同步进给控制值的预测

假设上一采样周期i-1采样得到的主轴转角为θ_i-1，由于主轴采用开环匀速控制，每个周期主轴的理论增量Δθ是已知的，这样可计算当前采样周期的主轴转角θ_i为：

θ_i＝θ_i-1+Δθ    (1-1)

设螺纹导程为S，根据进给轴和主轴之间的同步关系，可计算本次同步进给控制值为：

$X_i=\frac{S}{360}\×{\mathrm{\θ}}_i=\frac{S}{360}\×({\mathrm{\θ}}_{i-1}+\mathrm{\Δ\θ})---(1-2)$

步骤(二)进给轴跟随误差的补偿

根据伺服系统的动态特性，进给轴的跟随误差为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{V}{K_v}---(1-3)$

其中，V为进给轴速度，K_v为位置环增益系数。由于K_v是固定的，所以跟随误差和进给速度成正比。

设X_i为当前周期的进给量，X_i-1为上一周期的进给量，T为插补周期，则进给速度为：

$V_i=\frac{X_i-X_{i-1}}{T}---(1-4)$

将式(14)代入到式(1-3)中，并引入误差调节系数β，计算得到进给轴的跟随误差补偿量为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{V_i}{K_v}=\mathrm{\β}\frac{X_i-X_{i-1}}{{\mathrm{TK}}_v}---(1-5)$

结合式(1-5)和螺纹加工原理可以看出，这个补偿量与主轴的转速有关，因此采用该方法不仅能补偿伺服系统动态特性引起的进给轴跟随误差，还能补偿在不同主轴转速下造成的加工偏差。

步骤(三)同步进给控制值的计算

基于以上两个步骤，同步进给控制值为：

$X_i=X_i+\mathrm{\ϵ}=\frac{S}{360}\×({\mathrm{\θ}}_{i-1}+\mathrm{\Δ\θ})+\mathrm{\β}\frac{X_i-X_{i-1}}{{\mathrm{TK}}_v}---(1-6)$

求解得：

$X_i=\frac{{\mathrm{TK}}_{v}S({\mathrm{\θ}}_{i-1}+\mathrm{\Δ\θ})}{360({\mathrm{TK}}_v-\mathrm{\β})}-\frac{{\mathrm{\βX}}_{i-1}}{{\mathrm{TK}}_v-\mathrm{\β}}---(1-7)$

将本次计算所得的同步进给控制值发送给进给伺服系统，控制伺服进给轴做加速运动，可实现与首次切削的同步。循环以上步骤，并按正常联动关系对主轴和进给轴进行联动控制，直到螺纹加工结束，这样就可保证在高速螺纹加工中，每次循环加工的进刀点与首次进刀点重合，并且不受到主轴转速波动和伺服系统动态特性的影响，提高螺纹加工精度。

附图说明

图1不采用本方法得到的进给轴运动轨迹图

图2采用本方法得到的进给轴运动轨迹图

具体实施方式

下面采用本公司自主研发的飞阳数控系统来加工螺纹，进一步说明本发明专利的正确性和合理性。

设采样周期T＝1ms，位置环增益系数K_v＝179.64Hz，螺距S＝2mm，调节系数β＝1，主轴旋转增量Δθ＝3°。分别不采用和采用本方法得到的进给轴运动轨迹如图1和图2所示。表1列出了部分采用本方法得到的主轴转角、进给控制值和进给采样值。

从图1和图2中可以看出，没有采用本方法得出的实际螺纹加工线滞后于螺纹螺旋线。而在采用本方法的情况下，进给轴在匀速阶段的运动轨迹与螺旋线是完全重合的，由此证明了本发明能实现主轴和进给轴的同步切削控制，提高螺纹加工精度。

表1采用本发明得到的主轴转角、进给控制值和采样值(部分值)

Claims (3)

1.一种用于经济型数控车床高速螺纹加工时的插补方法，其特征在于采用前瞻控制的思想，通过对进给轴同步进给控制值的预测和对其跟随误差的补偿，消除加工速度波动和伺服系统动态特性对螺纹加工的影响。

2.根据权利要求1所述的同步进给控制值的预测方法，其特征在于首先预测下一周期主轴的理论转角值，然后将其转化为进给轴的同步进给控制量，避免乱牙现象的产生。

3.根据权利要求1所述的进给轴跟随误差，其特征在于由于伺服系统动态特性以及主轴转速变化而引起进给轴滞后于主轴的运动。

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