0 引言

　　航天航空業(yè)、國防工業(yè)和機(jī)械制造業(yè)的迅速發(fā)展,對數(shù)控機(jī)床的加工精度提出了越來越高的要求。而數(shù)控機(jī)床的幾何誤差、熱誤差及切削力引起的誤差是影響機(jī)床精度的關(guān)鍵因素,這三項因素所造成的誤差約占總誤差的80%。誤差補(bǔ)償是提高機(jī)床精度經(jīng)濟(jì)有效的方法,在機(jī)械加工業(yè)中受到高度重視。

　　誤差補(bǔ)償?shù)倪^程通常是先采用激光干涉儀、球桿儀、平面光柵等檢測儀器測量數(shù)控機(jī)床的誤差,再進(jìn)行建模補(bǔ)償。目前常用的補(bǔ)償手段有以下幾種:栙修改G 代碼補(bǔ)償法,其不足是實時性差;栚壓電陶瓷制動補(bǔ)償法,其不足是反應(yīng)慢、剛度低;栛數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)調(diào)整補(bǔ)償法,如螺距補(bǔ)償、齒隙補(bǔ)償、刀具長度補(bǔ)償、刀具半徑補(bǔ)償?shù)?其不足是僅僅為靜態(tài)補(bǔ)償;栜機(jī)床外部坐標(biāo)偏移補(bǔ)償法,其不足是受限于數(shù)控系統(tǒng)。

　　為實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床誤差的實時補(bǔ)償,上海交通大學(xué)研制開發(fā)了基于外部坐標(biāo)偏移的誤差實時補(bǔ)償系統(tǒng),該系統(tǒng)由硬件執(zhí)行平臺、補(bǔ)償器軟件平臺以及上位機(jī)操作、建模和分析軟件組成,可實現(xiàn)機(jī)床誤差在線實時補(bǔ)償。該方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要修改數(shù)控指令及數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件,僅需在PMC 的原有梯形程序后添加少許程序,對原有系統(tǒng)不產(chǎn)生任何影響。

　　本文針對現(xiàn)有誤差補(bǔ)償技術(shù)的不足,為提高數(shù)控機(jī)床精度,實現(xiàn)基于CNC 底層通信的實時誤差補(bǔ)償,針對數(shù)控機(jī)床的幾何誤差、熱誤差等因素,研發(fā)一種用于數(shù)控機(jī)床實時誤差補(bǔ)償?shù)墓δ苣K。該模塊可實現(xiàn)與CNC 底層數(shù)據(jù)實時交互,可實時修改數(shù)控系統(tǒng)機(jī)床坐標(biāo)以實現(xiàn)機(jī)床誤差實時補(bǔ)償,其最大優(yōu)點(diǎn)是補(bǔ)償器與CNC 底層直接通信,補(bǔ)償?shù)乃俣群托矢?補(bǔ)償效果好。

1 基于底層通信的實時誤差補(bǔ)償

　　1.1 暋實時誤差補(bǔ)償功能的實現(xiàn)

　　為實現(xiàn)基于CNC 底層通信的實時誤差補(bǔ)償功能,參照GSK 25i 系統(tǒng)的功能模塊結(jié)構(gòu)特征,研發(fā)基于CNC 底層通信的實時誤差補(bǔ)償功能模塊。實時誤差補(bǔ)償功能模塊的布局設(shè)計成接插板卡的形式,可與GSK 25i 系統(tǒng)母板連接,并作為數(shù)控系統(tǒng)基本配置功能模塊供用戶選擇。實時誤差補(bǔ)償功能模塊可與CNC 底層實時交互數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)1Mbit/s 以上,能有效補(bǔ)償數(shù)控機(jī)床的多項誤差,具有很強(qiáng)的應(yīng)用價值。

　　基于CNC 底層通信的實時誤差補(bǔ)償功能模塊采用DSP 芯片作為主處理單元,可實時讀取各控制軸當(dāng)前機(jī)床坐標(biāo)和各溫度布點(diǎn)上的實時溫度值,并根據(jù)誤差模型進(jìn)行相關(guān)補(bǔ)償量計算;實時誤差補(bǔ)償功能模塊還可在初始化階段讀取諸如加工參數(shù)、工件材料、是否啟用螺距補(bǔ)償?shù)扰c補(bǔ)償執(zhí)行效果相關(guān)的機(jī)床加工工藝信息,以實現(xiàn)不同加工條件下的誤差補(bǔ)償。實時誤差補(bǔ)償模塊通過溫度采集接口與外置溫度采集模塊連接以實現(xiàn)機(jī)床各溫度布點(diǎn)的實時溫度采集,溫度采集模塊安裝在機(jī)床電器控制柜內(nèi)的導(dǎo)軌上,便于溫度傳感器線路連接和檢查。實時誤差補(bǔ)償模塊通過數(shù)據(jù)交互接口的數(shù)據(jù)處理芯片(FPGA),按照雙方共同制定的通信協(xié)議與CNC 進(jìn)行各種數(shù)據(jù)交互。

　　誤差實時補(bǔ)償模塊的外部存儲單元選用128MB 以上的Flash 存儲器,外部存儲單元一方面保存機(jī)床的各種誤差數(shù)學(xué)模型,另一方面劃分相關(guān)區(qū)域作為模型數(shù)據(jù)保存區(qū)、監(jiān)控數(shù)據(jù)區(qū)和修正系數(shù)計算區(qū)域等。

　　1.2 實時誤差補(bǔ)償?shù)墓δ苣K

　　基于CNC 底層通信的實時誤差補(bǔ)償模塊包括溫度采集模塊、誤差補(bǔ)償模塊、數(shù)據(jù)通信模塊和人機(jī)交互模塊。

　　1.2.1 溫度采集模塊

　　溫度采集模塊可選配熱電阻型溫度采集模塊、數(shù)字式溫度傳感器型溫度采集模塊或無線溫度傳感器型溫度采集模塊。溫度采集模塊的主要功能是實時采集機(jī)床各溫度布點(diǎn)的實時溫度。

　　1.2.2 誤差補(bǔ)償模塊

　　誤差補(bǔ)償模塊包括主處理器和外部存儲器。主處理器采用與目前國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)核心運(yùn)算單元相匹配的DSP 芯片,采用DSP 編程格式翻譯原單片機(jī)編制的程序,并根據(jù)與CNC 的數(shù)據(jù)交互模式增加數(shù)據(jù)監(jiān)控處理、實時信息保存、修正系數(shù)計算、人機(jī)界面訪問和參數(shù)設(shè)置等并行線程功能。外部存儲器采用大容量RAM 作為插卡式補(bǔ)償模塊外部存儲單元,通過合理區(qū)域劃分,可實現(xiàn)諸如模型數(shù)據(jù)保存、監(jiān)控數(shù)據(jù)和修正系數(shù)計算等多種功能;此外,外部存儲器還可作為DSP 芯片初始化時的數(shù)據(jù)訪問單元和出廠默認(rèn)參數(shù)存儲單元;另外,通過外部存儲單元,可保存大量的實際加工信息和補(bǔ)償信息,并可通過上位機(jī)專用訪問軟件讀取這些數(shù)據(jù),可作為對實時誤差補(bǔ)償運(yùn)行效果進(jìn)一步研究的直接數(shù)據(jù)資料。

　　1.2.3 數(shù)據(jù)通信模塊

　　GSK25i 數(shù)控系統(tǒng)采用GSK-Link 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議作為各功能模塊間的數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn),基于底層通信的實時補(bǔ)償模塊同樣沿用GSK-Link網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議,在補(bǔ)償模塊和CNC 之間定義好需要交互的數(shù)據(jù)信息和數(shù)據(jù)傳送格式、校驗碼、數(shù)據(jù)接口類型等,可實現(xiàn)實時誤差補(bǔ)償模塊與CNC之間的高速數(shù)據(jù)通信(通信速率可達(dá)2Mbit/s)。采用該數(shù)據(jù)通信協(xié)議,可實現(xiàn)補(bǔ)償周期與CNC的插補(bǔ)周期同步效果,可最大限度提高補(bǔ)償模塊的補(bǔ)償效率和補(bǔ)償精度。

　　數(shù)據(jù)通信模塊的相關(guān)傳輸數(shù)據(jù)包括:栙補(bǔ)償功能觸發(fā)指令;栚補(bǔ)償模塊向CNC 輸入補(bǔ)償值時的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域地址;栛機(jī)床各控制軸實時機(jī)床坐標(biāo)數(shù)據(jù)存儲區(qū)域地址;栜機(jī)床各控制軸實時運(yùn)動速度數(shù)據(jù)存儲區(qū)域地址;栞機(jī)床各控制軸傳動比和電子齒輪比數(shù)據(jù)存儲區(qū)域地址;栟主軸實際速度輸出數(shù)據(jù)存儲區(qū)域地址;栠機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)信息輸出數(shù)據(jù)存儲區(qū)域地址;栢溫度傳感器實時監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲區(qū)域地址;栣各軸實時補(bǔ)償值數(shù)據(jù)存儲區(qū)域地址;栤特殊指令(如溫度報警指令、絲杠間隙過大指令等)。

　　1.2.4 人機(jī)交互模塊

　　基于CNC 底層通信的實時誤差補(bǔ)償模塊本身不具有人機(jī)交互界面,由于實現(xiàn)了與CNC 的實時通信,因而可在CNC 界面上開發(fā)專門的補(bǔ)償控制界面,實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)監(jiān)控等多種功能操作。相關(guān)補(bǔ)償界面設(shè)計如下:

　　(1)補(bǔ)償功能啟用和補(bǔ)償值輸入接口地址界面。通過對補(bǔ)償功能啟用參數(shù)EMS設(shè)置,決定CNC 是否啟動實時誤差補(bǔ)償功能,該項設(shè)置可通過CNC 檢索系統(tǒng)是否包含實時誤差補(bǔ)償模塊而自動進(jìn)行設(shè)置。

　　(2)機(jī)床坐標(biāo)值輸出接口地址界面及運(yùn)動速度值輸出接口地址界面。用于指定各控制軸的實時機(jī)床坐標(biāo)數(shù)據(jù)在數(shù)控系統(tǒng)RAM 中的存放地址及各軸實際運(yùn)動速度數(shù)據(jù)在數(shù)控系統(tǒng)RAM 中的存放地址。

　　(3)機(jī)床傳動比和電子齒輪比界面。機(jī)床傳動比和電子齒輪比主要用于配置各軸補(bǔ)償輸出值與實際執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作的比例關(guān)系。

　　(4)主軸實際速度輸出和機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)信息輸出接口地址界面。主軸實際速度輸出接口地址用于指定主軸在生產(chǎn)加工時的實際轉(zhuǎn)動速度數(shù)據(jù)在數(shù)控系統(tǒng)RAM 中的存放地址,并可根據(jù)相關(guān)狀態(tài)信息調(diào)試模型參數(shù)和輸出報警信息。

　　(5)溫度傳感器布點(diǎn)實時溫度值監(jiān)控地址界面。實時誤差補(bǔ)償模塊能夠?qū)C(jī)床的不同溫度狀態(tài)進(jìn)行實時誤差補(bǔ)償,可配合溫度傳感器和溫度采集模塊使用。溫度傳感器的可靠性通過閾值判斷及溫度報警實現(xiàn)。溫度傳感器布點(diǎn)實時溫度值監(jiān)控地址界面，溫度數(shù)據(jù)除了作為實時誤差補(bǔ)償模塊進(jìn)行補(bǔ)償值計算的變量參數(shù)使用外,還可提供給機(jī)床一種監(jiān)控各重要運(yùn)動部件、冷卻液以及環(huán)境溫度的手段,便于進(jìn)一步研究機(jī)床各種加工工藝條件下各部件發(fā)熱對機(jī)床熱變形的影響。對于機(jī)床特殊位置需要布置溫度傳感器的,可擴(kuò)展溫度采集模塊和溫度傳感器,并在界面上增加相應(yīng)布點(diǎn)說明,在RAM 中對應(yīng)定義相應(yīng)檢索號和緩存地址。

　　(6)各軸補(bǔ)償值監(jiān)控地址界面。用于實時顯示當(dāng)前實時誤差補(bǔ)償模塊計算出的各控制軸補(bǔ)償量大小,便于監(jiān)控補(bǔ)償模塊實時工作穩(wěn)定性,并通過監(jiān)控補(bǔ)償值的變化規(guī)律,了解機(jī)床各控制軸運(yùn)動軌跡中哪些區(qū)域?qū)ぜ庸ぞ扔绊戄^大。

2 實時誤差補(bǔ)償功能應(yīng)用

　　2.1 機(jī)床定位誤差檢測

　　實驗用機(jī)床為M-VR105 三軸數(shù)控機(jī)床,數(shù)控系統(tǒng)為廣州數(shù)控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的GSK 25i數(shù)控系統(tǒng);誤差測量設(shè)備為雷尼紹激光干涉儀。實驗時首先應(yīng)用雷尼紹激光干涉儀檢測三軸機(jī)床三個平動軸的定位誤差,機(jī)床定位誤差檢測結(jié)果,其中實線表示測試參考坐標(biāo)從0 到800mm 位置運(yùn)動(正向)所測試的重復(fù)3 次定位誤差數(shù)據(jù);虛線表示測試參考坐標(biāo)從800mm 到0 位置運(yùn)動(反向)所測試的重復(fù)3 次定位誤差數(shù)據(jù)。機(jī)床X 軸定位誤差最大為-38m,誤差曲線隨機(jī)床坐標(biāo)的增大而增大;Y 軸定位誤差最大為32μm,誤差曲線呈非線性分布;Z 軸定位誤差最大為57m,誤差曲線呈非線性分布。

　　2.2 機(jī)床定位誤差建模

　　以X 軸正向定位誤差為例,根據(jù)回歸理論可設(shè)誤差模型

　　將X 軸正向定位誤差檢測數(shù)據(jù)代入式(1),可得一正規(guī)方程組,應(yīng)用最小二乘理論可得機(jī)床X 軸正向定位誤差

　　2.3 基于底層通信的機(jī)床定位誤差補(bǔ)償

　　為驗證基于CNC 底層通信的實時誤差補(bǔ)償功能,將式(2)和式(3)誤差模型加載到實時誤差補(bǔ)償模塊,應(yīng)用實時誤差補(bǔ)償功能對機(jī)床定位誤差進(jìn)行在線實施補(bǔ)償,并測量補(bǔ)償之后的機(jī)床定位誤差。

　　基于CNC 底層通信實時誤差補(bǔ)償流程為:栙運(yùn)用數(shù)控系統(tǒng)的窗口功能,在PLC 中嵌入相應(yīng)的程序,實時自動讀取當(dāng)前各坐標(biāo)軸的絕對坐標(biāo),并將實時絕對坐標(biāo)輸入實時誤差補(bǔ)償模塊;栚通過溫度采集模塊將溫度傳感器采集到的機(jī)床溫度實時傳送到實時誤差補(bǔ)償模塊;栛實時誤差補(bǔ)償模塊在一個PLC 周期內(nèi),通過預(yù)建的誤差模型(式(2)和式(3))自動完成各軸的實時誤差補(bǔ)償值計算,再通過補(bǔ)償值輸出接口將誤差補(bǔ)償值送到PLC,并進(jìn)一步通過嵌入的PLC 程序傳送到CNC,再由機(jī)床CNC 通過觸發(fā)外部坐標(biāo)原點(diǎn)偏移功能使相關(guān)坐標(biāo)軸向誤差反方向運(yùn)動來修正誤差,達(dá)到自動實時誤差補(bǔ)償?shù)男Ч?/span>

　　表1 為機(jī)床X 、Y 、Z 軸定位精度補(bǔ)償前后對比表。由表1 可以看出,經(jīng)實時誤差補(bǔ)償模塊補(bǔ)償后,機(jī)床各軸定位精度均有大幅提高,機(jī)床精度最大可提高91灡7%,說明實時誤差補(bǔ)償模塊可有效提高機(jī)床精度。該實驗過程及結(jié)果均由機(jī)械工業(yè)機(jī)床產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心(上海)檢測并認(rèn)定。

　　大量實驗表明,基于底層通信的實時補(bǔ)償模塊不但對單軸誤差實時補(bǔ)償有效,而且對于多軸聯(lián)動、多誤差元素也具有較高精度的補(bǔ)償效果。

3 結(jié)束語

　　基于CNC 底層通信的實時誤差補(bǔ)償功能模塊可通過GSK-Link 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議與CNC 底層進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,實現(xiàn)了機(jī)床幾何誤差、熱誤差等誤差元素的在線綜合實時補(bǔ)償。由于實時誤差補(bǔ)償模塊可與CNC 底層進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通信,因此,可實現(xiàn)補(bǔ)償周期與CNC 的插補(bǔ)周期同步效果,可最大限度提高補(bǔ)償模塊的補(bǔ)償效率和補(bǔ)償精度。通過在GSK 25i 數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行實時補(bǔ)償驗證,結(jié)果表明,基于底層通信的實時誤差補(bǔ)償功能模塊可有效提高機(jī)床精度,最大可使機(jī)床精度提高91.7%,具有較強(qiáng)實用價值。