基于FANUC Oi系统外部坐标原点偏移功能的数控机床误差补偿研究.pdf

基于 F A N U C O i 系统外部坐标原点偏移 功能的数控机床误差补偿研 究 口姜辉 口孙翰英 口范嘉桢 口杨建国 1 ． 上海交通大学 机 械与动力工程学 院上海2 0 0 2 4 0 2 ． 山东淄博职业 学院 机 电工程系 山东淄博2 5 5 3 1 4 摘要 针对以往对数控机床误差补偿时出现的操作繁琐、 补偿精度低、 较难补偿机床热误差等局限性， 提出了一种 基于 F A N U C O i 数控 系统的外部 坐标原点偏移功能的补偿 方法。 该方法利 用 自行研 制的外部补偿 器与机床数控 系统进行交 互 。 可使机床的几何误 差以及随温度 变化 的热误差得到较好的实时补偿 。 实验证 明， 此补偿过程方便 、 经济， 补偿 效果好。 关键词 外部坐标原点偏移误差补偿数控机床 中图分类号 T G 6 5 9 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 04 9 9 8 2 0 0 9 0 7 0 0 7 3 0 4 随 着 先 进 制 造 水 平 的 不 断 提 高 ， 精 密 加 工 技 术 不 断 发 展 ， 对 机 床 加 工 精 度 的 要 求 也 日益 增 加 。 而 机 床 在 加 工 过 程 中 的 各 项 误 差 是 造 成 加 工 精 度 达 不 到 要 求 的 最 大 原 因 r ， 要 消 除 误 差 有 两 种 方 法 一 是 提 高 机 床 自 身 的 精 度 ， 但 这 一 方 法 成 本 高 昂 ； 另 一 方 法 是 对 误 差 进 行 补 偿 ， 这 一 方 法 方 便 实 用 ， 对 机 床 本 身 精 度 要 求 不 高 ， 使 用误 差 补偿 方 法 可 以 在精 度 不高 的机 床上 加 工 出 精 度 很 高 的 零 件 ～1 。 近年来 ， 出现 了一些 机床 误差 的补偿 方法 ， 如预 先 在 数 控 系 统 中设 定 误 差 补 偿 值 ， 进 行 几 何 误 差 的 补 偿 ； 在 每 个 数 控 程 序 开 始 前 按 照 经 验 微 调 数 控 指 令 等 。 但 是 这 些 补 偿 方 法 都 有 一 定 的 局 限 性 ， 首 先 这 些 补 偿 方 法 操 作不 方 便 ， 面 x ,j - 同 的加 工条 件 要 重新 设 定 和 修 改 补偿 值 ； 其 次 补偿精 度 不高 ， 由于有些 补偿 是 凭经 验 进 行 操 作 的 ， 所 以 往 往 和 操 作 人 员 水 平 有 很 大 关 系 ； 最 后 ， 这 些 补 偿 方 法 一 般 很 难 准 确 补 偿 机 床 误 差 中 最 大 又 是 最 难 补 偿 的 机 床 热 误 差 “】 。 本 文 基 于 F ANUC O i 数 控 系 统 的 外 部 坐 标 原 点 偏 移 功 能 ， 提 出 了 一 种 利 用 外 部 补 偿 器 与 数 控 系 统 交 互 控 制 其 外 部 坐 标 系 的 补 偿 方 法 ， 该 方 法 操 作 方 便 ， 实 时 性 强 ， 精 度 较 高 ， 还 能 根 据 机 床 的 温 度 变 化 对 热 误 差 进 行 补 偿 ， 通 过 实 际 应 用 ， 取 得 了 较 好 的 效 果 。 1 基于外部原点偏移 的误差 补偿原 理 1 ． 1机 床 坐 标 系 数控 机 床加工 是 通过 数控 系统 向机 床进 给 机构 发 出 运 动 指 令 来 实 现 的 ， 这 些 指 令 是 基 于 机 床 各 坐 标 系 的 坐 标 及 相 对 距 离 ， 在 F ANU C O i 数 控 系 统 的 操 作 说 收稿 日期 2 0 0 8 年1 2 月 机械制造4 7 卷 第5 3 9 期 明 中 如 下 定 义 了 机 床 的 坐 标 系 。 如 图 1 所 示 ， 机 床 上有 一 个 固定 的参 考 位 置 ， 相 对 于 参考 位 置 可 以定 义 一个 机床 零 点 ， 用 机 床零 点 作 为 原 点 设 置 的 坐 标 系 称 为 机 床 坐 标 系 ， 一 旦 设 置 好 了 机 床 坐 标 系 ， 那 么 加 2 1 2 过 程 中 的 2 1 2 件 及 刀 具 位 置 都 在 机 床 坐 标 系 中用 各 种 坐 标 进 行 表 示 。 1 ． 2外部 坐 标 原 点 偏 移 的 补 偿 原 理 所 谓 外部 坐标 原 点偏 移是 指在 某一 数控 加工 程序 段 执 行 之 前 或 者 执 行 过 程 中 ， 改 变 机 床 零 点 和 参 考 位 置 的相 对 距离 ， 从 而使 接 下 来 的加 工 程 序在 新 的 机床 坐 标 系 中执 行 。 由 于 在 数 控 程 序 内部 运 算 或 执 行 时 ， 改 变 的 工 件 或 刀 具 坐 标 是 在 机 床 坐 标 系 内 部 相 对 于 设 定 的机 床 零点 的坐 标 ， 所 以使机 床 的外 部坐 标 零点 偏 移 可 以使 工件 或 刀具 相对 于机 床零 点 的机 床坐标 系 坐标 和 相 对 于 机 床 参 考 点 位 置 的 绝 对 坐 标 动 态 联 系 起 来 ， 从 而 可 以 在 不 改 变 数 控 程 序 的 前 提 下 控 制 各 进 给 轴 进 给 的 距 离 ， 使 工 件 和 刀 具 的 相 对 位 置 发 生 变 化 ， 从 而 实 现 误 差 补 偿 功 能 。 为 了 更 清 晰 地 说 明 这 一 补 偿 原 理 ， 举 个 例 子 。 如 图 2 所 示 ， 假 设 在某 一 加 工程 序 执 行前 ， 机床 零 点 在点 0 20 0 9 ／ 7 回 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 处 ， 刀 具 位 置 在 点 A 2 0， 2 0 处 ， 如 果 下 一 数 控 程 序 要 求 刀具从 点 A z o， z o 运 动 到点 2 0， 1 0 0 ， 但 由于机 床 本身 的误 差 ， 刀具 运 动到 了点 B z o， 9 o ， 假 如在 这 一 程序 段 执 行之 前 ， 通 过 外部 坐 标 原点 偏 移将 机 床零 点 由 D 向 右 偏 移 1 O 个 单 位 移 到D ， 那 么 当 程 序 执 行 时 ， 程 序要求 的是刀具 运动 到相对 于 0 的某一 坐标 ， 点 B” 肯定 比 B 离 目标位 置 曰的距 离近 ， 通 过以上过 程 就 可 以 对 机 床 加 工 中 的误 差 进 行 一 定 程 度 的 补 偿 。 2 外部坐标原点偏移的实现方法 上一 节讲 述 了利用 外部 坐标 原点 偏移 可 以使机 床 的 运 动 误 差 得 以补 偿 ， 那 么 如 何 实 现 外 部 坐 标 偏 移 呢 以下讲 述 在 F AN UC O i 数控 系 统 中实 现外 部 坐标 原 点 偏 移 的方 法 。 2 ． 1数 控 系统 各 部 分 信 息 交 互 F A NUC O i 系 列 数 控 系 统 的 外 部 机 床 坐 标 系 偏 移 功 能 是 通 过 其 内 置 P MC 与 C NC控 制 单 元 及 MT 机 床 间 的信息交 换来 实 现的 。 F ANUC 系 统 简 单 地 可 以分 为 两 部 分 控 制 伺 服 电 动 机 和 主 轴 电 动 机 动 作 的 系 统 部 分 和 控 制 辅 助 电气 部 分 的 P MC。 P MC与 P L C非 常相 似 ， 可 专用 于机 床 ， 所 以 称 为可 编 程序 机 床控 制 器 。 P MC顺 序 程 序 的地址 表 明 了信 号 的位 置 。 这些 地 址 包 括对 机 床 的输 入 输 出信 号 和对 C NC的输 入 信号 、 内部继 电器 、 计 数器 、 保 持型 继 电器 、 数 据 表等 。 每 一 地址 由地址 号 8 个信 号 和位 号 0 到 7 组 成 。 可在 符 号 表 中输入 数 据 表 明信 号名 称 与 地 址 之 间 的关 系 。 地 址 有 以下 种 类 X 由机床 至 P MC的输入 信号 Y 由 P MC至 机 床 的 输 出 信 号 F 由 CN C至 P MC 的输 入 信 号 G 由 P MC至 CN C 的 输 出 信 号 R 内部 继 电 器 D 非 易 失 性 存 储 器 。 P MC 与 C NC、 MT 间 信 号 的 地 址 符 号 约 定 如 图 3 所 示 。 2 ． 2 外 部 坐 标 偏 移 各 信 号 说 明 F A NUC O i 系 统 在 对 误 差 的 补 偿 功 能 中 提 供 了 外 部 坐标 系原点 偏移 功能 ， 其所需 的信 号及 其设定 如下 。 1 功 能控 制 EA O ． E A7 P Mc c Nc ， 如 图4， x ,l - 于 外 部 坐 标 系 原 点 偏 移 功 能 选 择 信 号 E AO E A7， 其 中 的 E A4 一 E A6 表 示 补偿 功能 号 ， 当选 择O 1 1 时 表示 选 中外 部 坐 标 系原 点偏 移 功 能 ， 其 它 的值 则表 示 选 中其 它补 偿 功 能 。 最 后 四 位 EA O ． v ．A3 IJ 表 示 所 要 进 行 外 部 坐 标 偏 移 的轴 号 ， 使 用 二 进制 表示 ， 0 0 0 0 表 示第 一 轴 ， 0 0 0 1 表 示第 二轴 ， 0 0 1 0 表示 第三 轴 ， 0 0 1 l 表示 第 四轴 。 2 数 据 信 号 ED O ED1 5 P MC - - - * C NC ， 如 图 5， 数 据 信 号 E DO ． ED1 5 表 示 外 部 坐 标 的 偏 移 量 ， 使 用 二 进 制表 示 ， 其 中 ED1 5 为表 示偏 移值 的方 向 ， 用 正负表 示 ， 偏移 的量 为 一9 9 9 9～9 9 9 9 个 单位 ， 如果 选用 公制则 表 示 一9 ． 9 9 9 mm ～9 ． 9 9 9 mm， 一 个二 进 制单 位 的偏移 量 正好 对应 一个 微米 的机床 偏移 运动 。 3 控 制 信 号 ES T B P MC - -- C NC 和 E RE ND C NC P MC ， E S T B表 示 P MC请 求 控 制 单 元 将 数 据 读 入 的 触 发信 号 ， E RE ND表 示控 制单元 读人 数据 状态信 号 。 图6 给 出了外 部机床 坐标 系偏 移控 制信 号时序 图 ， 首 先对 控 制信 号 E A和 E D进 行设 置 ， E A 中选 中外 部 坐 标 偏 移 功 能 ， 设 置 需 要 补 偿 的 轴 号 ， ED 中 给 出需 要 进 行 的偏 移量 ， 然后 ， P MC置 请 求读 入信 号 ES T B1 ， 请求 控 制单元 将 E A和 E D的数 据进行 读入 ， 当控 制单 元 进 行 读 写 时 E RE ND 1 ， E S T B则 可 置 0， 当 数 据 读 人 完后 ， E RE ND置0， 完 成一次外 部坐标偏移 的数据传输 。 EA7 EA6 E A5 E A4 E A3 EA2 EA1 EA0 ED1 5 ED1 4 EDl 3 ED1 2 EDl 1 EDl O ED9 ED8 ED7 ED 6 E D5 E D4 ED3 ED2 EDl ED0 E D O l 5 ／ ＼ E A O ． 6 、 ／ ／ ＼ 3 2 ms I 0m s ES T B 、 丁 I EREND ▲图6 外部机床坐标系偏移控制信号时序图 2 0 o 9 ／ 7 机械制造4 7 卷 第5 3 9 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 ． 3外 部 与 数 控 系统 信 息 交 互 以上 论述 了数 控 系统 内部 的信 息交 互过 程及 实现 外部 坐 标 偏移 功 能所 涉 及 的 各 个信 号 ， 那 么 如 何来 控 制这 些 信 息交 互 达 到误 差 补 偿 的要 求 呢 这 就 需要 运 用 数 控 系 统 以 外 的 一 个 连 接 于 电 脑 的外 部 补 偿 器 。 由 于 在 误 差 补 偿 过 程 中 涉 及 到 要 补 偿 机 床 的 热 误 差 ， 所 以这 一外 部 补 偿 器是 一 个 由电脑 控 制 的集 成 了 温 度 采集 模 块 和位 移 采 集模 块 的单 片机 系统 ， 主要 功 能 为 1 连 接 电 脑 与 C NC， 向 CNC发 布 补 偿 指 令 。 2 采 集 温 度 值 和 位 移 值 ， 建 立 热 误 差 模 型 ， 从 而 根 据 所 测 温度 值计 算 出热 误 差 的 补偿 值 ， 向 C NC发 送 。 通 过 外 部 补 偿 器 ， 操 作 人 员 在 补 偿 过 程 中 操 作 连 接 补 偿器 的电脑 就 可 以完 成各 项误 差 补偿 操作 。 综 上 所 述 即 为 通 过 外 部 补 偿 器 使 机 床 外 部 坐 标 原 点 偏 移 达 到 误 差 补 偿 目的 的基 本 设 置 与 方 法 。 3 误差补偿 实施过程 3 ． 1 外 部 补 偿 器 与 数 控 系统 连 接 图7 所 示 为 补 偿 器 及 其 通 讯 连 接 线 。 实 时 补 偿 器 可 放 置 于 电气 箱底 部 左 图 ， 补 偿器 向外 发 送数 据 的并 口通 过 连 接 线 与 数 控 系 统 的 P MC连 接 ， 并 口 同 P MC 的 功 能 寄 存 器 对 应 关 系 、 并 口 同 连 接 线 的对 应 关 系 分 别 如 表 1 和 表 2 所 示 。 3 ． 2数 控 系统 梯 形 程 序 的 编 制 由于 在连 接好 外 部补 偿器 与 机床 C NC系统 后 ， 只 是实 现 了外部 补偿 器 和机 床 CNC寄存 器 的连 接 ， 如果 要 实 现 对 机 床 的 控 制 还 要 对 C NC 中 的 P MC进 行 编 程 ， 通 常 对 于 P MC 的 编 程 运 用 的 是 梯 形 编 程 语 言 ， 这 一 语 言 一 般 内嵌 在 CNC系 统 内 ， 所 以 这 一 步 骤 既 可 在 机 床 数 控 系 统 操 作 面 板 上 完 成 ， 也 可 在 装 有 编 程 语 言 环境 的电脑里 预先 编制 好再 传输 到 C NC内。 对 机 床 编 写 梯 形 程 序 ， 要 与 图6 所 示 的 数 控 外 部 机 床 坐 标 系 偏 移 控 制 信 号 时 序 相 对 应 。 表1 补偿器并 口同 P MC的功能寄存器对应关系 数据 G o o O E D 7 E D 6 E D 5 E D 4 E D 3 E D2 E D 1 E D O PB 4 P B3 P B2 P B1 P B O 补偿值 控制信号 G 0 o 2 E S T B E A 6 E A 5 E A 4 E A 3 E A 2 E A1 E AO P B5 P Al P A0 A x i s l s t O 1 l O 0 0 0 Ax i s 2 n d O 1 l O 0 0 l Ax i s 3 r d 0 1 l O O l O Ax i s 4 t h O l 1 0 O 1 l 外部坐标偏移 触发 轴号 功能号 表2 并 口同连接线的对应关 系 O O O 0 0 0 0 O O l l 1 l 1 2 3 4 5 6 7 8 9 O l 2 3 P P P P P P P P P P P P P A A A A A A A A B B B B B O 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 l 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 P P P 2 2 P P P P B B B 4 4 C C C C 5 6 7 V V 0 1 2 3 3 ． 3热 误 差 测 量 、 建 模 及 补 偿 图 8 所 示 是 在 机 床 上 安 装 了 温 度 传 感 器 分 别 为 工 作 台温度 、 X轴丝 杠 温度 、Y轴 丝 杠 温度 测 点 、 主 轴 温 度 、 环 境 温度 等 传感 器 以检 测 机 床 温度 ， 并 通 过 机床 温 度 来 估 计 热 误 差 而 实 施 补 偿 。 考 虑 到 实 际应 用 方 便 ， 本 项 目仅 使 用 一 个 主 轴 温 度 。 图 9 为 测 量 主 轴 热 误 差 或 热 飘 移 的 照 片 ， 左 图 所 示 为 测 量 X 轴 向 热 误 差 ， 右 图 所 示 为 测 量Y轴 向 热 误 差 。 热 误 差 和 温 度 的 测 量 同 时 进 行 ， 测 得 一 组 热 误 差 和 温 度 的数 据 后 可 进 行 热 误 差 建 模 。 具 体 实 时补 偿 过 程 为 布 置在 机 床 上 的温 度 传感 器 实 时 时 间 间隔 可 调 测得 机 床 温 度 ， 然后 将 温 度信 m一 一 ● 日一一 l } 孽 霹 醺 露 嚣 竺 墨 ≮ 鬟 磐 线 鞠 蠢 强 5 l l l l li 翟 l i0 立 戤嚣 时 k 偿 l 震 L I I ■ 目 。 。 豳 器 黼 ▲图7补偿 器与 C N C连接 机械制造4 7 卷 第5 3 9期 号 经 变 送 器 连 同 数 控 系 统 传 输 过 来 的 位 置 坐 标 通 过 输 入 输 出 接 口 进 入 补 偿 器 ， 由预先放 置 的误 差模 型计算 得 补偿 值 ， 通过 机床 数 控系统 的输 入 接 口将 补 偿值 送人 数 控 系统 ， 数 控 系统根 据补 偿 值 来 偏 移 机 床 外 部 坐 标 系 而 完 成 机 床 的 附加 补偿 运动 ， 以实 时修正 机床误 差 ， 这 样 ， 一 次 补 偿 工 作 完 成 ， 系 统 重 新 进 入 数 据 采 集 和 补 偿 过 程 。 4 结论 为 了 说 明 上 述 通 过 外 部 坐 标 偏 移 2 0 0 9 ／ 7 圄 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 的 误 差 补 偿 效 果 ， 以 上 实验 由上海 机 械 工业 机 床 产 品 质 量 检 测 中 心 对 补 偿 结 果 进 行 检 测 ， 工 作 台 、y轴 位 置 精 度 测 试 分 别 在 冷 机 刚 开 机 状 况 和 热 机 工 作 台 、Y轴 运 行 1 ． 5 h 的 状 a 工作 台温度测点 况下 通 过激 光 干涉 仪 进 行误 差 检 测 图1 0 为检 测 现场 照 片 ， 并 对 未 补 偿 和 补 偿 后 的 结 果 进 行 对 比 ， 表 3 为 其 检 测 结 果 。 表3 X、 Y向位置精度在冷 、 热机状况下补偿前、 后对照比较 冷、 热机状况 补偿 前、 后 X向位置误差 ／ tz m Y向位置误差／ t z m 补偿 前 4 8 ． 6 7 ． 9 冷机状况 补偿 后 l 7 ． 4 2 ． 3 补偿前 l 7 ． 6 2 O ． 1 热机状况 补偿后 4 ． 8 1 ． 6 由 表 3 可 知 ， 在 冷 机 刚 开 机 状 况 下 ， 向 位 置 误 差 从 补 偿 前 的 4 8 ． 6 m 降 低 到 补 偿 后 的 1 7 ． 4 m， Y向 热 误 差 从 补 偿 前 的 7 ． 9 m 降 低 到 补 偿 后 的 2 ． 3 m， 分 别 降低 热误 差6 4 ． 2 ％ 、 7 1 ． 0 ％ ； 在热 机 工作 台 、 y轴 运 行 1 ． 5 h 状 况 下 ， 向 位 置 误 差 从 补 偿 前 的 1 7 ． 6 m 降低 到补 偿 后 的4 ． 8 m， Y向热 误 差 从补 偿 前 的2 0 ． 1 m降 低 到补 偿后 的1 ． 6 m， 分 别 降 低 热 误 差 7 2 ． 7 ％ 、 9 2． 0％ 。 由 以 上 检 测 结 果 可 知 ， 运 用 外 部 坐标 偏 移 功 能 对 机 床 误 差 进 行 补 偿 后 ， 机 床 的 位置 精 度 大 幅度 提 高 。 另外 ， 同 用 数 控 系 统 的 螺 距 补 偿 是 一 种 静 态 补 偿 相 比 ， 外 部 坐 标 偏 移 不 但 具 有 更 高 的 补 偿 精 度 ， 而 且 可 以补 偿 由 于 温 升 造 成 的 热 误 差 ， 从 而 b X轴丝杠温度测点 d 主轴温度测点 C Y轴丝杠温度测点 e 环境温度测点 ▲图8 温度传感器布置 ▲图9 X、 Y轴向热误差测 量 a 测量仪器 b X向位置误差检测 ▲图l O补偿结果检测 c Y向位置误差 检测 在 冷 热 机 状 况 即 不 同温 度 情 况 下 都 可 以进 行 补 偿 。 参 考 文 献 【 1 】 R a n e s h R ， M a n n a n M A ．E r r o r C o m p e n s a t i o n i n Ma c h i n e T o o l s A R e v i e w ． P a r t I I ． T h e r m a l E r r o r s [ J ] ． I n t e rna t i o n a l J o u rna l o f Ma c h i n e T o o l M a n u f a c t u r e ，2 0 0 0 ， 4 0 9 1 2 6 71 2 8 4 ． 【 2 】 杨建国． 数控机床误差综合补偿技术及应用[ D】 ． 上海 上 海交通大学 ， 1 9 9 8 ． 【 3 】 任永强． 数控机床误差高效测量、 建模及补偿应用研究 【 D】 ． 上海 上海交通大学 ， 2 0 0 4 ． 2 0 0 9／ 7 【 4 】 杨建国， 任永强， 朱卫斌， 等． 数控机床热误差补偿模型在 线修正方法研究 [ J 】 ． 机械工程学报 ， 2 0 0 3 ， 3 9 3 8 1 8 4 ． 【 5 】 曹永洁． 基于激光测试技术的数控机床误差识别与补偿研 究 【 D] ． 杭州 浙江大学 ， 2 0 0 6 ． 【 6 】 Wa n g X i u s h a n ， Y a n g J i a n g u o ， G u o Q i a n j i a n ．S y n t h e s i s E r r o r Mo d e l i n g a n d Th e r mal Er r o r C o mp e n s a t i o n o f F i v e -a x i s Ma c h -- i n i n g C e n t e r [ J ] ． Ma t e r i alS c i e n c e F o r u m， 2 0 0 6 ， 5 3 2 5 3 3 9 4952． △ 编 辑 功 成 机械制造4 7 卷 第5 3 9 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m