第六章-補(bǔ)償控制系統(tǒng)

16.1補(bǔ)償控制方式誤差補(bǔ)償實(shí)施是移動(dòng)刀具或工件使刀具和工件之間在機(jī)床空間誤差的逆方向上產(chǎn)生一個(gè)大小與誤差接近的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的。機(jī)床誤差補(bǔ)償控制方式一般可分為以下三種：閉環(huán)反饋補(bǔ)償控制方式、開環(huán)前饋補(bǔ)償控制方式和半閉環(huán)前饋補(bǔ)償控制方式。

26.1.1閉環(huán)（反饋）補(bǔ)償控制方式

閉環(huán)反饋補(bǔ)償控制如圖6-1所示，在機(jī)械加工過程中直接補(bǔ)償實(shí)際測(cè)量值和理論值之間的誤差。由于反饋信息來自于最后檢測(cè)的工件尺寸，所以可消除各種誤差，但是這種方法需要有像激光測(cè)微儀等的高精度尺寸檢測(cè)裝置。然而這種裝置通常是非常昂貴的，而且其又很難在加工過程中對(duì)有復(fù)雜外形或有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的工件進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，難以應(yīng)用于工廠實(shí)際生產(chǎn)。圖6-1閉環(huán)反饋補(bǔ)償控制系統(tǒng)36.1.2開環(huán)（前饋）補(bǔ)償控制方式

開環(huán)前饋補(bǔ)償控制如圖6-2所示，利用預(yù)先求得的加工誤差數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)誤差而進(jìn)行補(bǔ)償。但這必須有一個(gè)符合工程要求和實(shí)用的誤差模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，而且要求系統(tǒng)不受外界因素所干擾，否則不能進(jìn)行正確地預(yù)測(cè)加工誤差。但是，開環(huán)前饋補(bǔ)償系統(tǒng)很難做到系統(tǒng)不受外界因素所干擾，故這種控制方式也難以應(yīng)用于導(dǎo)生產(chǎn)。圖6-2開環(huán)前饋補(bǔ)償系統(tǒng)46.1.3半閉環(huán)（前饋）補(bǔ)償控制方式半閉環(huán)前饋補(bǔ)償控制如圖6-3所示，選擇幾個(gè)比較容易檢測(cè)，又能表征系統(tǒng)狀態(tài)、環(huán)境條件的參量作為誤差數(shù)學(xué)模型的變量，建立加工誤差和這些參量的并反映規(guī)律的關(guān)系式。作為半閉環(huán)前饋補(bǔ)償，選擇正確、合理、實(shí)用的參量是建立補(bǔ)償模型重要的一步，此誤差補(bǔ)償控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在于保證加工誤差估計(jì)模型的高度準(zhǔn)確性。圖6-3半閉環(huán)前饋補(bǔ)償控制系統(tǒng)5比較以上三種補(bǔ)償系統(tǒng)，閉環(huán)反饋補(bǔ)償控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是補(bǔ)償精度最高，而缺點(diǎn)是系統(tǒng)制造成本也最高；開環(huán)前饋補(bǔ)償控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)制造成本最低，而補(bǔ)償精度也最低；半閉環(huán)前饋補(bǔ)償控制系統(tǒng)的功能與價(jià)格比最佳，故根據(jù)我國(guó)的具體情況，以經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、實(shí)用和精度等綜合考慮，選用半閉環(huán)前饋補(bǔ)償控制系統(tǒng)是相對(duì)最優(yōu)的控制方式。注：數(shù)控機(jī)床的補(bǔ)償控制方式與位置控制的開環(huán)控制、閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制三種位置控制概念有所不同。一根運(yùn)動(dòng)軸的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)需8000元左右，則三軸為24000元，另外，此系統(tǒng)由于響應(yīng)太慢而不能用于運(yùn)動(dòng)速度較高的運(yùn)動(dòng)軸。補(bǔ)償控制方式結(jié)論：66.2誤差補(bǔ)償控制系統(tǒng)的補(bǔ)償實(shí)施策略在早期的誤差補(bǔ)償研究中，誤差是通過離線修改數(shù)控代碼而實(shí)現(xiàn)的。該方法相當(dāng)耗時(shí)，且假定離線辨識(shí)的誤差在實(shí)際加工中保持相同。近年來，開發(fā)了兩種不同的策略來實(shí)施誤差補(bǔ)償：反饋中斷策略和原點(diǎn)平移策略。7.一、反饋中斷策略

反饋中斷策略是將相位信號(hào)插入伺服系統(tǒng)的反饋環(huán)中而實(shí)現(xiàn)的。如圖6-4所示，補(bǔ)償用計(jì)算機(jī)獲取編碼器的反饋信號(hào)，同時(shí)，該計(jì)算機(jī)還根據(jù)誤差運(yùn)動(dòng)綜合數(shù)學(xué)模型計(jì)算機(jī)床的空間誤差，且將等同于空間誤差的脈沖信號(hào)與編碼器信號(hào)相加減。伺服系統(tǒng)據(jù)此實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)機(jī)床拖板的位置。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是無需改變CNC控制軟件，可用于任何CNC機(jī)床，包括一些具有機(jī)床運(yùn)動(dòng)副位置反饋裝置的老型號(hào)CNC機(jī)床。然而，該技術(shù)需要特殊的電子裝置將相位信號(hào)插入伺服環(huán)中。這種插入有時(shí)是非常復(fù)雜的，需要特別小心，以免插入信號(hào)與機(jī)床本身的反饋信號(hào)相干涉。圖6-4反饋中斷策略補(bǔ)償原理脈沖發(fā)生器8PartProgramCNCControllerMotorGearEncoderCompensationComputerCompensationSignal

Table9補(bǔ)償控制系統(tǒng)主要由微處理器MCU（分析、計(jì)算、補(bǔ)償單元）結(jié)合機(jī)床控制器構(gòu)成。首先通過布置在機(jī)床上的熱傳感器實(shí)時(shí)采集機(jī)床的溫度信號(hào)（和熱誤差有關(guān)）并通過A/D板和輸入輸出接口把它送入微處理器，同時(shí)，通過機(jī)床編碼器實(shí)時(shí)采集機(jī)床拖板的運(yùn)動(dòng)位置信號(hào)（和幾何誤差有關(guān)）并通過輸入輸出接口把它送入微處理器，根據(jù)綜合誤差數(shù)學(xué)模型，微處理器算出瞬時(shí)綜合誤差值。然后，把補(bǔ)償值（誤差值的相反數(shù)）跟機(jī)床編碼器信號(hào)疊加后送入機(jī)床控制器，機(jī)床控制器據(jù)此實(shí)施對(duì)機(jī)床下一步運(yùn)動(dòng)的控制。這樣，通過修正編碼器輸出信號(hào)（加入補(bǔ)償信號(hào)），而無需改變數(shù)控機(jī)床控制器內(nèi)部原先的數(shù)控程序，使得數(shù)控機(jī)床在加工過程中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)補(bǔ)償。本過程某種程度上是一種對(duì)編碼器功能的擴(kuò)展改良（相當(dāng)于帶補(bǔ)償功能的編碼器）。可以適合于絕大多數(shù)類型的數(shù)控系統(tǒng)。其原理如圖所示。10工件加工程序輸出輸入溫度傳感器位置傳感器零點(diǎn)位置傳感器數(shù)控機(jī)床模擬信號(hào)通道選擇器位置信號(hào)檢測(cè)器A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換器熱誤差元素計(jì)算位置誤差元素計(jì)算誤差綜合數(shù)學(xué)模型分析、計(jì)算、補(bǔ)償單元數(shù)控機(jī)床控制器

誤差補(bǔ)償控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。溫度信號(hào)通過A/D板和輸入輸出接口等進(jìn)入補(bǔ)償控制系統(tǒng)的分析、計(jì)算、補(bǔ)償單元，同時(shí)，機(jī)床運(yùn)動(dòng)位置信號(hào)（相對(duì)位置信號(hào)）和原點(diǎn)位置信號(hào)經(jīng)位置信號(hào)檢測(cè)器轉(zhuǎn)換成絕對(duì)位置信號(hào)后也進(jìn)入補(bǔ)償控制系統(tǒng)的分析、計(jì)算、補(bǔ)償單元，在這里，根據(jù)誤差元素的不同性質(zhì)用不同的軟件把它建立為溫度或者絕對(duì)位置的函數(shù)模型，再根據(jù)綜合誤差數(shù)學(xué)模型算出瞬時(shí)綜合誤差值。然后，把補(bǔ)償值（誤差值的相反數(shù)）跟機(jī)床編碼器信號(hào)相疊加后送入機(jī)床控制器。機(jī)床控制器據(jù)此實(shí)施對(duì)機(jī)床下一步運(yùn)動(dòng)的控制。11溫度信號(hào)端子板監(jiān)控機(jī)數(shù)控機(jī)床絕對(duì)原點(diǎn)信號(hào)X軸位移傳感器X軸位移傳感器X軸位移傳感器X軸接口X軸接口X軸接口絕對(duì)位置計(jì)算器MCU可變頻脈沖發(fā)生器可變頻脈沖發(fā)生器可變頻脈沖發(fā)生器X接口Y接口Z接口放大器&A/D放大器&A/D模擬信號(hào)通道選擇開關(guān)模擬信號(hào)通道選擇開關(guān)接口接口誤差補(bǔ)償控制系統(tǒng)硬件框圖（1）以CPU為核心的數(shù)學(xué)計(jì)算和邏輯運(yùn)算單元。（2）程序存儲(chǔ)器（ROM），保存誤差模型的計(jì)算軟件。（3）外部通訊接口，分別為控制器與數(shù)控系統(tǒng)的通訊接口以及控制器與監(jiān)控機(jī)的通訊接口。當(dāng)機(jī)床參數(shù)發(fā)生了變化（如長(zhǎng)期加工后的磨損等）時(shí)，可通過監(jiān)控機(jī)調(diào)整機(jī)床參數(shù)，利用RS232口方便地進(jìn)行參數(shù)重新設(shè)定。（4）38通道溫度信號(hào)端子板、放大器、A/D（10bit）、D/A接口等。（5）可變頻率脈沖發(fā)生器，用來優(yōu)化脈沖疊加及滿足機(jī)床控制器所需的頻率。（6）掉電保護(hù)的隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM），主要用于保存機(jī)床原始幾何誤差參數(shù)、機(jī)床絕對(duì)坐標(biāo)值、刀具長(zhǎng)度值以及空間誤差計(jì)算軟件計(jì)算過程所需的必要外部存儲(chǔ)空間和誤差計(jì)算結(jié)果。（7）其他輔助功能，如電路驅(qū)動(dòng)、復(fù)位、顯示和后備電池等。誤差補(bǔ)償控制器基本構(gòu)成12二、.原點(diǎn)平移策略原點(diǎn)平移策略補(bǔ)償原理見圖6-5。補(bǔ)償用計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)床的空間誤差，這些誤差量作為補(bǔ)償信號(hào)送至CNC控制器，通過I/O口平移控制系統(tǒng)的參考原點(diǎn)，并加到伺服環(huán)的控制信號(hào)中以實(shí)現(xiàn)誤差量的補(bǔ)償。這種補(bǔ)償既不影響坐標(biāo)值，也不影響CNC控制器上執(zhí)行的工件程序，因而，對(duì)操作者而言，該方法是不可見的。原點(diǎn)平移法不用改變?nèi)魏蜟NC機(jī)床的硬件，但它需要改變CNC控制器中的可編程控制器（PLC）單元，以便在CNC端可以接收補(bǔ)償值。這種改變?cè)诶闲吞?hào)的CNC控制器中也許是不可能的。圖6-5原點(diǎn)平移策略補(bǔ)償原理13PartProgramCNCControllerMotorGearEncoderCompensationComputerCompensationSignal

Table

I/O14制造技術(shù)及自動(dòng)化研究所外部機(jī)床坐標(biāo)系偏置原理外部機(jī)床坐標(biāo)系偏置基本原理：Oc為機(jī)械原點(diǎn)，Or為加工坐標(biāo)原點(diǎn)。與工件坐標(biāo)系、機(jī)床坐標(biāo)系等整體一起移動(dòng)。不影響坐標(biāo)顯示。我們經(jīng)過對(duì)FANUC0系列數(shù)控系統(tǒng)的研究后發(fā)現(xiàn)，找出工件與刀具間的相對(duì)熱漂誤差規(guī)律后，利用FANUC數(shù)控系統(tǒng)提供的外部機(jī)床坐標(biāo)系偏移功能，可將熱漂誤差通過外部機(jī)床坐標(biāo)系的偏置（原點(diǎn)平移）加到位置控制信號(hào)中而實(shí)現(xiàn)熱誤差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，該方法不需要修改數(shù)控指令及數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件，僅需在PMC的原有梯形程序后添加少許程序，對(duì)原有系統(tǒng)不產(chǎn)生任何影響。15制造技術(shù)及自動(dòng)化研究所上圖為數(shù)控機(jī)床誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制系統(tǒng)框架圖，由圖可得實(shí)時(shí)補(bǔ)償器可分為三個(gè)模塊（部分）：模塊1為計(jì)算處理模塊（8051系列單片機(jī)），模塊2為CNC接口和運(yùn)動(dòng)控制模塊，模塊3傳感器及變送模塊（pic系統(tǒng)單片機(jī)）。本系統(tǒng)既可作為信號(hào)采集系統(tǒng)（熱誤差建模用），又可為補(bǔ)償控制系統(tǒng)（實(shí)時(shí)補(bǔ)償用）。

機(jī)床16數(shù)控機(jī)床誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償原理對(duì)于FANUC0系列數(shù)控系統(tǒng)，外部機(jī)床坐標(biāo)系偏移功能是通過其內(nèi)置PMC與CNC控制單元及MT(機(jī)床一側(cè)，也就是外部信號(hào))間的信息交換來實(shí)現(xiàn)的。X：由機(jī)床至PMC的輸入信號(hào)(MT→PMC)Y：由PMC至機(jī)床的輸出信號(hào)(PMC→MT)F：由CNC至PMC的輸入信號(hào)(CNC→PMC)G：由PMC至CNC的輸出信號(hào)(PMC→CNC)R：內(nèi)部繼電器D：非易失性存儲(chǔ)器CNCPMCFGMTYX17Fanuc0i外部坐標(biāo)系原點(diǎn)偏移功能(a)功能控制：EA0-EA7(PMC→CNC)18(b)數(shù)據(jù)信號(hào)：ED0-ED15(PMC→CNC)ED15ED14ED13ED12ED11ED10ED9ED8ED7ED6ED5ED4ED3ED2ED1ED0數(shù)據(jù)信號(hào)：（ED15-ED0）二進(jìn)制編碼形式：-9.999-+9.9999ED15為數(shù)據(jù)正負(fù)位0為正1為負(fù)19(c)控制信號(hào)：ESTB(PMC→CNC)和EREND(CNC→PMC)ED0-15EA0-6ESTBEREND>32ms>0ms20PMC、CNC、MT中的地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系MT→PMCPMC→CNCCNC→PMC對(duì)應(yīng)信號(hào)X10.0-X10.6G003.0-G003.6EA0-EA6X10.7G003.7ESTBX12.0-X12.7G000.0-G000.7ED0-ED7X14.0-X14.7G001.0-G001.7ED8-ED15F060.0EREND21數(shù)控機(jī)床誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)22數(shù)控機(jī)床誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償裝置的工作流程23數(shù)控機(jī)床定位誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)能浻布_發(fā)工具硬件開發(fā)

硬件開發(fā)主要通過PROTEL99SE完成硬件補(bǔ)償裝置的單片機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，包括電源，單片機(jī)芯片，存儲(chǔ)芯片，并口擴(kuò)展芯片，RS232串口芯片，A/D擴(kuò)展芯片，光耦隔離，編碼器，鎖存器等電路的設(shè)計(jì)。軟件開發(fā)

單片機(jī)軟件：KeilC51v7.06完成補(bǔ)償裝置的基本運(yùn)行，溫度和位移信號(hào)的采集、處理和存儲(chǔ)，誤差補(bǔ)償值的計(jì)算，并口輸出的控制以及和上位機(jī)軟件的串口通訊等功能。

上位機(jī)軟件：NI公司的虛擬儀器軟件Labwindows/CVI6.0主要通過和單片機(jī)系統(tǒng)的串口通訊和數(shù)據(jù)傳輸，完成溫度和位移信號(hào)的上位機(jī)采集和保存，對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行外部坐標(biāo)偏移的單步調(diào)試。

機(jī)床PMC程序：數(shù)控機(jī)床的數(shù)控面板數(shù)控機(jī)床外部坐標(biāo)偏移功能的控制，PMC、CNC和外部信號(hào)之間的通訊和控制。24工作特性（補(bǔ)償器和機(jī)床之間的綜合響應(yīng)）目的：對(duì)補(bǔ)償值輸出進(jìn)行部分修正256.3計(jì)算機(jī)補(bǔ)償控制系統(tǒng)C

N

C

控制器輸入

輸出工件加工程序機(jī)床

溫度傳感器激光測(cè)量微機(jī)輸出

輸入

A/D

板接口誤差綜合數(shù)學(xué)模型幾何誤差、熱誤差元素計(jì)算誤差元素?cái)?shù)據(jù)庫(kù)放大器放大器補(bǔ)償信號(hào)位置溫度主軸熱漂幾何誤差位移傳感器6-6計(jì)算機(jī)補(bǔ)償控制系統(tǒng)示意圖26圖6-6為基于計(jì)算機(jī)的數(shù)控機(jī)床誤差（檢測(cè)）補(bǔ)償控制系統(tǒng)示意圖。補(bǔ)償控制系統(tǒng)的控制方式采用半閉環(huán)前饋補(bǔ)償控制，因其功能與價(jià)格比最佳；補(bǔ)償實(shí)施策略采用原點(diǎn)平移法，因?yàn)檫@種補(bǔ)償系統(tǒng)既不影響坐標(biāo)值，也不影響CNC控制器上執(zhí)行的工作程序。補(bǔ)償控制系統(tǒng)主要由微機(jī)結(jié)合機(jī)床控制器構(gòu)成。首先通過布置在機(jī)床上的熱傳感器實(shí)時(shí)采集機(jī)床的溫度信號(hào)（和熱誤差有關(guān)），同時(shí)，通過機(jī)床控制器實(shí)時(shí)采集機(jī)床拖板的運(yùn)動(dòng)位置信號(hào)（和幾何誤差有關(guān)）并通過A/D板和輸入輸出接口把這兩種信號(hào)送入微機(jī)，根據(jù)綜合誤差數(shù)學(xué)模型，微機(jī)算出瞬時(shí)綜合誤差值。然后，把補(bǔ)償值（誤差值的相反數(shù)）送入機(jī)床控制器。機(jī)床控制器再根據(jù)補(bǔ)償值