基于PMAC数控机床定位精度控制研究.pdf

2 0 1 4年 l 1月 第 4 2卷 第 2 2期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAULI CS NO V ． 2 01 4 V0 1 ． 4 2 No ． 2 2 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 2 2 ． 0 1 6 基于 P MA C数控机床定位精度控制研究 王 占领 陕西理工学院机械工程学院，陕西汉中 7 2 3 0 0 3 摘要数控机床定位精度和重复定位精度直接影响数控机床的加工精度。通过分析影响数控机床定位精度的原因，利 用系统螺距误差补偿方法对数控机床进给系统的定位精度进行补偿 。试验结果表明该误差补偿策略显著提高了系统的位 置精度和运动精度，为提高机床的加工精度奠定了基础。 关键词数控机床；定位精度；螺距误差补偿 中图分类号T G 7 1 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 2 2 0 5 5 2 S t ud y o n Po s i t i o ni ng Ac c u r a c y Co n t r o l f o r NC M a c hi ne Ba s e d o n PM AC W ANG Z ha n l i n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，S h a a n x i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， H a n z h o n g S h a a n x i 7 2 3 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t N C ma c h i n e t o o l ma c h i n i n g a c c u r a c y i s d i r e c t l y a f f e c t e d b y N C ma c h i n e t o o l p o s i t i o n i n g a c c u r a c y a n d r e p e t i t i v e p o s i t i o n mg a c c u r a c y ．Ba s e d o n t h e a n a l y s i s o f e f f e c t f a c t o r s f o r NC ma c h i n e t o o ]p o s i t i o n i n g a c c u r a c y ，p o s i t i o n i n g a c c u r a c y o f f e e d s y s t e m w a s c o mp e n s a t e d b y t h e me t h o d o f p i t c h e r r o r c o mp e n s a t i o n ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e NC ma c h i n e t o o l p o s i t i o n i n g a c c u r a c y a n d mo v e me n t a c c u r a c y a r e s i g n i fi c a n t l y i n c r e a s e d b y t h e e rro r c o mp e n s a t i o n，a n d t h i s me t h o d l a y s a f o u n d a t i o n f o r i mp r o v e me n t o f ma c h i n i n g a c c ur a c y Ke y wo r d s NC ma c h i n e ；P o s i t i o n i n g a c c u r a c y ；P i t c h e r r o r c o mp e n s a t i o n 位置控制系统 的精度是数控机床 的重要指标 ，主 要包括运动精度和位置精度 。位置精度是运动 目标在 数控系统控制下运动所能达到 目标位嚣的精确程度 ， 主要有定位精度和重复定位精度。其中定位精度对位 置精度影响最大。例如对机床进给系统，将影响直线 控制系统工件的尺寸精度；对轮廓控制系统，如定位 精度较低将产生轮廓失真 。 P MA C 2型运动 控制 卡具 有开放 性 好 、移 植 能力 强等特点，它具有很强的控制能力，同时具有螺距误 差补偿功能。文中通过对数控机床进给系统定位精度 的分析、控制，测量了进给系统螺距误差并利用螺距 误差补偿的方法提高进给系统的定位精度。 1 影响系统定位精度的因素 定位精度受到所有电气控制系统和机械装置等因 素的综合影响，其高低由定位误差的大小来衡量，定 位误差的大小可以通过试验的方法得到。不同的伺服 控制方法对系统的精度影响也不同。 1 ． 1 开环 系统定位精度分析 开环控制系统中，运动指令经过驱动器、电机、 控制器、传动系统等环节转换为平台的运动。除机械 零部件的制造精度会对系统位置精度产生影响外 ，机 械部件运输过程的振动、变形、装配以及传动误差等 都会对定位精度产生影响。其 中，主要的影响因素 有 1 步进 电机 的误 差 ，包 括 步距 角误差 、动态 误差和起停误差 。步进电机的这些误差属于结构性误 差，只能被减小 ，不能被消除； 2 传动系统引起 的几何误差，包括所有传动副引起的传动误差以及如 齿轮副、旋转副等引起的间隙造成传动系统的几何误 差 ； 3 热变 形影 响 ，由丝杠 和螺母 相对运 动产 生 的热变形在该项误差 中占主要方面； 4 导轨的误 差 。以上所述误差对于开环系统来说都将直接反映到 工作台部分，从而影响系统的定位精度。 1 ． 2闭环 系统定位精度分析 闭环控制系统的位 置检测 装置安装在工作 台运动 部件上，各传动部分误差对工作台的定位精度基本没 有影响。因此 ，该结构的定位误差主要取决于位置检 测元件的精度和误差。 文中涉及到的数控机床采用半闭环控制系统，位 置检测装置安装在电机轴上 ，反馈的是控制系统中电 机轴以前产生的误差 ，电机轴以后如联轴器、丝杠和 导轨等误差则不能由环路矫正。 2 位置精度试验及结果分析 针对所设计的刀具刃磨中心数控机床 ，进给部分 包括 3 个移动轴和2个转动轴，反馈部分由编码器和 收稿日期2 0 1 31 01 8 基金项目陕西省工业攻关项 目 基金资助项目 2 0 0 9 K 0 7 - 0 9 作者简介王占领 1 9 7 5 一 ，男，硕士，实验师，主要从事机电控制及产品研发等。Em a i l h a i z h i i n 1 6 3 ． c o rn。 5 6 机床与液压 第 4 2卷 光栅 复 合反 馈构 成 ，运 动 控制 器采 用 T u b r o P MA C 2 P C I型 卡，上 位 机 采 用 工 控 机，利 用 调 整 软 件 P e w i n 3 2 P R O 2对光栅反馈的位置信号进行测量并绘 制响应曲线 调整时 轴对应 2号电机 。 下面以 轴为例说明螺距误差补偿的方法。在 补偿之前需要测定定位精度和滚珠丝杠螺距误差。 2 ． 1 定位精度测量 以 轴作为目标轴进行定位精度测量。 轴的直 线行程4 0 0 m m，在全程取等长的 5个 目标位置进行 测量，测量工具采用光栅尺。测量采用图 1 所示标准 检验方式进行 。 目标位置l 扣5 Pi 1 0m m 1 0 0mm P 2 o omm P4 3 0 0mm P5 3 9 0mm J - 、 0 4 00mm 次数 图 1 X轴精度检验循环示意图 根据对 轴检验数据的处理结果可知，机床 轴定位精度和重复定位精度分别为 定位精度 A 0 ． 0 4 8 4 m m 重复定位精度 R 0 ． 0 3 1 7 i n m 2 ． 2螺距误 差测 量 螺距误差陆线可以用试验的方式获得。 轴的行 程 4 0 0 m m，滚珠丝杠螺母副的螺距为 5 t a m，每隔 5 个螺距 即 2 5 h i m测一个 点 ，通 过 1 6个点测 出螺 距误差 ，绘制误差 曲线 图 2 。 ⋯ 补偿前 f 50 4 0 茸 3 0 希2 0 褒l O O ．1 0 O l o 0 2 0 0 30 0 4 0 0 目标位置， 哪m 图2 X轴补偿前后螺距误差曲线 2 ． 3 定位精度螺距误差补偿 2 ． 3 ． 1 螺距误差补偿原理 数控系统软件误差补偿主要有两种方法一是反 向间隙补偿法 ，二是螺距误差补偿法。螺距误差补偿 又分单向补偿法和双向补偿法，试验中采用单向螺距 误差补偿法对系统进行螺距误差的补偿。 软件补偿方法是在运动轴测量行程内将测量行程 等分为若干段，测量出各 目标位置 P 的平均位置偏 差 置。再把平均位置偏差反向叠加到数控系统的插 补指令上 。即 f 占 0 i 1 ，2 ，3 ，⋯，n 1 式中 为误差补偿值； 为各目标位置的误差值。 2 ． 3 ． 2 螺距误差补偿方法 根据补偿前测得的误差结果及式 1 ，计算出 补偿量 表 1 ，根据螺距误差补偿表，编写补偿程 序 ，并下 载至 P M A C 2卡上运行 。 DELE T E GATHER d e l c o mp } f 2 D E F I N E C O M P 1 6 ，1 6 0 0 0 0 0 2号 电机补偿 l 6 个 点 ，间距 1 0 0 0 0 0 ，即 2 5 m m 3 2 0 6 4 0 1 2 8 0 1 7 0 7 1 4 9 3 1 28 0 2 08 0 2 7 7 3 21 3 3 1 6 5 3 1 2 8 0 1 1 7 3 1 0 1 3 1 2 8 0 1 3 3 3 0 补偿值 1 2 8 6 0 0位补偿数据为0 1 5 1 1打开补偿功能 表 1 X轴 T向螺距累积误差及补偿量 部分 2 ． 4 试验结果分析 为了对补偿效果进行验证，对 x轴螺距误差补 偿前后系统的性能进行了比较 ，检测结果见图 2 ，比 较结果见表 2 。可以看出经过螺距误差补偿后精度 有了显著的改善，实现了提高系统定位精度和重复定 位精度的目的。 表 2 X轴补偿前后精度比较 下转第6 6页 6 6 机床与液压 第4 2卷 能保持旋转后的位置，并可由锁紧螺钉锁紧；连接件 右侧圆柱体的通孔与轴形成小间隙配合，可调平板的 孔与轴的两端形成过盈配合 ，使可调平板与轴形成固 联，旋转可调平板可使其绕 l ， 轴旋转，由于小间隙配 合孑 L 轴的摩擦力较大 ，可调平板能保持旋转后的位 置 ，并 可由紧固螺钉锁紧 。 在支架 和连接件 的旋转端面上分别装有刻度盘与 指针 ，用来计量连接件绕 轴旋转角度；在连接件 和可调平板 的配合端 面处分别装有刻度盘与指针 ，用 来计量可调平板绕 y轴旋转角度。 2 可调式测量平板的工作原理 可调平板的工作面具有与普通平板同样的精度， 工作时，被测零件放置在可调平板上，手工移动零件 至所需 轴向、l ， 轴向的位置。旋转调节螺母，可带 动支架沿丝杆的轴心 z轴上下移动 ，从而实现被测 零件在可调 平板 上 z轴 方 向 的移动 ，最 终可 调节 被 测零件至合适的高度位置。可调平板工作面上均布 T 型槽和大量的安装孔 ，如果测量复杂零件或有斜面、 空间角度要求的零件，必要时可以通过压板、T型螺 栓、定位销等固定在可调平板上。 当被测零件的空间角度需要调整时，可以快速方 便地调整可调平板绕 y 轴、 轴、z轴旋转手工扳 动可调平板可使其绕 l ， 轴旋转至所需位置，并能保 持或锁紧旋转后的位置 ，由 l ， 轴向指针读出角度值； 手工扳动连接件，可带动可调平板绕 轴旋转至所 需位置，并能保持或锁紧旋转后的位置，由 轴向 指针读出角度值 ；手工扳动支架，可带动可调平板绕 z轴旋转至所需位置 ，并能保持或锁紧旋转后的位 置 。 3 可调式测量平板的优点 可调式测量平板是对普通测量平板的改进，它不 影 响原测量 平板 的所有功能 。通过可调平板空间位姿 的调整，使被测零件快速调整定位至需要的空间位 置，并可实现被测零件的夹紧，使测量过程得以顺利 实施。该设计简单、操作方便、适应性广 ，尤其适用 于形状复杂 的中小型零件 的测量 ，对 于批量较大零件 的测量 ，一次调整到位后，可重复安装零件测量，使 用效率高。 参考文献 [ 1 ] 甘立永． 几何量公差与检测[ M] ． 上海 上海科学技术出 版社 ， 2 0 1 0 3 0 5 0 ． [ 2 ]陈锡渠， 王振宁， 苏建修， 等． 自适应圆锥体端面直径测 量装置[ J ] ． 制造技术与机床， 2 0 0 8 9 1 1 81 2 1 ． [ 3 ]葛耀峥， 程佳 ， 陶国良． 并联 6自由度电动实验教学平台 [ J ] ． 实验室研究与探索， 2 0 1 2 5 3 4 3 6 ． 上接第 5 4页 置时 ，应尽 量缩短 高压管 的长度 ，管路直径布置先 大 后小 。 3 流量 的增加会引起打击力的增大 ，流速的 加快；喷嘴直径增加 ，打击力减小。而去除毛刺所需 要的打击力不需要太大，太小也不行，因此流量控制 在 2 0 L ／ m i n以 内，优 先选 用 1 6 L ／ ra i n或 1 8 L ／ m i n ， 喷嘴直径在0 ． 3 0 ． 9 m m之间较为合适。 4 噪声需要较好地控制 ，建立和谐的人机关 系 。 参考文献 [ 1 ]中国航天科技集团公司 7 1 0 3厂． 热能去毛刺工艺研究 [ J ] ． 航天制造技术， 2 0 0 2 2 1 41 5 ． [ 2 ]丁建刚， 李宝龙 ， 石祖飞． 高碳钢制件化学去毛刺工艺 [ J ] ． 电镀与环保 ， 2 0 0 6 5 3 1 3 2 ． [ 3 ]Y A MA G U C H I H I T O M I ， S H I N MU R A T A K E O ． S t u d y o f a n I n t e rn a l Ma g n e t i c A b r a s i v e F i n i s h i n g Us i n g a P o l e r o t a t i o n S y s t e m Di s c u s s i o n o f t h e C h a r a c t e r i s t i c Ab r a s i v e B e h a v i o r [ J ] ． J o u ma l o f t h e I n t e rna t i o n a l S o c i e t i e s f o r P r e c i s i o n E n g i n e e ri n g a n d N a n o t e c h n o l o g y ， 2 0 0 0， 3 4 3 2 3 7 2 44． [ 4 ]周燕辉 ， 刘秋平， 康春兰． 高压水喷射去毛刺技术的应用 研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 2 8 7 8 9 ． [ 5 ]秦忠旺． 去毛刺技术手册[ M] ． 北京 宇航出版社 ， 1 9 9 5 ． 上接第 5 6页 3结论 数控机床进给系统的精度由多因素决定 ， 只有通 过多方面的措施才能有效地控制精度O螺距误差补偿 方法的运用可以有效提高系统的定位精度。 参考文献 [ 1 ]张珂 ， 吴玉厚 ， 李颂华， 等． 基于P M A C ． P C的精密加工系 统的设计与实现 [ J ] ． 机械设计与研究， 2 0 0 4 ， 2 0 4 7 274． [ 2 ]陈勇， 徐伟． C N C 2 1 9 0数控龙门铣床螺距误差补偿与重 建[ J ] ． 制造技术与机床， 2 0 1 1 8 2 0 7 2 0 9 ． [ 3 ]李继中． 数控机床螺距误差补偿与分析[ J ] ． 组合机床 与自动化加工技术， 2 0 1 0 2 9 8 1 0 1 ． [ 4 ]朱立达 ， 朱春霞， 蔡光起． P I D调节在 P MA C运动控制器 中的应用[ J ] ． 组合机床与自动化加工技术 ， 2 0 0 7 2 5 O一5 3 ． [ 5 ]陈勇， 王青春， 徐伟． X K 7 1 4 ／ 1数控铣床螺距误差补偿 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 2 ， 4 0 8 2 42 6 ． [ 6 ]涂雪飞， 易传云， 钟瑞龄， 等． 基于光栅尺的数控机床定 位精度和重复定位精度检测 [ J ] ． 机械 与电子 ， 2 0 1 2 4 3 2 3 4 ．