數控係統誤差補償技術研究

數控係統誤差補償技術研究
在數控機床上對零件實現高精度加工和檢測其關鍵是提高機床的定位精度

，主要采取兩種方法:誤(wu)差(cha)預(yu)防(fang)和(he)誤(wu)差(cha)補(bu)償(chang)。誤(wu)差(cha)預(yu)防(fang)是(shi)在(zai)機(ji)床(chuang)的(de)設(she)計(ji)製(zhi)造(zao)階(jie)段(duan)進(jin)行(xing)的(de)，即(ji)提(ti)高(gao)工(gong)藝(yi)係(xi)統(tong)的(de)設(she)計(ji)精(jing)度(du)以(yi)減(jian)少(shao)誤(wu)差(cha)源(yuan)和(he)表(biao)現(xian)誤(wu)差(cha)，但(dan)由(you)於(yu)技(ji)術(shu)和(he)資(zi)金(jin)的(de)原(yuan)因(yin)，總(zong)是(shi)存(cun)在(zai)一(yi)定(ding)的(de)製(zhi)造(zao)誤(wu)差(cha)：誤差補償技術是在不改變機床結構和製造精度的基礎上，通過對機床加工過程的誤差源分析
、建(jian)模(mo)

，實(shi)時(shi)地(di)計(ji)算(suan)出(chu)加(jia)工(gong)點(dian)的(de)空(kong)間(jian)位(wei)置(zhi)誤(wu)差(cha)，將(jiang)該(gai)誤(wu)差(cha)量(liang)反(fan)饋(kui)到(dao)機(ji)床(chuang)的(de)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)中(zhong)，改(gai)變(bian)坐(zuo)標(biao)驅(qu)動(dong)量(liang)來(lai)實(shi)現(xian)誤(wu)差(cha)修(xiu)正(zheng)，從(cong)而(er)提(ti)高(gao)機(ji)床(chuang)定(ding)位(wei)精(jing)度(du)。采(cai)用(yong)誤(wu)差(cha)補(bu)償(chang)技(ji)術(shu)能(neng)使(shi)加(jia)工(gong)出(chu)的(de)零(ling)件(jian)精(jing)度(du)高(gao)於(yu)其(qi)加(jia)工(gong)所(suo)用(yong)工(gong)藝(yi)係(xi)統(tong)能(neng)達(da)到(dao)的(de)正(zheng)常(chang)精(jing)度(du)，具(ju)有(you)高(gao)效(xiao)率(lv)低(di)成(cheng)本(ben)的(de)優(you)點(dian)
，由(you)此(ci)可(ke)見(jian)，誤(wu)差(cha)補(bu)償(chang)技(ji)術(shu)是(shi)提(ti)高(gao)機(ji)床(chuang)精(jing)度(du)必(bi)要(yao)的(de)和(he)實(shi)際(ji)的(de)方(fang)法(fa)。
筆者采用以486微wei機ji和he運yun動dong控kong製zhi板ban為wei核he心xin，以yi光guang柵zha尺chi為wei檢jian測ce元yuan件jian，以yi交jiao流liu伺si服fu電dian機ji為wei驅qu動dong部bu件jian，由you控kong製zhi軟ruan件jian作zuo支zhi持chi的de光guang柵zha測ce控kong係xi統tong，對dui數shu控kong試shi驗yan台tai的de運yun動dong誤wu差cha進jin行xing了le測ce量liang和he補bu償chang，並bing對dui補bu償chang前qian後hou的de誤wu差cha進jin行xing了le比bi較jiao。該gai測ce控kong係xi統tong性xing能neng可ke靠kao
，操cao作zuo方fang便bian，通tong用yong性xing強qiang，具ju有you一yi定ding的de工gong程cheng實shi用yong價jia值zhi。
1 光柵測控係統的構成及誤差分析
1.1 光柵測控係統的構成
本係統采用主從式控製方式
，上位機采用一台486PC機，主要任務包括輸入輸出
、顯示、數據接收和處理等，其控製部分包括譯碼、刀具補償、速度控製、插補運算

、位置控製等程序。下位機采用GM400運動伺服控製器

，主要完成實際運動的位置、速度、加速度控製以及I/O處理等。檢測部分采用ES-6線位移光柵尺及配套的數顯儀。執行部分為交流伺服電機。

測控係統
 
GM400運動控製器是一塊以IBM-PC/XT/AT及其兼容機作為主機的ISA總線應用插板，它的主要特點是具有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製。本係統利用GM400中的兩軸控製單元控製兩套交流伺服電機。數控工作台通過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台的精確位置，數顯儀與計算機通過串口傳遞數據。具體連接如圖1所示。
機(ji)床(chuang)導(dao)軌(gui)和(he)工(gong)作(zuo)台(tai)的(de)誤(wu)差(cha)是(shi)機(ji)床(chuang)運(yun)動(dong)的(de)主(zhu)要(yao)誤(wu)差(cha)源(yuan)。假(jia)定(ding)導(dao)軌(gui)副(fu)作(zuo)剛(gang)體(ti)運(yun)動(dong)
，由(you)於(yu)製(zhi)造(zao)及(ji)安(an)裝(zhuang)誤(wu)差(cha)的(de)存(cun)在(zai)

，其(qi)運(yun)動(dong)有(you)六(liu)個(ge)自(zi)由(you)度(du)
，即(ji)運(yun)動(dong)軸(zhou)向(xiang)存(cun)在(zai)定(ding)位(wei)誤(wu)差(cha)，其(qi)餘(yu)五(wu)個(ge)自(zi)由(you)度(du)也(ye)有(you)微(wei)量(liang)誤(wu)差(cha)(兩項直線度誤差和三項轉角誤差)。這樣，三軸數控機床的三個軸向運動共有18項誤差，同時三軸之間還存在三項關係誤差即垂直度誤差(xy，yz，zx)，故機床實際上共有21項原始誤差。
利用上述的測控係統，可測出數控工作台在X、Y兩個方向的直線位移誤差。
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:光柵尺與工作台的平行度、機械原點的確定、測量時的運動速度、數據處理中的舍入誤差等。
光guang柵zha尺chi與yu數shu控kong工gong作zuo台tai的de平ping行xing度du，是shi造zao成cheng測ce量liang誤wu差cha值zhi偏pian大da的de主zhu要yao原yuan因yin，在zai測ce量liang前qian應ying細xi心xin調tiao整zheng。調tiao整zheng時shi將jiang表biao架jia固gu定ding在zai工gong作zuo台tai上shang，千qian分fen表biao的de彈dan性xing觸chu頭tou靠kao在zai光guang柵zha尺chi的de外wai表biao麵mian(基準麵)。當工作台運動時，根據指針的擺動情況來調整光柵尺的兩端，直到指針擺動在±5µm之間
，即可認為二者平行。
shifounengjingquediquedingjixieyuandianshiyingxiangceliangjieguodezhongyaoyuanyin
，yinweixitongdejixieyuandianshizhenggeceliangguochengdejizhun。benxitongcaiyongganyingshixianweikaiguanzuoweicudingwei
，yundongzhouyidanyuewei，gaizhoudeyundonglijitingzhi，shigongzuotaibuzaichaoyueweiquyuyundong。jixieyuandiandejingquedingweicaiquxunzhaosuoyinweizhidefangshi，jijiangIndex信號和限位開關信號組合，捕獲軸的當前位置。計算機首先得到限位開關信號，再發出捕獲Index信號的命令並控製電機正轉或反轉，GM400碰到編碼器的第一個Index信號將作為位置捕獲到的觸發信號，捕獲到的當前位置即可作為係統的機械原點。GM400捕獲的原點位置是觸發脈衝到來時刻運動軸的實際位置，捕獲位置精度可達±1個脈衝，反映到數顯儀上
，可使原點定位誤差控製在5µm以內。
測ce量liang時shi的de運yun動dong速su度du實shi際ji上shang並bing不bu影ying響xiang係xi統tong誤wu差cha，它ta隻zhi是shi使shi測ce得de誤wu差cha的de表biao現xian值zhi偏pian大da或huo偏pian小xiao，一yi般ban來lai說shuo，速su度du越yue大da
，測ce得de的de誤wu差cha數shu值zhi越yue小xiao，反fan之zhi越yue大da(從下麵的試驗結果可看出)。
另外，由於誤差值和補償值都是極小的數，因此在數據處理時應盡量減小舍入誤差。
2 誤差補償的實現
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(數據表存於計算機中)法確定該目標位置的誤差值
，用軟件產生一個大小相等、方向相反的補償值直接加到控製程序的目標位置坐標上。誤差補償係統工作原理如圖2所示。
2.2 誤差補償的軟件實現
一個數控係統是由硬件、軟件共同組成的
，缺一不可。當硬件設計、組裝完成後
，係統能否按設計要求正常工作很大程度上取決於軟件係統。
本係統軟件主要由初始化、串行通信、數據處理
、伺服電機控製等模塊組成，軟件誤差補償流程見圖3。
3 試驗驗證
3.1 試驗方法
工作台的進給速度分別為300mm/min
、350mm/min
、400mm/min。
誤差測量按單方向進行並采用階梯循環檢測方式，即每測量一次，目標位置增加一個單位長度(可以是1mm
，0.5mm等)，每次測量前要先回機械原點。本試驗每測量一次，目標位置增加1mm。
整個行程誤差測量完畢後，即可進入誤差補償程序

，測試加入補償後的定位誤差。
3.2 試驗結果
以X軸為例，由試驗知
，數控工作台在120mm的行程上，最大誤差達到400µm，且誤差變化呈波動狀態，沒有固定規律。但在實施誤差補償後，可將全行程誤差控製在15µm以內，大大提高了數控工作台的精度。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
、後的最大誤差)。
 
Δmax=410µm，Δ'max=15µm
Δmax=400µm
，Δ'max=15µm
Δmax=385µm，Δ'max=15µm
ΔL=0.5m，Δ'max=15µm
 

cechugegesuduxiadewuchazhihou，zhexieshujubeizidongcunrujisuanjizhongxingchengshujubiao

，zaiyihoudejutijiagongzhong，jisuanjihuigenjuqingkuangbabuchangzhizidongjiarugongzuotaideyundongzhong

，shidejiagongjingdudadatigao。tu6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時測得的定位誤差，其最大定位誤差Δ'max仍可控製在15µm以內。
3.3 結果分析
xitongdedingweiwuchashiyouduofangmianyinsuzaochengde。shouxian，gunzhusigangdaochengleijiwuchashiyingxianggongzuotaiweizhijingdudezhuyaoyinsu。qici
，jiegoubujiandeweizhihechicunwuchajichuandongbujiandejianxihebianxingyeshizaochengdingweiwuchadebukehushideyuanyin。lingwai
，guangzhachianzhuangbudang、安裝光柵尺的台麵不平以及數據處理時的舍入誤差也會產生影響。
4 結論
congshiyanzhi
，dingweiwuchazaishishibuchanghoudafudujianxiao
，zheshuomingbuchangfangfashizhengqueyouxiaode。wuchabuchangjishushixianjinzhizaoxitongzhongtigaojiagongjingdudeguanjianjishu，jiyushujubiaoderuanjianwuchabuchangfangfa
，nengyijiaoxiaodetouruzaibugaibianxitongyingjiandetiaojianxiashixian
，dequeshiyizhongtigaoshukongxitongdingweijingdudejingjikexingdebanfa。