數(shù)控系統(tǒng)誤差補償技術(shù)研究
在數(shù)控機床上對零件實現(xiàn)高精度加工和檢測其關(guān)鍵是提高機床的定位精度，主要采取兩種方法:誤差預(yù)防和誤差補償。誤差預(yù)防是在機床的設(shè)計制造階段進(jìn)行的，即提高工藝系統(tǒng)的設(shè)計精度以減少誤差源和表現(xiàn)誤差，但由于技術(shù)和資金的原因，總是存在一定的制造誤差：誤差補償技術(shù)是在不改變機床結(jié)構(gòu)和制造精度的基礎(chǔ)上，通過對機床加工過程的誤差源分析、建模，實時地計算出加工點的空間位置誤差，將該誤差量反饋到機床的控制系統(tǒng)中，改變坐標(biāo)驅(qū)動量來實現(xiàn)誤差修正，從而提高機床定位精度。采用誤差補償技術(shù)能使加工出的零件精度高于其加工所用工藝系統(tǒng)能達(dá)到的正常精度，具有高效率低成本的優(yōu)點，由此可見，誤差補償技術(shù)是提高機床精度必要的和實際的方法。
筆者采用以486微機和運動控制板為核心，以光柵尺為檢測元件，以交流伺服電機為驅(qū)動部件，由控制軟件作支持的光柵測控系統(tǒng)，對數(shù)控試驗臺的運動誤差進(jìn)行了測量和補償，并對補償前后的誤差進(jìn)行了比較。該測控系統(tǒng)性能可靠，操作方便，通用性強，具有一定的工程實用價值。
1 光柵測控系統(tǒng)的構(gòu)成及誤差分析
1.1 光柵測控系統(tǒng)的構(gòu)成
本系統(tǒng)采用主從式控制方式，上位機采用一臺486PC機，主要任務(wù)包括輸入輸出、顯示、數(shù)據(jù)接收和處理等，其控制部分包括譯碼、刀具補償、速度控制、插補運算、位置控制等程序。下位機采用GM400運動伺服控制器，主要完成實際運動的位置、速度、加速度控制以及I/O處理等。檢測部分采用ES-6線位移光柵尺及配套的數(shù)顯儀。執(zhí)行部分為交流伺服電機。

測控系統(tǒng)
 
GM400運動控制器是一塊以IBM-PC/XT/AT及其兼容機作為主機的ISA總線應(yīng)用插板，它的主要特點是具有32bit的位置、速度和加速度分辨率，允許更為精細(xì)的電機伺服控制。本系統(tǒng)利用GM400中的兩軸控制單元控制兩套交流伺服電機。數(shù)控工作臺通過連接件與光柵尺上的滑塊相連，光柵尺的分辨率為5µm，與光柵尺相連的數(shù)顯儀可顯示工作臺的精確位置，數(shù)顯儀與計算機通過串口傳遞數(shù)據(jù)。具體連接如圖1所示。
機床導(dǎo)軌和工作臺的誤差是機床運動的主要誤差源。假定導(dǎo)軌副作剛體運動，由于制造及安裝誤差的存在，其運動有六個自由度，即運動軸向存在定位誤差，其余五個自由度也有微量誤差(兩項直線度誤差和三項轉(zhuǎn)角誤差)。這樣，三軸數(shù)控機床的三個軸向運動共有18項誤差，同時三軸之間還存在三項關(guān)系誤差即垂直度誤差(xy，yz，zx)，故機床實際上共有21項原始誤差。
利用上述的測控系統(tǒng)，可測出數(shù)控工作臺在X、Y兩個方向的直線位移誤差。
1.2 影響測量結(jié)果的因素及消除方法
影響測量結(jié)果的主要因素有:光柵尺與工作臺的平行度、機械原點的確定、測量時的運動速度、數(shù)據(jù)處理中的舍入誤差等。
光柵尺與數(shù)控工作臺的平行度，是造成測量誤差值偏大的主要原因，在測量前應(yīng)細(xì)心調(diào)整。調(diào)整時將表架固定在工作臺上，千分表的彈性觸頭靠在光柵尺的外表面(基準(zhǔn)面)。當(dāng)工作臺運動時，根據(jù)指針的擺動情況來調(diào)整光柵尺的兩端，直到指針擺動在±5µm之間，即可認(rèn)為二者平行。
是否能精確地確定機械原點是影響測量結(jié)果的重要原因，因為系統(tǒng)的機械原點是整個測量過程的基準(zhǔn)。本系統(tǒng)采用感應(yīng)式限位開關(guān)作為粗定位，運動軸一旦越位，該軸的運動立即停止，使工作臺不再朝越位區(qū)域運動。機械原點的精確定位采取尋找索引位置的方式，即將Index信號和限位開關(guān)信號組合，捕獲軸的當(dāng)前位置。計算機首先得到限位開關(guān)信號，再發(fā)出捕獲Index信號的命令并控制電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，GM400碰到編碼器的第一個Index信號將作為位置捕獲到的觸發(fā)信號，捕獲到的當(dāng)前位置即可作為系統(tǒng)的機械原點。GM400捕獲的原點位置是觸發(fā)脈沖到來時刻運動軸的實際位置，捕獲位置精度可達(dá)±1個脈沖，反映到數(shù)顯儀上，可使原點定位誤差控制在5µm以內(nèi)。
測量時的運動速度實際上并不影響系統(tǒng)誤差，它只是使測得誤差的表現(xiàn)值偏大或偏小，一般來說，速度越大，測得的誤差數(shù)值越小，反之越大(從下面的試驗結(jié)果可看出)。
另外，由于誤差值和補償值都是極小的數(shù)，因此在數(shù)據(jù)處理時應(yīng)盡量減小舍入誤差。
2 誤差補償?shù)膶崿F(xiàn)
2.1 誤差補償原理
測出不同速度下的誤差，根據(jù)速度與目標(biāo)位置坐標(biāo)，采用查表(數(shù)據(jù)表存于計算機中)法確定該目標(biāo)位置的誤差值，用軟件產(chǎn)生一個大小相等、方向相反的補償值直接加到控制程序的目標(biāo)位置坐標(biāo)上。誤差補償系統(tǒng)工作原理如圖2所示。
2.2 誤差補償?shù)能浖崿F(xiàn)
一個數(shù)控系統(tǒng)是由硬件、軟件共同組成的，缺一不可。當(dāng)硬件設(shè)計、組裝完成后，系統(tǒng)能否按設(shè)計要求正常工作很大程度上取決于軟件系統(tǒng)。
本系統(tǒng)軟件主要由初始化、串行通信、數(shù)據(jù)處理、伺服電機控制等模塊組成，軟件誤差補償流程見圖3。
3 試驗驗證
3.1 試驗方法
工作臺的進(jìn)給速度分別為300mm/min、350mm/min、400mm/min。
誤差測量按單方向進(jìn)行并采用階梯循環(huán)檢測方式，即每測量一次，目標(biāo)位置增加一個單位長度(可以是1mm，0.5mm等)，每次測量前要先回機械原點。本試驗每測量一次，目標(biāo)位置增加1mm。
整個行程誤差測量完畢后，即可進(jìn)入誤差補償程序，測試加入補償后的定位誤差。
3.2 試驗結(jié)果
以X軸為例，由試驗知，數(shù)控工作臺在120mm的行程上，最大誤差達(dá)到400µm，且誤差變化呈波動狀態(tài)，沒有固定規(guī)律。但在實施誤差補償后，可將全行程誤差控制在15µm以內(nèi)，大大提高了數(shù)控工作臺的精度。具體比較試驗數(shù)據(jù)如圖4～圖6所示(Δmax、Δ'max分別表示補償前、后的最大誤差)。
 
Δmax=410µm，Δ'max=15µm
Δmax=400µm，Δ'max=15µm
Δmax=385µm，Δ'max=15µm
ΔL=0.5m，Δ'max=15µm
 

測出各個速度下的誤差值后，這些數(shù)據(jù)被自動存入計算機中形成數(shù)據(jù)表，在以后的具體加工中，計算機會根據(jù)情況把補償值自動加入工作臺的運動中，使得加工精度大大提高。圖6為在計算機中存有誤差表的情況下，每目標(biāo)位置增加ΔL=0.5m時測得的定位誤差，其最大定位誤差Δ'max仍可控制在15µm以內(nèi)。
3.3 結(jié)果分析
系統(tǒng)的定位誤差是由多方面因素造成的。首先，滾珠絲杠導(dǎo)程累計誤差是影響工作臺位置精度的主要因素。其次，結(jié)構(gòu)部件的位置和尺寸誤差及傳動部件的間隙和變形也是造成定位誤差的不可忽視的原因。另外，光柵尺安裝不當(dāng)、安裝光柵尺的臺面不平以及數(shù)據(jù)處理時的舍入誤差也會產(chǎn)生影響。
4 結(jié)論
從試驗知，定位誤差在實施補償后大幅度減小，這說明補償方法是正確有效的。誤差補償技術(shù)是先進(jìn)制造系統(tǒng)中提高加工精度的關(guān)鍵技術(shù)，基于數(shù)據(jù)表的軟件誤差補償方法，能以較小的投入在不改變系統(tǒng)硬件的條件下實現(xiàn)，的確是一種提高數(shù)控系統(tǒng)定位精度的經(jīng)濟(jì)可行的辦法。