數(shù)控系統(tǒng)誤差補(bǔ)償技術(shù)研究
在數(shù)控機(jī)床上對(duì)零件實(shí)現(xiàn)高精度加工和檢測(cè)其關(guān)鍵是提高機(jī)床的定位精度，主要采取兩種方法:誤差預(yù)防和誤差補(bǔ)償。誤差預(yù)防是在機(jī)床的設(shè)計(jì)制造階段進(jìn)行的，即提高工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)精度以減少誤差源和表現(xiàn)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(bǔ)償技術(shù)是在不改變機(jī)床結(jié)構(gòu)和制造精度的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)機(jī)床加工過(guò)程的誤差源分析、建模，實(shí)時(shí)地計(jì)算出加工點(diǎn)的空間位置誤差，將該誤差量反饋到機(jī)床的控制系統(tǒng)中，改變坐標(biāo)驅(qū)動(dòng)量來(lái)實(shí)現(xiàn)誤差修正，從而提高機(jī)床定位精度。采用誤差補(bǔ)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(tǒng)能達(dá)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(bǔ)償技術(shù)是提高機(jī)床精度必要的和實(shí)際的方法。
筆者采用以486微機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制板為核心，以光柵尺為檢測(cè)元件，以交流伺服電機(jī)為驅(qū)動(dòng)部件，由控制軟件作支持的光柵測(cè)控系統(tǒng)，對(duì)數(shù)控試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行了測(cè)量和補(bǔ)償，并對(duì)補(bǔ)償前后的誤差進(jìn)行了比較。該測(cè)控系統(tǒng)性能可靠，操作方便，通用性強(qiáng)，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。
1 光柵測(cè)控系統(tǒng)的構(gòu)成及誤差分析
1.1 光柵測(cè)控系統(tǒng)的構(gòu)成
本系統(tǒng)采用主從式控制方式，上位機(jī)采用一臺(tái)486PC機(jī)，主要任務(wù)包括輸入輸出、顯示、數(shù)據(jù)接收和處理等，其控制部分包括譯碼、刀具補(bǔ)償、速度控制、插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制等程序。下位機(jī)采用GM400運(yùn)動(dòng)伺服控制器，主要完成實(shí)際運(yùn)動(dòng)的位置、速度、加速度控制以及I/O處理等。檢測(cè)部分采用ES-6線位移光柵尺及配套的數(shù)顯儀。執(zhí)行部分為交流伺服電機(jī)。

測(cè)控系統(tǒng)
 
GM400運(yùn)動(dòng)控制器是一塊以IBM-PC/XT/AT及其兼容機(jī)作為主機(jī)的ISA總線應(yīng)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(xì)的電機(jī)伺服控制。本系統(tǒng)利用GM400中的兩軸控制單元控制兩套交流伺服電機(jī)。數(shù)控工作臺(tái)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(shù)顯儀可顯示工作臺(tái)的精確位置，數(shù)顯儀與計(jì)算機(jī)通過(guò)串口傳遞數(shù)據(jù)。具體連接如圖1所示。
機(jī)床導(dǎo)軌和工作臺(tái)的誤差是機(jī)床運(yùn)動(dòng)的主要誤差源。假定導(dǎo)軌副作剛體運(yùn)動(dòng)，由于制造及安裝誤差的存在，其運(yùn)動(dòng)有六個(gè)自由度，即運(yùn)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(xiàng)直線度誤差和三項(xiàng)轉(zhuǎn)角誤差)。這樣，三軸數(shù)控機(jī)床的三個(gè)軸向運(yùn)動(dòng)共有18項(xiàng)誤差，同時(shí)三軸之間還存在三項(xiàng)關(guān)系誤差即垂直度誤差(xy，yz，zx)，故機(jī)床實(shí)際上共有21項(xiàng)原始誤差。
利用上述的測(cè)控系統(tǒng)，可測(cè)出數(shù)控工作臺(tái)在X、Y兩個(gè)方向的直線位移誤差。
1.2 影響測(cè)量結(jié)果的因素及消除方法
影響測(cè)量結(jié)果的主要因素有:光柵尺與工作臺(tái)的平行度、機(jī)械原點(diǎn)的確定、測(cè)量時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度、數(shù)據(jù)處理中的舍入誤差等。
光柵尺與數(shù)控工作臺(tái)的平行度，是造成測(cè)量誤差值偏大的主要原因，在測(cè)量前應(yīng)細(xì)心調(diào)整。調(diào)整時(shí)將表架固定在工作臺(tái)上，千分表的彈性觸頭靠在光柵尺的外表面(基準(zhǔn)面)。當(dāng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)指針的擺動(dòng)情況來(lái)調(diào)整光柵尺的兩端，直到指針擺動(dòng)在±5µm之間，即可認(rèn)為二者平行。
是否能精確地確定機(jī)械原點(diǎn)是影響測(cè)量結(jié)果的重要原因，因?yàn)橄到y(tǒng)的機(jī)械原點(diǎn)是整個(gè)測(cè)量過(guò)程的基準(zhǔn)。本系統(tǒng)采用感應(yīng)式限位開(kāi)關(guān)作為粗定位，運(yùn)動(dòng)軸一旦越位，該軸的運(yùn)動(dòng)立即停止，使工作臺(tái)不再朝越位區(qū)域運(yùn)動(dòng)。機(jī)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(hào)和限位開(kāi)關(guān)信號(hào)組合，捕獲軸的當(dāng)前位置。計(jì)算機(jī)首先得到限位開(kāi)關(guān)信號(hào)，再發(fā)出捕獲Index信號(hào)的命令并控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，GM400碰到編碼器的第一個(gè)Index信號(hào)將作為位置捕獲到的觸發(fā)信號(hào)，捕獲到的當(dāng)前位置即可作為系統(tǒng)的機(jī)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(yùn)動(dòng)軸的實(shí)際位置，捕獲位置精度可達(dá)±1個(gè)脈沖，反映到數(shù)顯儀上，可使原點(diǎn)定位誤差控制在5µm以?xún)?nèi)。
測(cè)量時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度實(shí)際上并不影響系統(tǒng)誤差，它只是使測(cè)得誤差的表現(xiàn)值偏大或偏小，一般來(lái)說(shuō)，速度越大，測(cè)得的誤差數(shù)值越小，反之越大(從下面的試驗(yàn)結(jié)果可看出)。
另外，由于誤差值和補(bǔ)償值都是極小的數(shù)，因此在數(shù)據(jù)處理時(shí)應(yīng)盡量減小舍入誤差。
2 誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)
2.1 誤差補(bǔ)償原理
測(cè)出不同速度下的誤差，根據(jù)速度與目標(biāo)位置坐標(biāo)，采用查表(數(shù)據(jù)表存于計(jì)算機(jī)中)法確定該目標(biāo)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(bǔ)償值直接加到控制程序的目標(biāo)位置坐標(biāo)上。誤差補(bǔ)償系統(tǒng)工作原理如圖2所示。
2.2 誤差補(bǔ)償?shù)能浖?shí)現(xiàn)
一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)是由硬件、軟件共同組成的，缺一不可。當(dāng)硬件設(shè)計(jì)、組裝完成后，系統(tǒng)能否按設(shè)計(jì)要求正常工作很大程度上取決于軟件系統(tǒng)。
本系統(tǒng)軟件主要由初始化、串行通信、數(shù)據(jù)處理、伺服電機(jī)控制等模塊組成，軟件誤差補(bǔ)償流程見(jiàn)圖3。
3 試驗(yàn)驗(yàn)證
3.1 試驗(yàn)方法
工作臺(tái)的進(jìn)給速度分別為300mm/min、350mm/min、400mm/min。
誤差測(cè)量按單方向進(jìn)行并采用階梯循環(huán)檢測(cè)方式，即每測(cè)量一次，目標(biāo)位置增加一個(gè)單位長(zhǎng)度(可以是1mm，0.5mm等)，每次測(cè)量前要先回機(jī)械原點(diǎn)。本試驗(yàn)每測(cè)量一次，目標(biāo)位置增加1mm。
整個(gè)行程誤差測(cè)量完畢后，即可進(jìn)入誤差補(bǔ)償程序，測(cè)試加入補(bǔ)償后的定位誤差。
3.2 試驗(yàn)結(jié)果
以X軸為例，由試驗(yàn)知，數(shù)控工作臺(tái)在120mm的行程上，最大誤差達(dá)到400µm，且誤差變化呈波動(dòng)狀態(tài)，沒(méi)有固定規(guī)律。但在實(shí)施誤差補(bǔ)償后，可將全行程誤差控制在15µm以?xún)?nèi)，大大提高了數(shù)控工作臺(tái)的精度。具體比較試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4～圖6所示(Δmax、Δ'max分別表示補(bǔ)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(cè)出各個(gè)速度下的誤差值后，這些數(shù)據(jù)被自動(dòng)存入計(jì)算機(jī)中形成數(shù)據(jù)表，在以后的具體加工中，計(jì)算機(jī)會(huì)根據(jù)情況把補(bǔ)償值自動(dòng)加入工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)中，使得加工精度大大提高。圖6為在計(jì)算機(jī)中存有誤差表的情況下，每目標(biāo)位置增加ΔL=0.5m時(shí)測(cè)得的定位誤差，其最大定位誤差Δ'max仍可控制在15µm以?xún)?nèi)。
3.3 結(jié)果分析
系統(tǒng)的定位誤差是由多方面因素造成的。首先，滾珠絲杠導(dǎo)程累計(jì)誤差是影響工作臺(tái)位置精度的主要因素。其次，結(jié)構(gòu)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(dāng)、安裝光柵尺的臺(tái)面不平以及數(shù)據(jù)處理時(shí)的舍入誤差也會(huì)產(chǎn)生影響。
4 結(jié)論
從試驗(yàn)知，定位誤差在實(shí)施補(bǔ)償后大幅度減小，這說(shuō)明補(bǔ)償方法是正確有效的。誤差補(bǔ)償技術(shù)是先進(jìn)制造系統(tǒng)中提高加工精度的關(guān)鍵技術(shù)，基于數(shù)據(jù)表的軟件誤差補(bǔ)償方法，能以較小的投入在不改變系統(tǒng)硬件的條件下實(shí)現(xiàn)，的確是一種提高數(shù)控系統(tǒng)定位精度的經(jīng)濟(jì)可行的辦法。