3.2.1提高數(shù)控機(jī)床定位精度的位移補償方法

　　激光干涉儀測得的位移數(shù)據(jù)通過USB總線實時傳送到PC機(jī)，LabVIEW過調(diào)用C程序的方式調(diào)用激光干涉儀的底層驅(qū)動，從而實時的現(xiàn)實位移數(shù)據(jù)，同時數(shù)據(jù)采集卡的另外一路A/D來采集電流傳感器測得伺服電機(jī)的電流信號，將位移與電流的關(guān)系繪制在LabVIEW界面上，從而可以分析機(jī)床運動與消耗電流功率的關(guān)系，也就能推出機(jī)床工作時切削力與消耗功率的關(guān)系。對測得位移信號再繼續(xù)處理，得到目標(biāo)位移和機(jī)床定位精度誤差的曲線，從而能及時的對機(jī)床的位移參數(shù)進(jìn)行補償。

　　激光干涉儀：可測量速度、加速度、振動等參數(shù)，并評估機(jī)床動態(tài)特性。測試主軸的位移采用定位精度高的的激光干涉儀，這里本文選用API公司的激光干涉儀(5D/6D標(biāo)準(zhǔn)型)，它能一次安裝能夠同時測量線性軸的六個誤差，包括1個位置度誤差、2個直線度誤差、3個角度誤差。在通常情況下需要數(shù)天時間進(jìn)行的測試，使用API激光干涉儀只需幾個小時即可，應(yīng)用結(jié)果表明，節(jié)省時間可達(dá)80%.6D激光干涉儀主要由穩(wěn)頻激光器、干涉儀和6維傳感器組成，從激光器發(fā)出的激光光束經(jīng)過干涉后，被6D傳感器內(nèi)的分光鏡分成三束，一束記錄精確長度位移。第二束光用作直線度測量的參考光束，傳感器與參考光束之間的相對位移由裝在傳感器內(nèi)的橫向光電二級管測得。第三束光用作裝在6D傳感器內(nèi)的小型光電測角儀的參考光源，用來測量角度誤差(俯仰角和偏擺角)。為了保證激光光束的穩(wěn)定性，測量儀在結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及激光器的選擇方面都做了仔細(xì)設(shè)計，以使測量儀的橫向和角度漂移量都降低到最小，從而保證測量儀的長期穩(wěn)定性。測量儀配有自動氣壓、環(huán)境溫度補償器，自動校正環(huán)境變化對激光波長及長度測量的影響，其中多重數(shù)字濾波器使由空氣波動及溫度梯度引起的測量誤差降到最小。

　　其中誤差補償重點是研究加工中心誤差的影響因素和計算機(jī)輔助軟件補償技術(shù)，其特點是在對機(jī)床本身不作任何改動的情況下，綜合運用當(dāng)代各學(xué)科的先進(jìn)技術(shù)和計算機(jī)控制技術(shù)來提高機(jī)床加工精度。誤差補償?shù)慕Y(jié)構(gòu)框圖如下圖3.3所示。

　　測得的補償前后機(jī)床的三次運動的正向和負(fù)向位置精度誤差如表3.1和表3.2所示。

　　如上表所示，下位測控機(jī)采集平臺，通過激光干涉實時記錄機(jī)床的動態(tài)位移及定位位移，軟件通過對數(shù)據(jù)實時的采集分析，存儲，將整個數(shù)控機(jī)床運動過程的定位位移實時記錄。在分析軟件下可以清楚看出機(jī)床3次運動過程中正向和負(fù)向位移誤差的對比。

　　進(jìn)行補償前的位移精度曲線如圖3.4所示，進(jìn)行補償后的位移精度曲線如圖3.5所示。

　　通過以上圖表，可以明顯的看出補償后的位移定位精度有了明顯的提高。由于實驗測試值僅是測的一臺剛剛改造后的數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)只是特例數(shù)據(jù)，以后要進(jìn)行多臺數(shù)控機(jī)床的數(shù)據(jù)測試分析，這樣的分析后的結(jié)果就有了普遍性和統(tǒng)計性。

　　3.2.2溫度補償技術(shù)研究

　　溫度傳感器選用PT100鉑電阻溫度傳感器。它適用于測量(-60 ~+400℃)之間的溫度，完全適用于機(jī)床的使用環(huán)境溫度(5 ~ 45℃)。PT100在0℃時電阻為100歐隨著溫度的變化電阻成線性變化，大約是每攝氏度0.4歐。為了把PT100隨溫度變化的電阻轉(zhuǎn)換成電壓，AD轉(zhuǎn)換器模擬量接口提供恒流源輸出，即輸出12.5mA恒電流源供給PT100傳感器，在傳感器回路中產(chǎn)生5Mv/℃線性輸入電壓。AD傳感器把這個電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，程序周期地讀這些數(shù)字量，并將所讀的這些數(shù)，利用下面公式計算出溫度值。

　　溫度T [℃] =(溫度數(shù)字量- 0℃偏置量)/ 1℃數(shù)字量(3.1)

　　其中：溫度數(shù)字量=存儲在NC-PLC接口IW xxx中的測量值;

　　0℃偏置量=在0℃測量出的數(shù)字量，該值為4000;

　　1℃數(shù)字量=溫度每升高1℃的數(shù)字量，該值為16.

　　PLC定時采樣溫度值，利用上式計算出溫度數(shù)字量并轉(zhuǎn)換為帶一位小數(shù)點的十進(jìn)制溫度值，然后計算出溫度補償參數(shù)K 0(T)、tanβ(T)周期性送至NCK刷新溫度補償參數(shù)。

　　(1)溫度補償?shù)睦碛?/p>

　　金屬材料具有“熱脹冷縮”的性質(zhì)，該特性在物理學(xué)上通常用熱膨脹系數(shù)(Thermal expansion confficient，αtherm)描述。數(shù)控機(jī)床的床身、立柱、拖板等導(dǎo)軌基礎(chǔ)件和滾珠絲杠等傳動部件一般由金屬材料制成，由于機(jī)床驅(qū)動電機(jī)的發(fā)熱、運動部件摩擦發(fā)熱以及環(huán)境溫度等的變化，均會對機(jī)床運動軸位置產(chǎn)生附加誤差，這將直接影響機(jī)床的定位精度，從而影響工件的加工精度。對于在普通車間環(huán)境條件下使用的數(shù)控機(jī)床尤其是行程較長的落地式銑鏜床，熱膨脹系數(shù)的影響更不容忽視。以行程為5m的X軸來說，金屬材料的熱膨脹系數(shù)為10ppm(10um/每1m每1℃)，理論上溫度每升高1℃，5m行程的X軸就“脹長”50um.日夜溫差和冬夏季節(jié)溫差的影響便可想而知。因此高精度機(jī)床要求在規(guī)定的恒溫條件下制造或使用，普通環(huán)境下使用的數(shù)控機(jī)床為保證較高定位精度和加工精度，須使用“溫度補償”等選件功能消除附加誤差。

　　(2)系統(tǒng)中溫度補償原理

　　機(jī)床坐標(biāo)軸的定位誤差隨溫度變化會附加一定偏差，對每一給定溫度可測出相應(yīng)的定位誤差曲線，為了完成溫度補償需要測出不同溫度下的定位誤差曲線。如圖3.6所示為一組實驗曲線，測量條件是：以22度誤差曲線為基準(zhǔn)，在行程500~1500mm范圍內(nèi)不停的運動加熱機(jī)床，每隔20分鐘做一次定位誤差測量采樣，采樣間隔100mm，并用點溫計記錄滾珠絲桿的溫度。因此一定溫度T的定位誤差曲線可以表示為如圖3.7所示的直線，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

　　式3.2中，梯度tanβ(T)和軸位置不相關(guān)溫度補償值K 0(T)均是隨溫度變化的函數(shù)。

　　不同溫度下的定位誤差曲線如圖3.6，以及溫度為T時的定位誤差曲線如圖3.7所示。

　　系統(tǒng)中溫度補償功能的工作過程：將測量得到的溫度偏差(補償)值送至NC插補單元參與插補運算修正軸的運動。若溫度補償值ΔKx(T)為正值就控制軸負(fù)向移動，否則正向移動。由于溫度影響的滯后性，PLC程序采取定時間隔采樣溫度(T)的方法，周期性地修改NC中相關(guān)補償參數(shù)，并利用式3.2計算溫度偏差ΔKx(T)，從而補償?shù)魷囟茸兓a(chǎn)生的位置偏差，實現(xiàn)溫度補償。