数控机床是实现柔性制造、计算机集成制造、敏捷制造等先进制造技术的重要基础装备，它关系到一 个国家发展的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控机床产业 。在我国，数控机床的发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步。但与发达国家比起来 ，仍存在着一定的差距。一是采用国产数控系统的真正全国产数控机床的产量还比较少。二是国产 数控机床在市场上的占有率比较低，而且近几年还呈下降趋势。三是国产数控机床还缺乏高精尖的 产品，特别是在高精度、高速度方面，情况尤为不理想。因此，如何有效地解决这些问题，真正切 合实际发展符合我国国情、具有较强竞争能力的全国产数控机床，并形成一定的批量生产能力，不 断扩大市场占有率，便成为我国数控机床研究开发部门和生产厂家在世纪之交所面临的艰巨任务。 我们经过多年努力，研究开发出新型双闭环高精度数控机床系列产品，并在多种领域进行了应用， 取得了良好效果。１高精度数控机床的经济化设计思想在当今世界市场竞争日益激烈的环境下，我 们对以低成本实现高精度的途径进行了探索，提出一种高精度数控机床的经济化设计思想，概括起 来有两点，一是“以低攻高”，二是“粗中求精”。所谓以低攻高是指用精度较低的经济型主机或 普通精度的主机，通过新的双闭环控制手段，构成高精度数控机床。粗中求精的含义是，在粗劣的 环境中，通过信息论的方法，排除干扰的影响，以软件创成精度，生产出精确的产品。然而，要真 正实现以低攻高和粗中求精，在技术上将具有相当大的难度。因此，为实现上述设计思想，必须寻 求新的途径。２高精度数控机床的双闭环控制方案常规全闭环机床的位置控制方案是在速度环的基 础上加上位置外环来实现全闭环控制。为使由此构成的位置控制系统具有较高的动、稳态性能，通 常将其校正为Ⅱ型系统。当机床机械性能较差，非线性因素比较明显时，Ⅱ型系统的开环频率特性 Ｇ（ｊω）很容易与非线性环节的－１／Ｎ轨迹相交，从而产生非线性自持振荡使机床无法正常工 作。为了克服常规全闭环机床在位置控制方面存在的缺陷，必须打破以速度内环为基础构造全闭环 位置控制系统的传统理论的束缚。经过多年探索，我们研究出一种新的转角—线位移双闭环位置控 制方法，由其构成的位置控制系统的基本组成如图１所示。整个系统由内外两个位置环组成。其中 内部闭环为转角位置闭环，其检测元件为装于电动机轴上的光电编码盘，驱动图１转角—线位移双 闭环位置控制系统的组成装置为交流伺服系统，由此构成一转角随动系统。外部位置闭环采用光栅 、感应同步器等线位移检测元件直接获取机床工作台的位移信息，并以内环的转角随动系统为驱动 装置驱动工作台运动。工作台的位移精度由线位移检测元件决定。该系统的设计思路是，内外环合 理分工，内环主管动态性能，外环保证稳定性和跟随精度。由于内部转角闭环不包含非线性环节， 因此通过合理设计该局部线性系统，可使其成为一高性能的转角随动系统，其传递函数近似等于Ｋ θ（转角随动系统输出与输入间的比例系数）。外环虽然包含了非线性环节，但将其校正为Ⅰ型系 统，并通过合理选择系统增益，可避免Ｇ（ｊω）轨迹与－１／Ｎ轨迹相交或将其包围，从而保证 系统稳定工作。为在增益受限的条件下，使系统具有高的跟随性能，可进一步引入前馈通道，构成 复合控制系统。由此得到的系统动态结构如图２所示。图２转角—线位移双闭环系统的动态结构通 过合理设计前馈和反馈控制器可使系统传递函数Φ（ｓ）≈１（由于篇幅所限，具体设计方法从略 ）。这意味着双闭环系统具有理想的动态性能和跟随精度。３双闭环机床的信息化精度创成常规数 控机床普遍采用螺距误差补偿、反向间隙补偿等机械误差补偿方法来提高机床的加工精度。这一方 法要求机械环节的误差值比较稳定，不随时间变化。但实际上，机械环节的误差往往都是随时变的 。因此使得传统的机械误差补偿方法不易取得好的效果。特别是在机械系统的性能较差时，情况更 不理想。在双闭环机床中，机床运动部件的位移精度取决于检测装置获取信息的准确程度。因此， 如果能通过信息补偿有效提高检测装置的精度并使其不受外部环境的影响，将可使机床各坐标具有 很高的位移精度。为此，我们研究出一种对检测装置误差进行实时补偿的信息化精度创成技术。其 实现方案是建立描述检测装置误差的数学模型，然后对检测装置的误差及其与系统状态的关系进行 精确测定，并据此确定误差模型的有关参数。加工过程中由数控系统根据有关状态信息（如工作台 实际位置、检测装置的温度等）按数学模型计算误差补偿值，将其迭加到位置反馈值中，从而实现 对检测装置误差的实时补偿。这一结果等效于给机床装备了低成本的高精度信息获取装置，从而使 双闭环控制的优势得到更大程度的发挥。在对各坐标的运动进行高精度控制的基础上，可进一步建 立机床结构的温度误差模型和力变形误差模型，以实现对机床结构的热变形误差和受力变形误差进 行有效补偿，从而全面提高双闭环机床的加工精度。与传统的机械误差补偿方法相比，信息化精度 创成技术具有以下优点：（１）检测装置的误差比较稳定，容易实现精确补偿；（２）通过合理安 装可使检测装置不受力，可消除外力对测量精度的影响；（３）检测装置长度随温度变化的关系比 较确定，因此可对温度变化引起的测量误差进行有效补偿。目前，所开发的双闭环数控机床已形成 车、铣、加工中心等系列产品。这类新型机床在精密复杂零件加工方面显示出了强大的优势。新型 双闭环高精度数控机床$清华大学@周凯$南京四开数控设备厂@陆启建双闭环,
高精度,数控机 床针对制造工业对高精度数控机床的需求，研究开发出新型双闭环高精度数控机床系列产品。其特 点是，采用转角—线位移双闭环位置控制和信息化精度创成技术，既具有高档全闭环机床的加工精 度，又具有半闭环机床的稳定性和环境适应性，并且其造价与普及型数控机床相当。实际应用证明 ，双闭环机床在复杂精密零件加工方面具有良好效果度。与传统的机械误差补偿方法相比，信息化 精度创成技术具有以下优点：（１）检测装置的误差比较稳定，容易实现精确补偿；（２）通过合 理安装可使检测装置不受力，可消除外力对测量精度的影响；（３）检测装置长度随温度变化的关 系比较确定，因此可对温度变化引起的测量误差进行有效补偿。目前，所开发的双闭环数控机床已 形成车、铣、加工中心等系列产品。这类新型机床在精密复杂零件加工方面显示出了强大的优势。 新型双闭环高精度数控机床$清华大学@周凯$南京四开数控设备厂@陆启建双闭环,高精度,数 控机床针对制造工业对高精度数控机床的需求，研究开发出新型双闭环高精度数控机床系列产品。 其特点是，采用转角—线位移双闭环位置控制和信息化精度创成技术，既具有高档全闭环机床的加工精度，又具有半闭环机床的稳定性和环境适应性，并且其造价与普及型数控机床相当。实际应用证明，双闭环机床在复杂精密零件加工方面具有良好效果
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