基于數(shù)控系統(tǒng)底層通信的實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償及應(yīng)用

　　(2)機(jī)床坐標(biāo)值輸出接口地址界面及運(yùn)動(dòng)速度值輸出接口地址界面。用于指定各控制軸的實(shí)時(shí)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(shí)際運(yùn)動(dòng)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(dòng)比和電子齒輪比界面。如圖4所示,機(jī)床傳動(dòng)比和電子齒輪比主要用于配置各軸補(bǔ)償輸出值與實(shí)際執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的比例關(guān)系。

　　圖4機(jī)床傳動(dòng)比和電子齒輪比界面

　　(4)主軸實(shí)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(shí)際速度輸出接口地址用于指定主軸在生產(chǎn)加工時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)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(bào)警信息。

　　(5)溫度傳感器布點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度值監(jiān)控地址界面。實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(bào)警實(shí)現(xiàn)。溫度傳感器布點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度值監(jiān)控地址界面如圖5 所示。溫度數(shù)據(jù)除了作為實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償模塊進(jìn)行補(bǔ)償值計(jì)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(dòng)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(duì)機(jī)床熱變形的影響。對(duì)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(duì)應(yīng)定義相應(yīng)檢索號(hào)和緩存地址。

　　圖5溫度傳感器布點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度值監(jiān)控地址界面

　　(6)各軸補(bǔ)償值監(jiān)控地址界面。用于實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償模塊計(jì)算出的各控制軸補(bǔ)償量大小,便于監(jiān)控補(bǔ)償模塊實(shí)時(shí)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(dòng)軌跡中哪些區(qū)域?qū)ぜ庸ぞ扔绊戄^大。

　　2 實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償功能應(yīng)用

　　2.1 機(jī)床定位誤差檢測

　　實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)時(shí)首先應(yīng)用雷尼紹激光干涉儀檢測三軸機(jī)床三個(gè)平動(dòng)軸的定位誤差,如圖6 所示。圖7 所示為機(jī)床定位誤差檢測結(jié)果,其中實(shí)線表示測試參考坐標(biāo)從0 到800mm 位置運(yùn)動(dòng)(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(dòng)(反向)所測試的重復(fù)3 次定位誤差數(shù)據(jù)。由圖7 可以看出,機(jī)床X 軸定位誤差最大為-38μm,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57μm,誤差曲線呈非線性分布。

　　圖6機(jī)床定位誤差檢測

　　圖6機(jī)床定位誤差檢測

　　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)誤差模型為

　　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 軸正向定位誤差模型:

　　圖8 所示為X 軸正向定位誤差擬合結(jié)果。由圖8 可以看出,X 軸正向定位誤差擬合精度較高,擬合殘差為- 0.9 ~1.1μm。

　　圖8X 軸正向定位誤差擬合結(jié)果

　　2.3 基于底層通信的機(jī)床定位誤差補(bǔ)償

　　為驗(yàn)證基于CNC 底層通信的實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償功能,將式(2)和式(3)誤差模型加載到實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償模塊,應(yīng)用實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償功能對(duì)機(jī)床定位誤差進(jìn)行在線實(shí)施補(bǔ)償,并測量補(bǔ)償之后的機(jī)床定位誤差。圖9 為實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償模塊與機(jī)床PLC接線圖及誤差補(bǔ)償器外觀圖。

　　圖9實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償模塊與機(jī)床PLC 接線圖及誤差補(bǔ)償器外觀圖

　　基于CNC 底層通信實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)自動(dòng)讀取當(dāng)前各坐標(biāo)軸的絕對(duì)坐標(biāo),并將實(shí)時(shí)絕對(duì)坐標(biāo)輸入實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)傳送到實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償模塊;栛實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償模塊在一個(gè)PLC 周期內(nèi),通過預(yù)建的誤差模型(式(2)和式(3))自動(dòng)完成各軸的實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償值計(jì)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(dòng)來修正誤差,達(dá)到自動(dòng)實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償?shù)男ЧD10 所示為補(bǔ)償后的X 軸定位誤差。

　　圖10補(bǔ)償后機(jī)床X 軸定位誤差曲線圖

　　表1 為機(jī)床X 、Y 、Z 軸定位精度補(bǔ)償前后對(duì)比表。由表1 可以看出,經(jīng)實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償模塊可有效提高機(jī)床精度。該實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)表明,基于底層通信的實(shí)時(shí)補(bǔ)償模塊不但對(duì)單軸誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償有效,而且對(duì)于多軸聯(lián)動(dòng)、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(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)了機(jī)床幾何誤差、熱誤差等誤差元素的在線綜合實(shí)時(shí)補(bǔ)償。由于實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)時(shí)補(bǔ)償驗(yàn)證,結(jié)果表明,基于底層通信的實(shí)時(shí)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(shí)用價(jià)值。