半闭环数控机床误差补偿技术研究.pdf

2 0 1 1 年 4月 第 3 9卷 第 8期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAULI CS Ap r ． 2 01 1 Vo l _ 3 9 No ． 8 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 8 ． 0 1 0 半闭环数控机床误差补偿技术研究 徐盛 学 广 东白云学院，广东广州 5 1 0 4 5 0 摘要为提高半闭环数控机床的位置精度，建立半闭环位置控制数学模型，研究机床传动误差的补偿机理 ，构造半闭 环误差补偿控制模型，并通过一个实例验证了该误差补偿方法的有效性。 关键词半闭环数控机床； 误差补偿 中图分类号 T G 6 5 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 8 0 4 8 2 St ud y o n Er r o r Co mpe ns a t i o n Te c hno l o g y o f S e mi - n c l o s e d - l o o p CNC M a c h i ne To o l XU S h e n g x u e G u a n g d o n g B a i y u n I n s t i t u t e ，G u a n g z h o u G u a n g d o n g 5 1 0 4 5 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T o i mp r o v e t h e p o s i t i o n a c c u r a c y o f s e mi c l o s e d l o o p C NC ma c h i n e t o o l ， i t s p o s i t i o n d y n a mi c c o n t r o l mo d e l wa s e s t a b l i s h e d． The p r i n c i pl e o f me c h a n i c a l t r a n s mi s s i o n e r r 0 r c o mp e n s a t i o n wa s a n a l y z e d． a nd a c o mpe ns a t i o n c o n t r o l l o o p wa s p r e s e nt e d ． Th e e x p e r i me n t a l r e s u l t s h o ws t h a t t h e me t ho d o f e r r o r c o mpe n s a t i o n c a n e ffe c t i v e l y i mpr o ve t h e a c c u r a c y o f CNC ma c h i ne t o o 1 ． Ke ywor ds S e mi c l o s e d l o o p CNC ma c h i n e t o o l Erro r c o mp e ns a t i o n 半闭环数控机床的环路内不包括机械传动环节， 可以获得 比较稳 定的控制性能 ，因而在现代 数控机床 中得到广泛应用。 由于机械环节的非线性 ，如 丝杠 螺母副的螺距误差 、工作台与导轨间的摩擦特性 、反 向间隙等，严重影响了半闭环数控机床的位置控制精 度 。为了提高半闭环数 控机床 的位置精度 ，可 以 采 用误差 补偿技术 ，将 数控机 床某轴 全行程 内的指令 位置与高精度测量装置测得的实际位置进行比较，获 得 该轴误 差的非线性 映射关系 ，通过补偿接 口将误 差 补偿值输入到数控系统，构成半 闭环补偿型控制环 路 。 1 半闭环数控系统的构成 半 闭环结构 机床伺 服进 给系统由交流伺 服电动机 带 动滚珠 丝杠实 现工作 台进 给 ，用丝杠 螺母 副将 电动 机 的旋转运 动转换成工作 台的直线移 动。安装在 电动 机轴上的角度传感器 ，通过对电动机轴角位移的测 量 ，间接地获得工作 台位 置输 出量 的等 效反馈 信号 。 这种等效反馈信号构成的系统中，不包含从电动机轴 到工作 台之 间的机械传 动链 ，因此这部分传 动引起 的 误差将不能被交流伺服驱动闭环系统 自动补偿。可见 机械传动误差 主要是丝杠 的螺距误差 及反 向间隙 是影 响半 闭环数控机床位置精度 的关键 因素 。 半闭环数控机床组成如 图 1 所示 ，电动机轴上角 度传感器 输 出的数 字 脉 冲 ，送 至数控 装 置 的接 口电 路 ，计算机 以固定 的时间周 期对反 馈信 号进行 采样 ， 将采样值 与插 补 程序 输 出 的结 果 比较 ，得到 位置 偏 差 。该 偏 差 经 软 件 增 益 放 大 ，输 出 给 数 模 转 换 器 D ／ A ，为伺服装置提供控制电压，进而驱动工作台 向减小偏差 的方 向移动 。 图 1 半闭环数控机床的组成 根据位置控制原理 ，半闭环位置控制回路的数 学模型如 图 2所示 。 图 2 半闭环位置控制数学模型 模型说 明如下 1 X ， 为位置输入信 号。 2 为整 个 系 统 的 开环 增 益 ， 由四部 分 组 成 ，即 K K K a K K 。 为 软件增 益 ； 为数模 转 换系数； 为伺服装置的放大倍数；K 为位置传感 器的转换系数。其描述电动机每转动一转，数控装置 通过位置传感器所检测到的数值。 收稿 日期 2 0 1 0 0 31 2 基金项目广东省职业技术教育综合改革推进计划项目 粤教高 [ 2 0 0 8 ]0 5 5 8 作者简介徐盛学 1 9 6 9 一 ，男，硕士，讲师 ，研究方向为机械设计及理论 、金属切削机床与刀具。电话1 3 1 2 9 3 0 1 4 4 2 ， E ma i l x s x t o o l 1 63． c o rn。 第 8期 徐盛学半闭环数控机床误差补偿技术研究 4 9 3 将 伺服 驱 动简化 为 一个 惯 性环 节 ，以突 出 开环增益和时间常数 。 4 0 9 为 电动机速度 指令控制信号 。 5 0 为 电动机 角位移输 出信号 。 6 积分 环节 描述 了伺 服 驱动 输 出 的速度 量 经 位置反馈计数 转换成位置量的过程 。 7 将机 械传 动 简化 为一 个表 示滚 珠丝 杠 螺距 系数的比例环节 和一个非线性环节 。 表示没有考 虑非 线性 环节 时工作 台位 置输 出， 为 电动机转角位置 0与丝杠 螺距 系数 的乘 积 。 。 表 示考虑非线性环节后工作 台位置输出， 可通过外 加双频激光干 涉仪检 测得到。 2半闭环数控机床传动误差补偿 为提高数控机床 位置精 度 ，可以使用高精度位 置 测量装置，获得数控机床在某轴全行程上机械传动误 差的分布规律 ，进而采用误差 补偿 技术 ，当控制该轴 运动时，数控系统对误差进行 自动补偿。 因为每台数控机床滚珠 丝杠磨 损状况及螺距误差 差别较 大 ，所 以在图 2 模 型 中 ，非 线性 函数 具 体描述的数据必须 由实验确定 。实验 如下 以工作 台 轴为例 ，在其整 个行 程 内，每 隔一 定距 离 △ 取 一 个位 置测量 点 。以机床坐标参考点为基 准点 ，数控 系统控 制伺服轴分别正 向和反 向移 动 ，同时利用激光 干涉 仪记 录工作 台经 过 n △ 个测 量 点 的实 际位 移值 。该过程循 环执行 5 次 后 ，计算 5 次 平均值 ，得 到正反方 向两组 实 际位 置平 均 值 ，获 得误 差 映 射矩 阵 X[ 1 ] [ 1 ] 一 [ 1 ] X[ 2 ] [ 2 ] 一 [ 2 ] X [ n ] X [ n ] X一 [ n ] 其中X[ i ] 为标定值 ， [ i ] 为正 向实际值 ， 一 [ i ] 为反向实际值 。 利用 误 差 映 射 矩 阵 数 据 进 行 L a g r a n g e线 性 插 值 ，就可得到工作 台有效行程 内任何期 望位置与实 际位 置 的对 应 关 系 。当 正 向运 动 时 ，若 期 望 位 置 [ i ] 处于 X[ i ] 与 X [ i 1 ] 之 间 ，所对应 工作 台实 际 运动位置 [ i ] 为 X [ i ] X [ i ] [ i ]一 X [ i ] [ i 1 ] 一 [ i ] ／ X[ i 1 ] 一 X[ i ] 当反向运动时，若期望位置 [ i ] 处于 i ] 与 X [ i 1 ] 之间，对应工作台实际运动位置 [ i ] 为 [ i ] X[ i ] [ i ] 一 X[ i ] 一 [ i 1 ] 一 一 [ i ] X[ i 1 ]一 X[ i ] 3 为实现传动误差补偿 ，将 描述工作 台期望 位置与 实际位置的非线 性 映射 函数 加 入反馈 通 道 中 ， 这样可得到引入非线性 映射 函数 M 后 的机 床半 闭 环 结 构 ，构 成 了 半 闭环 的 补 偿 型 控 制 环 路 ，如 图 3 a 所示 ，图 3 b 是与 图 3 a 等效 的具有传 动误差 补偿 的坐标轴动态模型 。 a 补 偿 模 型 一 I．．． ．．．．． ．．．．．． ． ．．． ．．．．． ．．．．． ．．．．． ．．． ．．．． ．．．．． ．． ． ．．．．． ．．．．． ．．．．． ．．．．．． 。．． ．．．．． ．． f b 等 效模 型 图 3 半 闭环误差补偿控制模 型 3 实例 误差补偿试 验装置原理如 图 4所示 。 图 4误差补偿试验装置 1 计算机通过串口R S 2 3 2 与 C N C控制器相连接。 2 激光干涉仪与数控机床同步工作 ，测量机 床 的实际位置并通过数据采集 卡传入计算机 。 3 计算 机将 C N C译码 器输 出的指令 值与 采集 的实际值进 行 比较 ，计算 误差 补偿 值，即 “ 补 偿 值 数控指令值 一实际位置值” 。 4 误差补偿值 通过补偿 接 口输入 到数控 系统 ， 实现数控 机床半 闭环补偿控制 。 位置／ 1 0 0 mm f b 补 偿后 图 5 补偿前后传动误差 曲线对 比 下转第 5 2页 5 2 机床与液 压 第 3 9卷 加工程序如下 TANG XUE． MPF 5 G71 G1 8 G5 3 G 0 0 2 3 0 Z4 2 0 DO C5 5 Tl 1 D1 UMS4 0 0 0 G9 7 2 5 0 0 M3 Z 5 M 0 8 第 一次走 刀路线 ； X1 Z 一0． 71 7 G01 x2 ． 1 F 0． 0 4 X4 ．1 2 Z 1 ． 3 F 0． 0 4 X1 8 ． 4 Z1 ⋯⋯ ／ 第二 、三次走 刀路线 ； 其次 ，图 2 a 中点 c处 哟 ． 5的 圆弧却 无 法 加 工 。经过 深入 分析和试 验 ，采 用主轴反转和刀尖定 位 于 2 ． 5孔 内 如 图 2 a 所示 可 以将 点 c 处 册 ． 5 的圆弧加 工完成 ，经检 测满足零件的技术要 求。镗 刀 在完成上 述三刀加工 后 ，刀具 定位 到 图 2 a 所示位 置，此时机床主轴反转，沿着 1 2 一c 一3路线完成 加工 ，无 明显接 痕。加工程序 G O 0 Z 2 0 G0 0 X 一7 ． 8 G 9 7 2 5 0 0 M 0 4／ 主轴反转 ； Z1 G0l Z一2 ． 6 F 0 ． O 6 X 一5 ． 5 F 0 ． 01 2 X 一5 Z一2 ． 1 6 7 CR 0 ． 5 G01 Z一1 ． 6 G 0 0 Z1 G0 0 G4 O X0 Z1 0 G0 0 X1 O O M0 9 G5 3 G0 0 X2 3 0 z 4 2 O D0 M0 5 M0 9 M0 0 4结 语 通过上述 分析 可 以 看出 ，车铣 中心等 复合 型制造设备 在加工 针 阀 接 头类精 密零 件时 有独 特的技术优 势 ，工 序集 中、精度高 、加工和辅 助 时 间 短 。上 述 针 阀 图 3 针 阀接头产 品 接 头零件 已在 某 校 工程 训 练 中心 实 现 了批 量 生 产 ， 产品如图3所示 ，产生了显著的社会效益和经济效 益 。 参考文献 【 l 】 付春林． 高端车铣复合加工中心的应用[ J ] ． C A D ／ C A M 与制造业信息化 ， 2 0 0 8 4 9 6 9 8 ． 【 2 】 李德珍 ， 李宪凯． 五轴车铣复合加工技术的现状与发展 趋势[ J ] ． 航空制造技术， 2 0 0 9 1 2 4 75 0 ． 【 3 】廖万荣． 车铣复合机床应用初探 [ J ] ． 航空制造技术 ， 2 0 0 8 5 4 7 4 9 ． 【 4 】张曙． 从车铣复合到完整加工[ J ] ． 新技术新工艺， 2 0 0 4 8 25 ． 【 5 】S c h u l z H， S p u r G ． Hi g h S p e e d T u r n mi l l i n g A N e w P r e c i s i o n Ma n u f a c t u r i n g Te c hn o l o g y f o r t h e Ma c hi ni n g o f Ro t a t i o n a l l y S y m me t r i c a l Wo r k p i e c e s [ J ] ． A n n ． C I R P， 1 9 9 0 ， 3 9 1 1 0 71 0 9 ． 【 6 】刘晋红 ， 高希慧 ， 宋建丽． 高速车铣加工 H S T M 一种新 型的精密加工技术 [ J ] ． 山西冶金 ， 2 0 0 9 2 6 8 ． 上接第4 9页 对 一 台 S I N U M E R I K 8 0 2 S系统数控机 床工作 台 的 轴进行测量 ，每 1 0 0 m m设 置 一个 测量 点 ，绘 出误 差曲线，补偿前后对比如图5所示。补偿前传动误差 最大 3 2 m，补偿后传动误差降低到 1 m以内。可 见传动误差补偿后 ，显著提高了机床 的位置控制精 度。 4结语 采 用误差补偿技术 ，将 数控机床某轴全行程内的 指令位置与高精度测量装置测得的实际位置进行 比 较，获得该轴误差的非线性映射关系，并将误差补偿 值输入 到数控 系统 ，构成半 闭环补偿型控制环路 ，提 高了半闭环数控机床的位置精度。文中采用的机械传 动误差检测方 法以及误差补偿 原理在数控 机床误 差补 偿 中具 有通用性 。 参考文献 【 1 】王爱玲． 现代数控机床伺服及检测技术[ M] ． 北京 国防 工业出版社 ， 2 0 0 9 ． 【 2 】李宁， 陈桂． 运动控制系统[ M] ． 北京 高等教育出版社， 2 0 0 4 ． 【 3 】董玉红 ， 杨清梅． 机械控制工程基础[ M] ． 哈尔滨 哈尔 滨工业大学 出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 4 】张晶， 李铁才， 王立松． 半闭环三轴机床静态解耦轮廓控 制及螺距误差 补偿 [ J] ． 中 国机 械 工程 ， 2 0 0 8 ， 1 9 1 8 2 2 0 92 2 1 3 ． 【 5 】张可村 ， 赵英良． 数值计算的算法与分析[ M] ． 北京 科 学 出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 6 】李郝林 ， 陈琳． 滚珠丝杠磨削加工热变形误差的分段补 偿方法[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 9， 3 7 4 3 43 6 ．