數控系統誤差補償技術(shù)研究

數控系統誤差補償技術(shù)研究
在數控機床上對零件實(shí)現高精度加工和檢測其關(guān)鍵是提高機床的定位精度，主要采取兩種方法:誤差預防和誤差補償。誤差預防是在機床的設計制造階段進(jìn)行的，即提高工藝系統的設計精度以減少誤差源和表現誤差，但由于技術(shù)和資金的原因，總是存在一定的制造誤差：誤差補償技術(shù)是在不改變機床結構和制造精度的基礎上，通過(guò)對機床加工過(guò)程的誤差源分析、建模，實(shí)時(shí)地計算出加工點(diǎn)的空間位置誤差，將該誤差量反饋到機床的控制系統中，改變坐標驅動(dòng)量來(lái)實(shí)現誤差修正，從而提高機床定位精度。采用誤差補償技術(shù)能使加工出的零件精度高于其加工所用工藝系統能達到的正常精度，具有高效率低成本的優(yōu)點(diǎn)，由此可見(jiàn)，誤差補償技術(shù)是提高機床精度必要的和實(shí)際的方法。
筆者采用以486微機和運動(dòng)控制板為核心，以光柵尺為檢測元件，以交流伺服電機為驅動(dòng)部件，由控制軟件作支持的光柵測控系統，對數控試驗臺的運動(dòng)誤差進(jìn)行了測量和補償，并對補償前后的誤差進(jìn)行了比較。該測控系統性能可靠，操作方便，通用性強，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。
1 光柵測控系統的構成及誤差分析
1.1 光柵測控系統的構成
本系統采用主從式控制方式，上位機采用一臺486PC機，主要任務(wù)包括輸入輸出、顯示、數據接收和處理等，其控制部分包括譯碼、刀具補償、速度控制、插補運算、位置控制等程序。下位機采用GM400運動(dòng)伺服控制器，主要完成實(shí)際運動(dòng)的位置、速度、加速度控制以及I/O處理等。檢測部分采用ES-6線(xiàn)位移光柵尺及配套的數顯儀。執行部分為交流伺服電機。

測控系統
 
GM400運動(dòng)控制器是一塊以IBM-PC/XT/AT及其兼容機作為主機的ISA總線(xiàn)應用插板，它的主要特點(diǎn)是具有32bit的位置、速度和加速度分辨率，允許更為精細的電機伺服控制。本系統利用GM400中的兩軸控制單元控制兩套交流伺服電機。數控工作臺通過(guò)連接件與光柵尺上的滑塊相連，光柵尺的分辨率為5µm，與光柵尺相連的數顯儀可顯示工作臺的精確位置，數顯儀與計算機通過(guò)串口傳遞數據。具體連接如圖1所示。
機床導軌和工作臺的誤差是機床運動(dòng)的主要誤差源。假定導軌副作剛體運動(dòng)，由于制造及安裝誤差的存在，其運動(dòng)有六個(gè)自由度，即運動(dòng)軸向存在定位誤差，其余五個(gè)自由度也有微量誤差(兩項直線(xiàn)度誤差和三項轉角誤差)。這樣，三軸數控機床的三個(gè)軸向運動(dòng)共有18項誤差，同時(shí)三軸之間還存在三項關(guān)系誤差即垂直度誤差(xy，yz，zx)，故機床實(shí)際上共有21項原始誤差。
利用上述的測控系統，可測出數控工作臺在X、Y兩個(gè)方向的直線(xiàn)位移誤差。
1.2 影響測量結果的因素及消除方法
影響測量結果的主要因素有:光柵尺與工作臺的平行度、機械原點(diǎn)的確定、測量時(shí)的運動(dòng)速度、數據處理中的舍入誤差等。
光柵尺與數控工作臺的平行度，是造成測量誤差值偏大的主要原因，在測量前應細心調整。調整時(shí)將表架固定在工作臺上，千分表的彈性觸頭靠在光柵尺的外表面(基準面)。當工作臺運動(dòng)時(shí)，根據指針的擺動(dòng)情況來(lái)調整光柵尺的兩端，直到指針擺動(dòng)在±5µm之間，即可認為二者平行。
是否能精確地確定機械原點(diǎn)是影響測量結果的重要原因，因為系統的機械原點(diǎn)是整個(gè)測量過(guò)程的基準。本系統采用感應式限位開(kāi)關(guān)作為粗定位，運動(dòng)軸一旦越位，該軸的運動(dòng)立即停止，使工作臺不再朝越位區域運動(dòng)。機械原點(diǎn)的精確定位采取尋找索引位置的方式，即將Index信號和限位開(kāi)關(guān)信號組合，捕獲軸的當前位置。計算機首先得到限位開(kāi)關(guān)信號，再發(fā)出捕獲Index信號的命令并控制電機正轉或反轉，GM400碰到編碼器的第一個(gè)Index信號將作為位置捕獲到的觸發(fā)信號，捕獲到的當前位置即可作為系統的機械原點(diǎn)。GM400捕獲的原點(diǎn)位置是觸發(fā)脈沖到來(lái)時(shí)刻運動(dòng)軸的實(shí)際位置，捕獲位置精度可達±1個(gè)脈沖，反映到數顯儀上，可使原點(diǎn)定位誤差控制在5µm以?xún)取?
測量時(shí)的運動(dòng)速度實(shí)際上并不影響系統誤差，它只是使測得誤差的表現值偏大或偏小，一般來(lái)說(shuō)，速度越大，測得的誤差數值越小，反之越大(從下面的試驗結果可看出)。
另外，由于誤差值和補償值都是極小的數，因此在數據處理時(shí)應盡量減小舍入誤差。
2 誤差補償的實(shí)現
2.1 誤差補償原理
測出不同速度下的誤差，根據速度與目標位置坐標，采用查表(數據表存于計算機中)法確定該目標位置的誤差值，用軟件產(chǎn)生一個(gè)大小相等、方向相反的補償值直接加到控制程序的目標位置坐標上。誤差補償系統工作原理如圖2所示。
2.2 誤差補償的軟件實(shí)現
一個(gè)數控系統是由硬件、軟件共同組成的，缺一不可。當硬件設計、組裝完成后，系統能否按設計要求正常工作很大程度上取決于軟件系統。
本系統軟件主要由初始化、串行通信、數據處理、伺服電機控制等模塊組成，軟件誤差補償流程見(jiàn)圖3。
3 試驗驗證
3.1 試驗方法
工作臺的進(jìn)給速度分別為300mm/min、350mm/min、400mm/min。
誤差測量按單方向進(jìn)行并采用階梯循環(huán)檢測方式，即每測量一次，目標位置增加一個(gè)單位長(cháng)度(可以是1mm，0.5mm等)，每次測量前要先回機械原點(diǎn)。本試驗每測量一次，目標位置增加1mm。
整個(gè)行程誤差測量完畢后，即可進(jìn)入誤差補償程序，測試加入補償后的定位誤差。
3.2 試驗結果
以X軸為例，由試驗知，數控工作臺在120mm的行程上，最大誤差達到400µm，且誤差變化呈波動(dòng)狀態(tài)，沒(méi)有固定規律。但在實(shí)施誤差補償后，可將全行程誤差控制在15µm以?xún)?，大大提高了數控工作臺的精度。具體比較試驗數據如圖4～圖6所示(Δmax、Δ'max分別表示補償前、后的最大誤差)。
 
Δmax=410µm，Δ'max=15µm
Δmax=400µm，Δ'max=15µm
Δmax=385µm，Δ'max=15µm
ΔL=0.5m，Δ'max=15µm
 

測出各個(gè)速度下的誤差值后，這些數據被自動(dòng)存入計算機中形成數據表，在以后的具體加工中，計算機會(huì )根據情況把補償值自動(dòng)加入工作臺的運動(dòng)中，使得加工精度大大提高。圖6為在計算機中存有誤差表的情況下，每目標位置增加ΔL=0.5m時(shí)測得的定位誤差，其最大定位誤差Δ'max仍可控制在15µm以?xún)取?
3.3 結果分析
系統的定位誤差是由多方面因素造成的。首先，滾珠絲杠導程累計誤差是影響工作臺位置精度的主要因素。其次，結構部件的位置和尺寸誤差及傳動(dòng)部件的間隙和變形也是造成定位誤差的不可忽視的原因。另外，光柵尺安裝不當、安裝光柵尺的臺面不平以及數據處理時(shí)的舍入誤差也會(huì )產(chǎn)生影響。
4 結論
從試驗知，定位誤差在實(shí)施補償后大幅度減小，這說(shuō)明補償方法是正確有效的。誤差補償技術(shù)是先進(jìn)制造系統中提高加工精度的關(guān)鍵技術(shù)，基于數據表的軟件誤差補償方法，能以較小的投入在不改變系統硬件的條件下實(shí)現，的確是一種提高數控系統定位精度的經(jīng)濟可行的辦法。