基于FANUC Oi MC的数控机床补偿研究.pdf

T e c h n 0 10 g y a n d T e s f 工艺与检测 基于 F ANUC O i MC的数控机床补偿研究 周 文彬 威海职业学院机电工程 系， 山东 威海 2 6 4 2 1 0 摘要 为实现加工过程中有效控 制误差的产生 ， 利用 F A NUC 0 i MC数控 系统的 P MC功能 ， 进行数控机 床实时加工切削力变形补偿的研究。通过 GS V M6 5 4 0 C加工中心的验证 ， F A NU C 0 i MC数控 系统 外部机床坐标系偏移功能可 以实现加工补偿 。 且补偿效果随铣削深度加深而更加明显。 关键词 切削力误差DS P P MC梯形图 中图分类号 T H 7 4 1 文献标识码 B Re s e a r c h o n Co mp e n s a t i o n i n CNC Ma c h i n e B a s e d o n F ANUC 0 i MC ZH0U W e n b i n Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g D e p a r t m e n t ， We i h a i V o c a t i o n a l C o l l e g e ， We i h a i ， 2 6 4 2 1 0 ， C H N Abs t r a c t I n t h i s p a p e r，t h e a u t h o r ma d e a r e s e a r c h o n r e a l t i me pr o c e s s e d c o mp e n s a t i o n by a d o p t i n g P MC o f CNC s y s t e m F ANUC0i MC t o a v o i d t h e o c c u r r e n c e o f p r o c e s s e rro r ． By t h e e x p e r i me n t s i n Ma c h i n i n g Ce n t e r GS VM6 5 4 0C，i t i n di c a t e d t ha t de v i a t i o n o f ma c hi ne o u t e r c o o r d i n a t e s y s t e m c a n b e c o mp e n s a t e d ． An d t h e c o mp e n s a t e d e f f e c t i v e ne s s t u r ns be t t e r i f mi l l i n g de p t h i s mo r e． Ke ywo r ds Cu t t i n g Fo r c e Er r o r ；DS P；PMC；L a d d e r Di a g r a m 数控机床在施加 巨大切削力时将造成某种程度上 的塑性变形 。大量的切削力变形会引起机床的运动链 误差 。切削力除 了会 直接导致机床 工艺 系统发生变 形 ， 产生加工误差外 ； 还加剧 了轴承和刀具 的磨损 ， 使 得机床局部过热和刀具较快失去正确 的齿形 ， 而影 响 机床的加工精度。 由于机床切削力 已成为引起机床加工误差 的一个 主要 因素。近几年 ， 国 内外学 者对有关数控机床切削 力监测和研究越来越热。如上海交大杨建 国教授、 陈 志俊等人基于神经网络预测切削力数学建模 ， 为加工 过程 中进行实时动态误差补偿提供理论依据。 本文 在 借 鉴切 削 力误 差 补 偿 数学 模 型 和分 析 F A N U C 0 i MC系统的外部机床 坐标系偏移功 能 的 工作原理基础上 ， 利用 F A N U C系统 P MC实现数控机 床的切削过程 中的实时动态补偿 ， 提高机床加工 的精 度 ， 满足现代加工高精度、 高效率的要求 。 l 切削力误差 的识别 与测量 切削过程 中的切削力信号作为原始特征信号 ， 是 反映切削过程动态特性最本质的信号。切削力 的信号 常用测力仪直接测量。该方法具有力信号 比较容易采 集 、 响应快、 灵敏度高、 便于在线实时测量等优点。但 ZU l u 0 也存在设备费用高 、 安装调试技术复杂、 可靠性低、 影 响机床整体性的缺陷。因此测力仪直接测量法一般只 用于试验研究 ， 直接用于实际生产的很少 。 目前 ， 科技人员尝试用新的方法来进行切 削力 的 测量研究。通过驱动电动机 电枢 电流间接测量切削力 大小是一种经济而又简便 的方法 ， 此方法事先通过一定 的方法找出电动机负载的变 化与电动机 电枢电流的变化规律之 间的关系 ， 利用诸 如神经网络等先进的手段建立切削力与电动机 电流等 参数 间的关系模型。为解决切削力发生变化时 ， 电流 信号滞后问题 ， 满足机床的实时补偿控制要求 ， 上海交 大陈志俊提出一种基 于 T s推理 的模糊神经 网络预 测切削力模型_ 2 J ， 建模结果表示如下 r 8 1 l 0 1 5 2 0 3 I r 8 ， 6 ， 8 ， 1 { 8 F } I b l b 2 b 3 l { ∞ } 【 8 J I c 。 c c ， j 【 1 1 l J 式中 8 、 8 k 、 8 是各轴 通过霍尔传 感器获取 的伺 服电动机电枢电流 ， 低通滤波后将 电流值与转速确定 的电流值相减得 电流差值 ； 为各轴转速 ， 将 各轴电流差值与转速 0 9 一起输入模糊神经网络 ， 求出 切削力误差 8 F x 、 8 F y 、 6 就是实时补偿 中所要补偿的 值 。 工艺与检测T e C h n 0 Io g y a n d T e s t 2 基 于 F A N UC 0 i MC数 控 系统 P MC切 削 力误差补偿 实现 2 ． 1 F AN UC O i MC补偿 系统的组成及信号流程 根据上述切削力误差的识别与测量原理和数学模 型， 切削力误差补偿值与电流传感 器的标定值是相对 应的 。F A N U C数控系统提供 的外部机床坐标系偏 移功能 ， 如果能找出工件与刀具间的相对误差规律 ， 可 将误差通过外部机床坐标 系的偏移 原点平移 加到 位置控制信号中而实现误差的实时补偿， 由此对配备 F A N U C 0 i MC系统的机床， 实现切 削力误差实时补偿 的结构组成原理设计如图 1所示。该补偿控制系统可 分为传感器及变送模块 、 计算处理模块 、 C N C接 口和 运动控制模块三个模块。 P C机 机床 工 伺服 丽 网 竺 I I 筝 匿TMS320LF M2812 FANUC 一一 l I I据 I I l 回网 l I J孽 H H 上 传感器 H 处理 卜i口 I 的控制器 I线 l L II 图1 配备 F ANUC Oi MC系统 的机床 切削力误差实时补偿结构图 系统具体工作及信号流程如下 误差信号 由电流 传感器实 时获得 ， 数据通过 B 2 I ／ O运动卡及 D S P传 送至 C N C控制器 ， 溜板的速度与位置通过速度位置传 感器的信号获得， 在数据采集过程中， 可通过外部 P c 机进行建模计算分析 ， 并将切 削力误差模 型放入 D S P 计算处理模块 ， 同时得到相应 的反馈信 号及时地给于 系统以进行实时的误差补偿。 在后续加工中， 切削力 主轴 电流 传感器和位移 传感器同时采集机床的切削力和力误差。然后 ， 在实 时补偿过程 中， 将切削力信号经变送器并通过输入输 出接 口进入 D S P ， 由预先放置 的误差模 型计算得 补偿 值， 再将补偿值通过机床数控系统的输入接口进入数 控系统 ， 数控系统根据补偿值来偏置外部机床坐标系 而进行机床 的附加 补偿 运动 ， 以实时修正 机床误 差 。 2 ． 2 机床切削力误差补偿数据处理与传输的实现 软件设计主要完成下列工作 为 D S P系统编写补 偿模型的程序 ； 数据采集和分配； 建模和分析。在数据 采集过程中， D S P的A ／ D模块获得实时的电动机电流 信号， 位移传感器和测力仪的信号， 通过 R S 2 3 2接口 送到 P c机上 。然后通过分析 和建模后 ， 获 得的切 削 力误差模型送至 D S P 。通过建立 的模型、 电动机电流 的实时数据以及机床参数来进行实时误差值的预测， 从而指导伺服系统进行坐标 位置偏移， 最终达到误差 补偿效果。 为了提高误差补偿算法 的实时运算性能 ， 系统采 用 了 T MS 3 2 0 L F 2 8 1 2作为 D S P芯片。该芯片具有 1 5 0 MH z的主频， 集成 了 A ／ D转换模块 ， 可以实时采集 电动机电流信号， 位移传感器信号和测力仪的信号， 并 转换为数字量 ， 通过 R S 2 3 2接 口送 到 P c机上。D S P 执行补偿算法 ， 得到误差补偿值 ， 通过扩展 11 0口以并 行传输 的方式传送到数控 系统 ， 硬件接 口简单而且传 输速度快， 满足了实时补偿的要求。 2 ． 3 F A N UC O i MC数控 系统外部机床坐标 系偏移 功能的实现 F U N A C 0 i MC系列 的机床拥有 以外部机床坐标 偏移为基础的接 口。其基本原理是漂移量及各轴向选 定 的补偿 数据 ， 通过 C N C 内 P MC M 卡 E P R O M 的 L a d d e r 程序读入后写至相对应缓存器 R e g i s t e r ， 再 由 主控制单元处理后交予数控系统的轴控制卡驱动位置 控制环节的运作。根据上述原理， 补偿数据单元处理 得到补偿量 的数据进入数控系统处理 ， 需做以下工作 1 将补偿数据单元转换为开关量 由开关量来 模拟数字量 ， 经数控机床 B 2 I ／ O接 口卡 ， 由 P MC中 的梯形程序将信号读入写到 C N C的相关地址 中。 2 由于数据处理是经过 系统 内置 P MC 、 数控装 置和 MT 外部信号之间互通信息来实现的。在明 确 F U N A C系统信息交换地址定义 如 图 2 所示的基 础上。设置好外部输入信号的地址及含义 J ， 如表 1 所示 。 图2 F ANUC o i 系列 数控系统地址定义 3 根据 F U N A C 0 i MC数控系统的信号地址及含 义 ， 结合机床外部地址使用实际情况 ， 在原有梯形图程 序后添加读人外部补偿量程序如 图 3所示 ， 即可实现 X 1 0 1 、 X1 0 2 、 X 1 0 3的地址数据依次对应送到 G 0 、 G1 、 G 2 、 G 3中， 完成机床坐标系偏移 。 3 试验结果与分析 实验采用配备 F A N U C 0 i MC系统 的 G S V M 6 5 4 0 C 加工中心上进行 ， 使用直径为 2 0 mm的硬质合金立铣 刀加工 碳素钢工件 。 被加工工件设计 为阶梯 形 的表 ； u1 u 平 幂0 删 表 1 F A N UC 0 i 系列数控 系统信号地址及含 义 T e C h n 0 l0 g y a n d T e s f 工艺与检测 系统地 址 输 入地址 7 6 4 3 2 l 0 含义 G o o O X 1 O 1 E D 7 E D 6 E D 5 E D 4 E D 3 E D 2 E D 1 E D o E D 1 5～ E D 0为数据信号， 以二进制码表示， 外部 机床 坐标 系偏 移值 以绝对 的方 式输入 ， G o 0 1 X l O 2 E D1 5 E D1 4 E Dl 3 E D1 2 E D 1 l E D 1 O E D 9 E D 8 数值 范围为 一 9 ．9 9 9～9 ． 9 9 9 mi ll 。 E A 3～E A 0表示轴号 ， 第 1轴 为 0 0 0 ， 第 2轴 为 0 0 0 1 ， 第 3轴为 0 0 1 0 ， 第 4轴为 0 0 1 1 。 G 0 o 2 X 1 0 3 E S T B E A 6 E A 5 E A 4 E A 3 E A 2 E A 1 E A 】 E A 6～E A 4表示外部输 入 的数 据作用 外部 机 床坐标 系偏移 为 O 】 1 。机床实际补偿运动 值为前后输入值 的差值。 表 2 不 同切 削深度 、 y 、 z轴补偿前后误差对照 表 试 切深度／ ram 1 ． 5 2 ． 5 3 ． 5 4 ． 5 5 ． 5 6 ． 5 补偿 前 3 ． 7 5 4 ． 6 9 5 ． 1 8 7 ． 2 9 8 ． 0 6 9 ． 3 7 轴 补偿后 2 ． 7 8 3 ． 8 8 4 ． 4 9 5 ． 9 3 5 ， 9 5 6 ． 8 9 补偿前 3 ． 4 5 3 ． 7 9 4 ． 9 2 5 ． 6 9 6 ． 3 4 7 ． 5 3 误 差／ m Y轴 补偿 后 1 _ 7 2 2 ． 5 8 2 ． 8 5 2 ． 4 7 3 ， 6 2 3 ． 8 9 补偿 前 1 ． 7 4 2 ． 2 5 3 ． 1 4 3 ． 6 4 3 ． 1 8 3 ． 4 9 z轴 补偿后 1 ． 3 2 2 ． 1 6 2 ． O 5 2 ． 8 l 2 ． 3 8 3 ． 2 9 面 ， 目的可 以实现在设定切削深度的条件下 ， 进行不同 切削厚度的加工 ， 检验切削厚度 的变化导致切削力的 变化而产生误差的补偿效果 ， 通过三坐标测量机测 出 不 同切削深度相应的误差结果如表 2和图 4所示。 l suB42 o I l EXIN l 图3 读入外部 数据程序 试 切 深 度 ／ m i l l 图4 不同切削深度x、Y、z 轴补偿前后误差对比图 从表 1中的显示结果分析 ， 反 映了实 时补偿系统 对不同切削厚度 即变异切 削力 的补偿作用 明显 ， 也 证明基于电动机电流的预测切削力误差数学建模的正 确性 。 4 结语 1 基于电动机 电流变化 的问接监测方法和神经 网络算法 ， 能够预测得 到切 削力误差 ， 通过补偿 ， 加工 精度大幅度提高。 2 F A N U C 0 i MC数控系统 的机床坐标外部偏移 和 P MC功能 ， 可以方便地实现机床的二次开发。增加 机床的附加值 ， 满足现代加工高精度 、 高效率 的需要。 3 该补偿方法不需要修改数控指令及数控系统 的软硬件 ， 对原有系统不产生任何影 响。具有简便且 价格低廉特点。 参考文献 1 杨建国． 数控机床误差综合补偿技术及应用[ D] [ 博 士学位论文 ] ． 上海 上海交通大学 ， 1 9 9 8 ． 2 陈志俊 ． 数 控机床 切削力 误差建 摸与实时补偿研 究 [ D] [ 博 士学位 论 文】 ． 上海 上海 交通大学 ，2 0 0 8 ． 3 李斌 ， 贾瑜 ， 吴 波等． 伺服电动机一 铣 削力关 系建模 的新 方法 [ J ] ． 华 中理工 大学学报 ， 2 0 0 0 ， 2 1 2 5 2 0～5 2 3 4 华伟 ， 周文定 ， 现代电力电子器件极其应用[ M] ． 北京 北方交通大 学 出版社 ， 2 0 0 2 1 0 6～1 1 0 5 朱士学． 数控系统故障诊断与维修 [ M] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 0 7 6 0 ～61 作者 周文彬 ， 男， 1 9 6 7年生， 高级工程师 ， 工程硕 士 ， 主要从事机电一体化的教 学和研究。 编辑孙德茂 收稿 日期 2 0 0 9 1 0 2 9 _芟章编号 1 0 3 3 3 如 果您想发 表对本文的看法， 请将文章编号 填入读者意见调查表中的相应位置。 O 9 8 7 6 5 4 3 2 1 O g三 糊魃