基于數控系統底層通信的實(shí)時(shí)誤差補償及應用

　　(2)機床坐標值輸出接口地址界面及運動(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)機床坐標數據在數控系統RAM 中的存放地址及各軸實(shí)際運動(dòng)速度數據在數控系統RAM 中的存放地址。

　　(3)機床傳動(dòng)比和電子齒輪比界面。如圖4所示,機床傳動(dòng)比和電子齒輪比主要用于配置各軸補償輸出值與實(shí)際執行機構動(dòng)作的比例關(guān)系。

　　圖4機床傳動(dòng)比和電子齒輪比界面

　　(4)主軸實(shí)際速度輸出和機床運行狀態(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)際轉動(dòng)速度數據在數控系統RAM 中的存放地址,并可根據相關(guān)狀態(tài)信息調試模型參數和輸出報警信息。

　　(5)溫度傳感器布點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度值監控地址界面。實(shí)時(shí)誤差補償模塊能夠對機床的不同溫度狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)誤差補償,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(guò)閾值判斷及溫度報警實(shí)現。溫度傳感器布點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度值監控地址界面如圖5 所示。溫度數據除了作為實(shí)時(shí)誤差補償模塊進(jìn)行補償值計算的變量參數使用外,還可提供給機床一種監控各重要運動(dòng)部件、冷卻液以及環(huán)境溫度的手段,便于進(jìn)一步研究機床各種加工工藝條件下各部件發(fā)熱對機床熱變形的影響。對于機床特殊位置需要布置溫度傳感器的,可擴展溫度采集模塊和溫度傳感器,并在界面上增加相應布點(diǎn)說(shuō)明,在RAM 中對應定義相應檢索號和緩存地址。

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

　　(6)各軸補償值監控地址界面。用于實(shí)時(shí)顯示當前實(shí)時(shí)誤差補償模塊計算出的各控制軸補償量大小,便于監控補償模塊實(shí)時(shí)工作穩定性,并通過(guò)監控補償值的變化規律,了解機床各控制軸運動(dòng)軌跡中哪些區域對工件加工精度影響較大。

　　2 實(shí)時(shí)誤差補償功能應用

　　2.1 機床定位誤差檢測

　　實(shí)驗用機床為M-VR105 三軸數控機床,數控系統為廣州數控設備有限公司生產(chǎn)的GSK 25i數控系統;誤差測量設備為雷尼紹激光干涉儀。實(shí)驗時(shí)首先應用雷尼紹激光干涉儀檢測三軸機床三個(gè)平動(dòng)軸的定位誤差,如圖6 所示。圖7 所示為機床定位誤差檢測結果,其中實(shí)線(xiàn)表示測試參考坐標從0 到800mm 位置運動(dòng)(正向)所測試的重復3 次定位誤差數據;虛線(xiàn)表示測試參考坐標從800mm 到0 位置運動(dòng)(反向)所測試的重復3 次定位誤差數據。由圖7 可以看出,機床X 軸定位誤差最大為-38μm,誤差曲線(xiàn)隨機床坐標的增大而增大;Y 軸定位誤差最大為32μm,誤差曲線(xiàn)呈非線(xiàn)性分布;Z 軸定位誤差最大為57μm,誤差曲線(xiàn)呈非線(xiàn)性分布。

　　圖6機床定位誤差檢測

　　圖6機床定位誤差檢測

　　2.2 機床定位誤差建模

　　以X 軸正向定位誤差為例,根據回歸理論可設誤差模型為

　　將X 軸正向定位誤差檢測數據代入式(1),可得一正規方程組,應用最小二乘理論可得機床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果

　　2.3 基于底層通信的機床定位誤差補償

　　為驗證基于CNC 底層通信的實(shí)時(shí)誤差補償功能,將式(2)和式(3)誤差模型加載到實(shí)時(shí)誤差補償模塊,應用實(shí)時(shí)誤差補償功能對機床定位誤差進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)施補償,并測量補償之后的機床定位誤差。圖9 為實(shí)時(shí)誤差補償模塊與機床PLC接線(xiàn)圖及誤差補償器外觀(guān)圖。

　　圖9實(shí)時(shí)誤差補償模塊與機床PLC 接線(xiàn)圖及誤差補償器外觀(guān)圖

　　基于CNC 底層通信實(shí)時(shí)誤差補償流程為:栙運用數控系統的窗口功能,在PLC 中嵌入相應的程序,實(shí)時(shí)自動(dòng)讀取當前各坐標軸的絕對坐標,并將實(shí)時(shí)絕對坐標輸入實(shí)時(shí)誤差補償模塊;栚通過(guò)溫度采集模塊將溫度傳感器采集到的機床溫度實(shí)時(shí)傳送到實(shí)時(shí)誤差補償模塊;栛實(shí)時(shí)誤差補償模塊在一個(gè)PLC 周期內,通過(guò)預建的誤差模型(式(2)和式(3))自動(dòng)完成各軸的實(shí)時(shí)誤差補償值計算,再通過(guò)補償值輸出接口將誤差補償值送到PLC,并進(jìn)一步通過(guò)嵌入的PLC 程序傳送到CNC,再由機床CNC 通過(guò)觸發(fā)外部坐標原點(diǎn)偏移功能使相關(guān)坐標軸向誤差反方向運動(dòng)來(lái)修正誤差,達到自動(dòng)實(shí)時(shí)誤差補償的效果。圖10 所示為補償后的X 軸定位誤差。

　　圖10補償后機床X 軸定位誤差曲線(xiàn)圖

　　表1 為機床X 、Y 、Z 軸定位精度補償前后對比表。由表1 可以看出,經(jīng)實(shí)時(shí)誤差補償模塊補償后,機床各軸定位精度均有大幅提高,機床精度最大可提高91灡7%,說(shuō)明實(shí)時(shí)誤差補償模塊可有效提高機床精度。該實(shí)驗過(guò)程及結果均由機械工業(yè)機床產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心(上海)檢測并認定。

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

　　3 結束語(yǔ)

　　基于CNC 底層通信的實(shí)時(shí)誤差補償功能模塊可通過(guò)GSK-Link 網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議與CNC 底層進(jìn)行數據交互,實(shí)現了機床幾何誤差、熱誤差等誤差元素的在線(xiàn)綜合實(shí)時(shí)補償。由于實(shí)時(shí)誤差補償模塊可與CNC 底層進(jìn)行高速數據通信,因此,可實(shí)現補償周期與CNC 的插補周期同步效果,可最大限度提高補償模塊的補償效率和補償精度。通過(guò)在GSK 25i 數控系統進(jìn)行實(shí)時(shí)補償驗證,結果表明,基于底層通信的實(shí)時(shí)誤差補償功能模塊可有效提高機床精度,最大可使機床精度提高91.7%,具有較強實(shí)用價(jià)值。