基于數(shù)控系統(tǒng)底層通信的實時誤差補償及應用

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

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

　　圖4機床傳動比和電子齒輪比界面

　　(4)主軸實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)溫度傳感器布點實時溫度值監(jiān)控地址界面。實時誤差補償模塊能夠對機床的不同溫度狀態(tài)進行實時誤差補償,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閾值判斷及溫度報警實現(xiàn)。溫度傳感器布點實時溫度值監(jiān)控地址界面如圖5 所示。溫度數(shù)據(jù)除了作為實時誤差補償模塊進行補償值計算的變量參數(shù)使用外,還可提供給機床一種監(jiān)控各重要運動部件、冷卻液以及環(huán)境溫度的手段,便于進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說明,在RAM 中對應定義相應檢索號和緩存地址。

　　圖5溫度傳感器布點實時溫度值監(jiān)控地址界面

　　(6)各軸補償值監(jiān)控地址界面。用于實時顯示當前實時誤差補償模塊計算出的各控制軸補償量大小,便于監(jiān)控補償模塊實時工作穩(wěn)定性,并通過監(jiān)控補償值的變化規(guī)律,了解機床各控制軸運動軌跡中哪些區(qū)域對工件加工精度影響較大。

　　2 實時誤差補償功能應用

　　2.1 機床定位誤差檢測

　　實驗用機床為M-VR105 三軸數(shù)控機床,數(shù)控系統(tǒng)為廣州數(shù)控設備有限公司生產(chǎn)的GSK 25i數(shù)控系統(tǒng);誤差測量設備為雷尼紹激光干涉儀。實驗時首先應用雷尼紹激光干涉儀檢測三軸機床三個平動軸的定位誤差,如圖6 所示。圖7 所示為機床定位誤差檢測結果,其中實線表示測試參考坐標從0 到800mm 位置運動(正向)所測試的重復3 次定位誤差數(shù)據(jù);虛線表示測試參考坐標從800mm 到0 位置運動(反向)所測試的重復3 次定位誤差數(shù)據(jù)。由圖7 可以看出,機床X 軸定位誤差最大為-38μm,誤差曲線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(jù)回歸理論可設誤差模型為

　　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 底層通信的實時誤差補償功能,將式(2)和式(3)誤差模型加載到實時誤差補償模塊,應用實時誤差補償功能對機床定位誤差進行在線實施補償,并測量補償之后的機床定位誤差。圖9 為實時誤差補償模塊與機床PLC接線圖及誤差補償器外觀圖。

　　圖9實時誤差補償模塊與機床PLC 接線圖及誤差補償器外觀圖

　　基于CNC 底層通信實時誤差補償流程為:栙運用數(shù)控系統(tǒng)的窗口功能,在PLC 中嵌入相應的程序,實時自動讀取當前各坐標軸的絕對坐標,并將實時絕對坐標輸入實時誤差補償模塊;栚通過溫度采集模塊將溫度傳感器采集到的機床溫度實時傳送到實時誤差補償模塊;栛實時誤差補償模塊在一個PLC 周期內(nèi),通過預建的誤差模型(式(2)和式(3))自動完成各軸的實時誤差補償值計算,再通過補償值輸出接口將誤差補償值送到PLC,并進一步通過嵌入的PLC 程序傳送到CNC,再由機床CNC 通過觸發(fā)外部坐標原點偏移功能使相關坐標軸向誤差反方向運動來修正誤差,達到自動實時誤差補償?shù)男Ч?。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)實時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%,說明實時誤差補償模塊可有效提高機床精度。該實驗過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。

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

　　3 結束語

　　基于CNC 底層通信的實時誤差補償功能模塊可通過GSK-Link 網(wǎng)絡通信協(xié)議與CNC 底層進行數(shù)據(jù)交互,實現(xiàn)了機床幾何誤差、熱誤差等誤差元素的在線綜合實時補償。由于實時誤差補償模塊可與CNC 底層進行高速數(shù)據(jù)通信,因此,可實現(xiàn)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。通過在GSK 25i 數(shù)控系統(tǒng)進行實時補償驗證,結果表明,基于底層通信的實時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%,具有較強實用價值。