Abstract ：

在精密加工过程中，机床主轴的动平衡状态直接影响加工零件的精度与表面质量。因此，精密机床主轴必须满足越来越高的动平衡指标要求。以单点金刚石车床为例，由于在加工过程中工件的重新装夹会导致主轴动平衡状态的变化，因此必须在每次开机或重新装夹工件之后再次进行动平衡调整。目前常用的现场动平衡仪虽然能满足测试精度，但其效率较低，且成本昂贵，无法满足频繁的动平衡操作要求。为此，本文以提高动平衡测试效率和降低主轴动平衡测试的成本为目的，通过对主轴动平衡基本理论以及振动信号处理理论的研究与分析，对信号处理算法、不平衡量计算算法、动平衡测试实验等关键问题展开研究，开发了一套基于实时位置数据的集成于数控系统的主轴现场动平衡系统。 本文首先对主轴动平衡的基本理论进行了描述。分析了主轴产生不平衡的主要影响因素。研究了动平衡的平衡方法，包括影响系数法和振型平衡法。分析了主轴动平衡评价标准，为动平衡状态的判定提供目标理论数据。分析了基于数控机床实时位置数据实现主轴动平衡调整的原理。 其次完成了主轴动平衡系统的硬件搭建，主要包括PA8000数控系统、直线光栅、圆光栅和数字I/O采集模块。基于开放式数控系统PA（Power Automation），通过与PA数控系统NC内核建立通信，开发了实时监控采集软件，实现同步采集关联直线轴和电主轴的实时位置信号。研究Compile Cycle编程功能，编写了动态链接库程序，实现了对机床位置信号的实时采集，保证试验数据的实时性。 在此基础上完成了对不平衡振动信号的处理与计算分析，采用了基于最小二乘线性拟合法进行振动信号去趋势项处理。研究振动信号的滤波算法，完成了带通带阻滤波、自适应噪声抵消滤波以及谐波小波滤波等多种滤波方式的对比分析。接着，对预处理完的振动位移信号采用互相关提取法，完成了对振动信号的幅值与相位的精确提取，再采用单面影响系数法完成了主轴不平衡量的大小与相位的求取。进而应用一种基于影响系数法的无试重提取法，完成了相应的算法程序的编写，实现了更方便快捷地求取不平衡量大小与相位。最后，针对机床主轴圆周均布螺纹孔调整法存在的不足，编写了一个按角度或大小进行质量分解的程序。 最后对研发的主轴动平衡系统进行实验验证。对LDT500精密金刚石车床以及NF350、LPS75和JOS200多台机床上进行了动平衡系统的精度测试分析，验证结果表明其振动下降率均保持在89%以上，效果很显著。然后对超精密单点金刚石车床NF350与LDT500的主轴在不同转速下分别用本文的主轴动平衡系统与申克动平衡仪进行动平衡测试的对比实验，结果表明本文动平衡系统的重复测量精度和稳定性基本与动平衡仪的相当，同时动平衡效率提升近75%并大幅节约动平衡测试成本。通过对试重法与无试重法进行对比实验，发现无试重法具备可行性且其测试精度能满足以上各种机床动平衡测试要求。对LDT500在不同转速下进行了振幅与速度的特性分析，发现了机床的谐振现象，指导了主轴转速的选择。对比分析了实际工件在动平衡前后的表面粗糙度水平，其粗糙度值由25.2nm降低到了5.9nm。

Keyword ：

集成化 实时位置数据 信号处理 影响系数法 主轴动平衡

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高速高精是当前高档数控机床发展的趋势，滚珠丝杠进给系统是高档数控机床的重要组成部分，其动态特性直接影响高速机床的高精加工。高阶动态特性是滚珠丝杠进给系统固有的动力学特性，主要来自丝杠的柔性以及各结合部柔性。在机床高速、高突变的进给运动过程中，进给系统的高阶动态特性易被激励而影响机床运动精度。因此，高速高精机床的运动控制必须考虑进给系统的高阶动态特性，找到针对性的运动控制方法。本文以滚珠丝杠进给系统为研究对象，表征了系统的高阶动态特性，分析了进给系统高阶动态特性的影响规律，并提出了考虑高阶动态特性的运动控制方法。 表征了进给系统的高阶动态特性。综合考虑了丝杠的扭转和轴向柔性及其结合部柔性，建立了滚珠丝杠进给系统的高阶多刚体动力学模型，并基于动力学模型对滚珠丝杠进给系统的各阶模态进行了分析，得到各阶模态振型；通过对高阶模态的固有频率进行灵敏度分析，讨论了进给系统结构参数对高阶动态特性的影响规律。 研究了进给系统高阶动态特性对单轴跟随特性的影响规律。建立了考虑滚珠丝杠进给系统的高阶动态特性的机电集成模型，并整定了电流环、速度环和位置环的控制参数。基于整定后的机电集成模型，通过频域分析和时域分析，揭示了高阶动态特性对进给系统带宽的限制作用，进而分析了高阶动态特性对跟随误差的影响规律。 研究了进给系统高阶动态特性对运动平稳性的影响规律。综合考虑了逆变器死区、PWM调制等驱动电路非线性因素，建立了基于旋转电机矢量控制的电流环仿真模型。理论推导了由系统设置的死区时间产生的误差电压，并解析计算了死区产生的转矩谐波。利用模型仿真了死区产生的转矩谐波对高阶动态特性的激励作用，进而分析了高阶动态特性对进给系统运动平稳性的影响机理，并设计实验验证了前面分析的正确性。 提出了一种考虑进给系统高阶动态特性的运动控制方法。利用零极点对消法设计了模态滤波控制器，削弱了高阶动态特性对系统控制带宽的限制作用，降低了跟随误差，消除了位移波动误差；为了进一步提高运动精度，在模态滤波控制的基础上设计了零相差跟踪控制算法，消除了跟随误差，并于开放式数控系统PA8000LW中进行了算法的验证，基于模态滤波控制的零相差跟随控制算法能显著提高单轴运动精度。

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高阶动态特性 跟随误差 滚珠丝杠进给系统 运动精度控制 运动平稳性

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MX-3是<em>西安</em><em>交通</em><em>大学</em>开发的基于 GUC 运动控制器的开放式机床数控系统,具有三轴联动铣削功能,是能够实现由交流伺服电机驱动的半闭环控制系统。该系统硬件由数控装置和伺服系统组成,GUC-400-ESV 运动控制器为数控装置的核心部件,以 Visual C＋＋为工具进行控制软件开发,操作系统采用 Windows XP 系统。在该数控系统基础上搭建了 MX-3开放式数控系统实验平台,并应用于数控技术实践教学中,既丰富了实验教学内容,又提高了实验教学质量。

Keyword ：

开放式数控系统 实验教学 数控技术 运动控制器

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随着对汽轮机叶片加工质量和加工效率要求的不断提高，对加工设备的要求也越来越高。由于中长型汽轮机叶片具有长度长、厚度薄、刚性差等特点，加工过程中极易产生变形，为减小叶片加工变形，常采用头、尾架双驱的结构形式。然而如果双驱两轴不能保持同步，将产生附加扭矩加剧叶片的扭转变形。本文以九轴联动数控机床A/a旋转轴为研究对象，通过对同步控制算法及不同步误差补偿策略的研究，以提高双驱同步控制精度，减小叶片变形。本文主要研究内容如下： 对比分析单轴驱动和双轴驱动时长叶片的加工变形情况，验证了采用双驱结构对控制叶片变形的效果。设计了头尾架双驱控制方案，通过A/a轴同步驱动实现叶片绕轴的回转运动。针对传动系统存在的齿轮间隙设计了齿轮消隙结构，采用动力学仿真验证了齿轮消隙效果。实测双驱加工后叶片轮廓，分析发现双驱不同步误差的存在使叶片出现了扭转变形。分析双驱不同误差对叶片变形的影响，建立了双驱不同步误差与叶片最大变形量的对应关系。 建立了A/a旋转轴电气控制模型与传动系统动力学模型，在此基础上对比分析了串联、并联、串并联三种同步控制策略，采用串联控制时从动轴存在严重的滞后现象，同步控制性能较差；而采用并联和串并联控制方式时，系统具有较高的同步控制精度。基于PA开放式数控系统实现了A/a轴的双驱同步控制功能。 分析了A/a轴双驱不同步误差的来源，量化了各因素对不同步误差的影响作用，并提出了相应的补偿方法。针对切削力矩引起的双驱不同步误差，提出了负载转矩观测器及不基于物理模型的PID反馈误差补偿方法，并验证了两种方法对切削力矩引起的不同步误差的补偿效果。针对负载惯量差异造成的双驱不同步误差，基于并联控制方式提出了速度环变增益及位置指令预补偿两种方法，减小了负载惯量差异引起的叶片变形。最后，开发了基于PA数控系统HMI模块的人机界面，包括同步控制方式及不同步误差补偿方法的选择，参数设定等功能，方便用户使用。

Keyword ：

PA开放式数控系统 双驱 同步控制 误差补偿 叶片变形

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为满足非球面光学零件的高精度要求，精密铣磨机床在工业中被大量使用。而精度是评价铣磨机床性能的重要指标，当机械零部件装配精度达到现有极限时，电气控制系统的合理设计、配置及误差补偿等技术对进一步提升整机精度显得尤为重要。基于以上背景，本文在铣磨机床的电气控制系统设计、调试、进给系统性能分析及误差补偿方面做了如下研究： 首先在五轴铣磨机床上进行了开放式数控系统PA的安装、调试，设计了用户控制操作面板，定义了系统PLC输入、输出接口并编写了初始化的PLC程序，基于铣磨机床摆头的特点，实现了A轴摆头双电机串联控制。然后根据铣磨机床的特殊要求，在开放式数控系统PA上进行了系统功能的二次开发，完成了液压系统控制与检测功能的开发。实现了液压系统温度、压力的自动检测与控制，开发了液压系统的人机界面，实现了液压系统的快速便捷操作。 建立了铣磨机床单轴进给系统的PID三环控制模型，通过所建模型研究了位置环增益、速度环增益、速度环积分时间、机械系统刚度、负载惯量对系统性能的影响。并研究了当机械系统变化对进给系统控制性能造成的衰退及其调整技术。 分析了铣磨机床的几何误差组成。使用激光干涉仪在垂直方向和水平方向分别对X、Y轴的直线度误差进行了测量，并利用数控系统补偿模块通过交叉误差补偿方法对其进行了补偿，提高了铣磨机床的直线度。使用激光干涉仪测量了机床X、Y轴的定位误差和重复定位误差，应用PA数控系统的补偿模块，使铣磨机床的定位精度和重复定位精度得到了极大的提升。 分析了铣磨机床的37项几何误差，应用多体系统运动学理论，建立了铣磨机床综合几何误差建模；得到了铣磨机床刀具相对于工件的综合几何误差与单轴几何误差项之间的映射关系；对误差补偿方法进行了理论探讨。

Keyword ：

铣磨机床电气控制进给系统误差补偿空间误差模型

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在RTX660数控机床上实现了基于PA(power automation)开放式数控系统的零相差跟踪控制(ZPETC).首先利用PA系统的二次开发功能,采用伪噪声序列和最小二乘法对进给系统模型进行了辨识,根据辨识的系统模型设计了零相差跟踪控制算法.将零相差跟踪控制算法嵌入开放式数控系统的插补器内,实时对插补数据进行计算和校正,改善机床进给系统的运动控制性能.实验证明,通过该方法能够有效改善机床进给系统的频域特性和单轴跟随精度,通过两轴联动加工实验验证,证明该方法能够显著提高数控机床的多轴联动加工精度.

Keyword ：

开放式数控系统 零相差跟踪控制 数控机床 系统辨识

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高速、高精度数控机床是当今制造装备的主要发展趋势之一，随着对数控机床加工效率和加工精度要求的提高，机床进给系统动态特性造成的多轴联动加工轨迹误差成为影响数控机床加工精度的重要因素。分析数控机床多轴联动加工轨迹误差影响因素、精确计算和预测多轴联动加工轨迹误差、研究不同刀具路径对加工曲面轮廓误差的影响、研究与应用先进的轨迹误差补偿方法对提高数控机床多轴联动加工精度具有重要的理论意义和应用价值。 数控机床单轴的跟随误差是造成联动加工轨迹误差的根本原因。本文以RTLX660三轴高速铣床为研究对象，对进给系统进行了建模仿真和控制参数整定，通过将机械传动系统简化为双惯量模型，仿真分析了机械传动系统谐振特性对控制参数整定和系统性能的影响。仿真分析了控制参数整定后，机械负载、刚度和阻尼的改变对进给系统动态特性的影响规律。针对机械传动系统中的非线性摩擦进行了测量、建模，分析了非线性摩擦对进给系统运动精度的影响。采用简化的二阶进给系统模型，通过将输入指令等效为微小阶跃信号的叠加得出了进给系统跟随误差是系统响应时间内的速度指令和系统特征函数的卷积关系的结论，由此分析了指令速度、加速度和加加速度对单轴跟随误差的影响，并仿真分析了典型指令轨迹的跟随误差。通过构建预滑动+Stribeck简化摩擦力模型，基于开放式数控系统补偿了低速非线性摩擦造成的跟随误差，并综合零相差前馈补偿方法，提高了单轴运动控制精度。 轨迹误差的精确计算是分析数控机床联动加工轨迹误差影响因素和实施轨迹误差补偿方法的基础。根据单轴跟随误差的卷积公式，推导了三轴联动加工过程中的位置误差向量表达式，分析了位置误差向量与进给速度、轨迹切向量场和联动轴特征参数的关系。建立了两轴和三轴联动加工直线和圆的轨迹误差模型，分析了进给速度、加工曲率、进给轴动态特性及各联动轴参数匹配关系对轨迹误差的影响，证明了进给轴特征参数匹配时三轴联动加工平面轨迹与两轴联动加工效果相同。针对现有轨迹误差计算多以直线和圆弧轨迹近似估算而影响计算精度，并限制了多轴联动补偿方法的应用的问题，提出了空间自由曲线轨迹误差向量计算方法，该方法通过比较实际位置到各相邻指令轨迹插补点构成的直线的距离，计算出轨迹误差向量及各轴误差分量。实验证明，该方法具有很高的计算精度。根据数控机床结构建立的运动模型将该方法扩展到了五轴联动加工的轨迹误差向量计算。 不同刀具路径对数控机床的联动加工精度影响显著。针对现有刀具路径规划方法仅考虑加工件和刀具几何因素进行设计、计算和优化，未考虑机床进给系统动态特性对加工曲面轮廓误差影响的问题，本文提出了面向刀具路径规划的曲面加工精度预测方法，根据机床进给轴辨识模型和加工轨迹指令，预测加工曲面的轮廓误差大小和分布，分析不同刀具路径对面轮廓误差的影响，用于指导刀具路径优化、选择。 轨迹误差补偿方法及实现是提高数控机床多轴联动加工精度的关键技术。根据加工轨迹曲率和进给速度对轨迹误差的影响分析，提出并实现了基于误差模型的多轴联动轨迹误差预补偿方法，该方法通过实测不同速度下加工不同半径圆的平均半径误差建立误差模型，并根据该误差模型和进给系统特征参数反求轨迹误差补偿模型，将补偿模型嵌入开放式数控系统插补器中，根据加工轨迹的曲率和进给速度实时计算补偿量，叠加到输入轨迹指令上，补偿轨迹误差，提高了数控机床的联动加工精度。提出并实现了基于零相差跟踪控制算法的轨迹误差预补偿方法，该方法根据进给系统辨识模型和轨迹指令预测各轴的轨迹误差向量，并正交分解到各联动轴，采用零相差算法计算各轴补偿量并叠加到轨迹指令上，显著提高了数控机床联动加工精度。

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高速机床多轴联动参数整定轨迹误差 轨迹误差预补偿

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一种基于电机转矩信号的机床进给系统运行性能评估方法，利用开放式数控系统的通讯接口，获取空载恒速全进给行程中的伺服电机输出转矩信号和位置信号，根据进给位置对转矩信号分段，以进给往返换向时的瞬时冲击成分峰峰值作为暂态稳定性特征；使用最小二乘法拟合平稳进给区内转矩信号相对于进给位置的趋势函数，作为进给系统的结构性能特征；以剩余短期波动信号的峰峰值、频谱峰值和频谱峰值对应频率值作为运行性能特征；对比三类特征，评估不同数控机床进给系统的运行性能。本发明实现了进给系统运行性能的量化检测与对比评价，对保障数控机床加工效率和进给精度具有重要意义。

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双驱动结构是动梁式龙门机床的重要组成部分，其特点为两套进给系统共同驱动一个负载实现精确运动。两轴承担负载质量、所受摩擦特性，伺服控制增益不一致等会造成双驱不同步。双驱的高精度控制是此类机床研究的关键技术问题。另外，目前国产数控系统中尚不具有成熟的同步控制功能，开发可嵌入国产数控的同步控制模块具有重要意义。基于以上背景，本文在功能实现，建模与控制方面做了如下研究： 搭建了具PA开放式数控系统的动梁式龙门式机床，在其上开发了双驱同步控制功能。具体为实现了三种不同控制方式。提出轮回式逐点插补方法同时对双轴的定位误差进行补偿。设计了PID反馈控制器进行不同步误差补偿。亦将基于统计模型的前馈控制及基于物理模型的前馈指令调整控制嵌入系统。建立了不同步误差多元回归统计分析模型，基于模型实现了前馈控制。建立了两轴不同步误差与动梁处于双驱动轴不同位置、主轴负载处于横梁不同位置及速度间的多元回归线性模型，采用该模型进行前馈补偿，采用斜坡、正弦及S型曲线验证了模型的正确性及补偿策略的有效性。建立了具机械耦合及摩擦特性的双轴物理模型并予以验证。两轴耦合作用通过分析横梁受力，转换为横梁的平动及转动描述。摩擦力通过测量两轴的扭矩力获得，并采用非线性拟合方法获得参数。采用三种不同最大速度下S型曲线验证了模型的正确性。分析出双驱动两轴所受摩擦力不同及两轴耦合是产生双轴不同步的主要因素。简化上述建立的物理模型，依据模型提出增益调整及前馈指令调整的控制策略，采用三种曲线验证补偿策略的优劣。具体为将两轴耦合换算为两轴所受负载质量不同，两轴摩擦力描述为两轴线性及非线性摩擦力。分析不同因素造成的误差形式。控制结果表明，增益调整方法简单易行，但精度受到伺服控制增益分辨率的限制。前馈指令调整要求系统具有开发功能，但补偿效果较增益调整优异，可将线性及非线性摩擦引起误差有效补偿，补偿结果与统计前馈补偿具相同趋势。但参数确定较其更简单易行。本文工作系统地研究了双驱同步功能实现、双驱建模与不同步误差控制，并成功应用于DK-1200动梁式龙门机床中，相关技术已获得专利及软件授权并发表论文。

Keyword ：

数控系统双驱同步误差统计分析双驱建模增益调整前馈控制

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弯管由于自身较多优点，已广泛应用于军用和民用工业部门，而弯管机是生产弯管的主要设备。Y轴为管件直线进给方向轴，C轴为管件弯曲旋转轴，这两个运动轴直接关系到管件的弯曲精度。国内弯管机业界存在Y轴和C轴精度不高的问题，这就导致弯管质量和精度不高，因为国内弯管机大都采用液压动力或液压电机混合动力，这就使弯管机动力本身受温度影响较大，而且惯性大，污染也大，控制系统的协调性也差，这导致弯管精度和质量不高。为了解决以上问题，本文设计的数控弯管机的动力采用全电动伺服的方式，这样的动力受温度影响小，惯性小，污染也小，同时，可以大大改善控制系统协调性，也可以较好地提高Y轴和C轴的精度，从而提高弯管精度和质量。设计具有自主知识产权的全电动伺服数控弯管机具有重要意义。论文首先介绍了常用弯管加工方法和设备，分析了国内外数控弯管机的现状和发展趋势，说明了本课题的目的、意义和内容。对数控弯管机组成原理进行了研究，研究了弯管过程用到的具体模具，弯管过程管件的应力应变和可能出现的缺陷，通过数值仿真研究了弯管过程成形力变化和有关工艺参数对弯管质量的影响规律。为后续全电动伺服数控弯管机的设计奠定了基础。根据有芯弯管加工原理，确定了全电动伺服数控弯管机的具体动力参数和工艺参数。根据弯管机需要实现的功能设计了弯管机各部分具体的机械结构，主要包括三部分，即管件弯曲部分，管件送进部分和中间连结机构，中间连结机构将管件弯曲部分和管件送进部分连结在一起，并且使管件弯曲部分相对于管件送进部分实现沿X轴和Z轴的位置调节，从而实现弯管机的换模功能。对弯管机结构的丝杠螺母副、蜗轮蜗杆机构、齿轮机构等零件进行了设计校核计算。通过对建立的弯管机模型中的关键零部件的静力有限元分析检验了所设计弯管机机械结构承载能力的合理性，并通过对弯管机整机结构的模态分析获得了弯管机结构的动态特性。根据数控弯管机对控制系统的要求，该数控弯管机使用“PC+运动控制卡”的开放式数控系统，该种形式的数控系统具有很多优点，如信息处理能力强、开放程度高和开发周期短等，满足了数控弯管机对控制系统的具体要求。根据以上方案确定了该控制系统的基本结构框架，并对该控制系统的硬件和软件部分分别进行了设计。该数控弯管机使用VC中的MFC进行软件设计，大大缩短了软件开发周期，具有较高的软硬件开放性，可扩展性好，可靠性高。建立了主弯曲轴控制系统的传递函数及传递函数框图，并对主弯曲轴系统进行了系统仿真研究。

Keyword ：

数控弯管机弯管技术机械结构交流伺服电机控制系统

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