基于数控系统底层通信的实时误差补偿及应用

0 引言

　　航天航空业、国防工业和机械制造业的迅速发展,对数控机床的加工精度提出了越来越高的要求。而数控机床的几何误差、热误差及切削力引起的误差是影响机床精度的关键因素,这三项因素所造成的误差约占总误差的80%。误差补偿是提高机床精度经济有效的方法,在机械加工业中受到高度重视。

　　误差补偿的过程通常是先采用激光干涉仪、球杆仪、平面光栅等检测仪器测量数控机床的误差,再进行建模补偿。目前常用的补偿手段有以下几种:栙修改G 代码补偿法,其不足是实时性差;栚压电陶瓷制动补偿法,其不足是反应慢、刚度低;栛数控系统内部参数调整补偿法,如螺距补偿、齿隙补偿、刀具长度补偿、刀具半径补偿等,其不足是仅仅为静态补偿;栜机床外部坐标偏移补偿法,其不足是受限于数控系统。

　　为实现数控机床误差的实时补偿,上海交通大学研制开发了基于外部坐标偏移的误差实时补偿系统,该系统由硬件执行平台、补偿器软件平台以及上位机操作、建模和分析软件组成,可实现机床误差在线实时补偿。该方法的优点是不需要修改数控指令及数控系统的软硬件,仅需在PMC 的原有梯形程序后添加少许程序,对原有系统不产生任何影响。

　　本文针对现有误差补偿技术的不足,为提高数控机床精度,实现基于CNC 底层通信的实时误差补偿,针对数控机床的几何误差、热误差等因素,研发一种用于数控机床实时误差补偿的功能模块。该模块可实现与CNC 底层数据实时交互,可实时修改数控系统机床坐标以实现机床误差实时补偿,其最大优点是补偿器与CNC 底层直接通信,补偿的速度和效率高,补偿效果好。

1 基于底层通信的实时误差补偿

　　1.1 暋实时误差补偿功能的实现

　　为实现基于CNC 底层通信的实时误差补偿功能,参照GSK 25i 系统的功能模块结构特征,研发基于CNC 底层通信的实时误差补偿功能模块。实时误差补偿功能模块的布局设计成接插板卡的形式,可与GSK 25i 系统母板连接,并作为数控系统基本配置功能模块供用户选择。实时误差补偿功能模块可与CNC 底层实时交互数据,数据传输速率达1Mbit/s 以上,能有效补偿数控机床的多项误差,具有很强的应用价值。

　　图1为实时误差补偿模块结构示意图。基于CNC 底层通信的实时误差补偿功能模块采用DSP 芯片作为主处理单元,可实时读取各控制轴当前机床坐标和各温度布点上的实时温度值,并根据误差模型进行相关补偿量计算;实时误差补偿功能模块还可在初始化阶段读取诸如加工参数、工件材料、是否启用螺距补偿等与补偿执行效果相关的机床加工工艺信息,以实现不同加工条件下的误差补偿。实时误差补偿模块通过温度采集接口与外置温度采集模块连接以实现机床各温度布点的实时温度采集,温度采集模块安装在机床电器控制柜内的导轨上,便于温度传感器线路连接和检查。实时误差补偿模块通过数据交互接口的数据处理芯片(FPGA),按照双方共同制定的通信协议与CNC 进行各种数据交互。

图1 实时误差补偿模块结构示意图

　　误差实时补偿模块的外部存储单元选用128MB 以上的Flash 存储器,外部存储单元一方面保存机床的各种误差数学模型,另一方面划分相关区域作为模型数据保存区、监控数据区和修正系数计算区域等。