基于数控系统底层通信的实时误差补偿及应用

SK-Link网络通信协议,在补偿模块和CNC 之间定义好需要交互的数据信息和数据传送格式、校验码、数据接口类型等,可实现实时误差补偿模块与CNC之间的高速数据通信(通信速率可达2Mbit/s)。采用该数据通信协议,可实现补偿周期与CNC的插补周期同步效果,可最大限度提高补偿模块的补偿效率和补偿精度。

数据通信模块的相关传输数据包括:栙补偿功能触发指令;栚补偿模块向CNC 输入补偿值时的数据存储区域地址;栛机床各控制轴实时机床坐标数据存储区域地址;栜机床各控制轴实时运动速度数据存储区域地址;栞机床各控制轴传动比和电子齿轮比数据存储区域地址;栟主轴实际速度输出数据存储区域地址;栠机床运行状态信息输出数据存储区域地址;栢温度传感器实时监控数据存储区域地址;栣各轴实时补偿值数据存储区域地址;栤特殊指令(如温度报警指令、丝杠间隙过大指令等)。

1.2.4 人机交互模块

基于CNC 底层通信的实时误差补偿模块本身不具有人机交互界面,由于实现了与CNC 的实时通信,因而可在CNC 界面上开发专门的补偿控制界面,实现参数设置、数据监控等多种功能操作。相关补偿界面设计如下:

(1)补偿功能启用和补偿值输入接口地址界面。如图3 所示,通过对补偿功能启用参数EMS设置,决定CNC 是否启动实时误差补偿功能,该项设置可通过CNC 检索系统是否包含实时误差补偿模块而自动进行设置。

　　图3 补偿功能启用和补偿值输入接口地址界面

(2)机床坐标值输出接口地址界面及运动速度值输出接口地址界面。用于指定各控制轴的实时机床坐标数据在数控系统RAM 中的存放地址及各轴实际运动速度数据在数控系统RAM 中的存放地址。

(3)机床传动比和电子齿轮比界面。如图4所示,机床传动比和电子齿轮比主要用于配置各轴补偿输出值与实际执行机构动作的比例关系。

　　图4机床传动比和电子齿轮比界面

(4)主轴实际速度输出和机床运行状态信息输出接口地址界面。主轴实际速度输出接口地址用于指定主轴在生产加工时的实际转动速度数据在数控系统RAM 中的存放地址,并可根据相关状态信息调试模型参数和输出报警信息。

(5)温度传感器布点实时温度值监控地址界面。实时误差补偿模块能够对机床的不同温度状态进行实时误差补偿,可配合温度传感器和温度采集模块使用。温度传感器的可靠性通过阈值判断及温度报警实现。温度传感器布点实时温度值监控地址界面如图5 所示。温度数据除了作为实时误差补偿模块进行补偿值计算的变量参数使用外,还可提供给机床一种监控各重要运动部件、冷却液以及环境温度的手段,便于进一步研究机床各种加工工艺条件下各部件发热对机床热变形的影响。对于机床特殊位置需要布置温度传感器的,可扩展温度采集模块和温度传感器,并在界面上增加相应布点说明,在RAM 中对应定义相应检索号和缓存地址。

　　图5温度传感器布点实时温度值监控地址界面

(6)各轴补偿值监控地址界面。用于实时显示当前实时误差补偿模块计算出的各控制轴补偿量大小,便于监控补偿模块实时工作稳定性,并通过监控补偿值的变化规律,了解机床各控制轴运动轨迹中哪些区域对工件加工精度影响较大。

2 实时误差补偿功能应用

2.1 机床定位误差检测

实验用机床为M-VR105 三轴数控机床,数控系统为广州数控设备有限公司生产的GSK 25i数控系统;误差测量设备为雷尼绍激光干涉仪。实验时首先应用雷尼绍激光干涉仪检测三轴机床三个平动轴的定位误差,如图6 所示。图7 所示为机床定位误差检测结果,其中实线表示测试参考坐标从0 到800mm 位置运动(正向)所测试的重复3 次定位误差数据;虚线表示测试参考坐标从800mm 到0 位置运动(反向)所测试的重复3 次定位误差数据。由图7 可以看出,机床X 轴定位误差最大为-38μm,误差曲线随机床坐标的增大而增大;Y 轴定位误差最大为32μm,误差曲线呈非线性分布;Z 轴定位误差最大为57μm,误差曲线呈非线性分布。

　　图6机床定位误差检测

　　图6机床定位误差检测

2.2 机床定位误差建模

以X 轴正向定位误差为例,根据回归理论可设误差模型为

将X 轴正向定位误差检测数据代入式(1),可得一正规方程组,应用最小二乘理论可得机床X 轴正向定位误差模型:

图8 所示为X 轴正向定位误差拟合结果。由图8 可以看出,X 轴正向定位误差拟合精度较高,拟合残差为- 0.9 ~1.1μm。

　　图8X 轴正向定位误差拟合结果

2.3 基于底层通信的机床定位误差补偿

为验证基于CNC 底层通信的实时误差补偿功能,将式(2)和式(3)误差模型加载到实时误差补偿模块,应用实时误差补偿功能对机床定位误差进行在线实施补偿,并测量补偿之后的机床