彭鳴 PENG Ming

（上海筑東機電工程技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 201206）

0 引言

在我國制造業(yè)向高端轉(zhuǎn)型背景下，對工業(yè)零件的柔性化和精密化加工要求越來越高。數(shù)控機床不僅實現(xiàn)了自動化加工，而且能大幅度提升零件加工精度。其中，伺服性能、結(jié)構(gòu)參數(shù)、傳動特性、生產(chǎn)環(huán)境等因素都會對數(shù)控機床的加工精度產(chǎn)生影響。要想實現(xiàn)超精密加工，現(xiàn)階段常用的方法有誤差防止和誤差補償兩種。前者是通過提高各項精度指標(biāo)，例如機床運動部件的設(shè)計精度、加工精度、運動精度，將誤差控制在允許范圍之內(nèi)，其成本較高。相比之下，誤差補償則是在掌握機床誤差數(shù)據(jù)的前提下，修改數(shù)控加工代碼補償加工誤差，操作起來更加方便，實用性更強。

1 超精密數(shù)控機床誤差補償技術(shù)

1.1 數(shù)控機床誤差補償原理

超精密數(shù)控機床誤差補償主要分為兩種形式，即硬件誤差補償、軟件誤差補償。在生產(chǎn)實踐中，硬件誤差補償受到諸多限制，例如需要更改機械結(jié)構(gòu)，增加了成本；加工精度的優(yōu)化范圍有限，經(jīng)常會出現(xiàn)補償之后仍然達不到精度要求的情況。相比之下，軟件誤差補償則具有操作簡便、成本較低、精度提升明顯等一系列優(yōu)勢。其補償原理為：在不改變數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)的前提下，測量獲得機床誤差數(shù)據(jù)，將誤差補償量運算到修改加工代碼中，通過軟件控制實現(xiàn)對加工誤差的補償。軟件誤差補償中綜合運用了傳感器技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、計算機技術(shù)，在保證加工精度符合要求的基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)零件的高效率、批量化生產(chǎn)。本文所述的超精密數(shù)控機床誤差補償流程如圖1 所示。

圖1 數(shù)控機床誤差補償流程圖

在應(yīng)用軟件誤差補償技術(shù)時，首先要根據(jù)待加工零件的外形輪廓，規(guī)劃走刀路線。按照該路線可以得到理想狀態(tài)下的數(shù)控機床加工指令，但是該數(shù)控指令中并不包含機床實際加工時存在的運動誤差。因此，還需要通過誤差補償技術(shù)計算出運動誤差，以便于提高誤差補償效果。刀具路線得到數(shù)控指令后，查詢各點運動數(shù)值處的誤差值，即可生成機床的實際運動模型。對比刀具的實際運動軌跡和理想運動軌跡，即可直觀地判斷兩者之間存在的誤差。然后執(zhí)行一次判斷程序，判斷實際測得誤差是否小于允許誤差。如果判斷結(jié)果為“否（N）”，則修改數(shù)控指令后，重新構(gòu)建實際機床運動模型，重復(fù)上述步驟并進行再次對比，直到判斷結(jié)果為“是（Y）”，說明加工精度達到要求，則終止此次誤差補償。

1.2 數(shù)控機床誤差補償仿真

為了進一步驗證軟件誤差補償?shù)膽?yīng)用效果，在仿真軟件上進行了模擬試驗。仿真軟件的參數(shù)設(shè)置界面上，可手動輸入對刀坐標(biāo)（x，y）、理想工件坐標(biāo)系原點（Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z）、工件坐標(biāo)系中坐標(biāo)（Gx，Gy，Gz）等。在仿真實驗開始后，首先輸入對刀坐標(biāo)、工件輪廓坐標(biāo)，這樣通過軟件自動計算后可以得出理想工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)原點以及實際工件坐標(biāo)系原點。通過數(shù)控機床誤差辨識，得到對應(yīng)機床坐標(biāo)的X 軸6 項誤差和Z 軸6 項誤差。根據(jù)仿真軟件計算、提供的工件坐標(biāo)系原點和各項運動誤差，可以根據(jù)工件所需的加工精度，進行補償計算并得出實際刀具路徑。另外，在補償計算中還能得到補償前、補償后待加工零件在機床坐標(biāo)系、工件坐標(biāo)系中的具體坐標(biāo)。這樣一來，就可以在仿真軟件的顯示頁面上直觀地了解補償前后工件坐標(biāo)變化。在完成補償計算后，還能通過誤差辨識數(shù)據(jù)庫模塊，調(diào)用內(nèi)部數(shù)據(jù)并進行線性擬合，得到各項誤差的擬合曲線。設(shè)定某零件的加工路徑為“沿X 軸行進30mm，沿Z 軸行進30mm”，可以達到一條與X 軸呈45°角的直線，每隔1mm取點進行補償計算，將補償前后的走刀軌跡與理想的走刀軌跡進行對比，如圖2 所示。

圖2 理想、補償后及未補償軌跡圖示（放大5000 倍）

結(jié)合圖2 可知，在誤差補償前數(shù)控機床的走刀軌跡與理想軌跡相差明顯；在誤差補償后，數(shù)控機床的走刀軌跡向理想軌跡靠攏，說明工件實際加工精度趨近于預(yù)期精度，誤差補償效果良好。

2 超精密數(shù)控機床誤差補償系統(tǒng)的設(shè)計搭建

2.1 基于UMAC 控制器的數(shù)控機床系統(tǒng)搭建

UMAC 是Delta Tau 的系統(tǒng)級控制器，可根據(jù)用戶需要配置個性化的UMAC 系統(tǒng)，同時還能提供高速SUB、MACRO 等完備的通訊方式，保證UMAC 控制器與主計算機之間進行穩(wěn)定的信息傳遞。本文設(shè)計的超精密數(shù)控機床系統(tǒng)采用UMAC 控制器搭建全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。其中，UMAC 控制器共有4 個運動軸通道，系統(tǒng)設(shè)計中選擇3 個通道，分別對應(yīng)了機床的X 軸、Z 軸和電動軸。確保UMAC控制器發(fā)出的控制指令能夠從通道快速傳遞至運動軸，完成相應(yīng)的動作。三軸運動裝置控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

圖3 三軸運動裝置控制系統(tǒng)

該控制系統(tǒng)中，X 軸和Z 軸分別沿著導(dǎo)軌做定向的直線運動。導(dǎo)軌上安裝有光柵尺，可以用于采集導(dǎo)軌上X 軸與Z 軸的運動信息。同時利用通信裝置將采集到的位置信息實時反饋給該系統(tǒng)中的控制器、驅(qū)動器，形成閉環(huán)控制。

2.2 PID 參數(shù)調(diào)節(jié)

為了保證超精密數(shù)控機床的運動特性、伺服特性達到理想狀態(tài)，需要借助于UMAC 控制器對各個控制環(huán)節(jié)的變量進行調(diào)節(jié)，本文提出了一種基于PID 控制算法的UMAC 控制器參數(shù)調(diào)節(jié)方法。PID 控制算法作為一種尋求最佳系統(tǒng)控制特性的常用算法，其原理是：設(shè)定積分環(huán)節(jié)是否加入的條件，如果出現(xiàn)大的偏差，則不加入積分環(huán)節(jié)，并通過參數(shù)調(diào)節(jié)的方式縮小偏差。當(dāng)大偏差減小到一定程度后，再次進行判定，如果偏差（|e（k）|）在允許的閾值（ε）之內(nèi)，則加入積分環(huán)節(jié)。PID 控制算法可表示為：

上式中，Kd表示微分系數(shù)，Kp表示比例系數(shù)，Ki表示積分系數(shù)。K 為變量，表示在該系統(tǒng)中進行積分處理的時間。

基于PID 控制算法的UMAC 控制器被廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床的多軸控制中，并且能夠做到效率與精度的兼顧。在PID 參數(shù)調(diào)整中，可支持手動、自動兩種模式。在實際生產(chǎn)中，自動整定雖然能夠快速得到一組理想PID 參數(shù)，但是也有可能存在整定參數(shù)超出電機額定性能的情況，電機長時間處于超負(fù)荷運行狀態(tài)將會增加發(fā)生故障的概率。因此PID 參數(shù)整定中一般選擇手動調(diào)節(jié)。另外，考慮到本文設(shè)計的數(shù)控機床三軸統(tǒng)一采用了氣浮機構(gòu)，因此在每次開機運行前必須要認(rèn)真檢查X 軸、Z 軸、電動軸是否均已通氣。對于不能正常通氣的要排查故障、在完成通氣后再運行。之后檢查UMAC 控制器和主計算機之間的通信是否正常，確定不存在異常后開始啟動PID 進行軟件調(diào)試。根據(jù)調(diào)試結(jié)果重新修改PID 參數(shù)。調(diào)試軟件支持階躍信號、斜坡信號、梯形信號等七種信號源，用戶可根據(jù)實際情況自定義選擇。本系統(tǒng)為了提高動態(tài)性能選擇了階躍信號（Position Step），其優(yōu)勢在于調(diào)節(jié)測試系統(tǒng)的跟隨誤差，保證速度前饋系數(shù)和加速度前饋系統(tǒng)能夠靈活調(diào)節(jié)。

2.3 數(shù)控系統(tǒng)軟件開發(fā)

基于UMAC 控制器開發(fā)超精密數(shù)控機床系統(tǒng)。由于UMAC 控制器配套的Pcomm32.dll 動態(tài)鏈接庫中包含了許多類函數(shù)，為系統(tǒng)開發(fā)提供了便利，在VC++10.0 環(huán)境下完成系統(tǒng)開發(fā)。其中UMAC 卡與PC 機之間用通訊裝置完成指令的下達和信息的反饋，另外還提供了板卡開閉、狀態(tài)顯示等功能。整個數(shù)控系統(tǒng)可提供的功能有電機回零、電機電動、運行狀態(tài)監(jiān)視、NC 代碼下載、自動運行控制等。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 基于UMAC 控制器的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在完成系統(tǒng)搭建后，逐步進行各功能驗證：

①上位機與下位機之間的通訊功能。調(diào)用動態(tài)鏈接庫中的Open Pmac Device9（）函數(shù)檢查通訊功能。在上位機上編輯并發(fā)送指令，如暫停運行指令，下位機接收該指令后運行數(shù)控程序中的暫停程序，正在進行工件加工的刀具暫停運行。同時觀察UMAC 面板上“運動狀態(tài)”一欄顯示“暫?！?。說明上位機可以正常向下位機發(fā)送控制指令，下位機能夠正常反饋指令執(zhí)行情況，相互之間通訊正常。

②數(shù)控系統(tǒng)的點動功能。進入系統(tǒng)的點動功能菜單，涵蓋了X 軸正方向運動“X+”、X 軸負(fù)方向運動“X-”、Z 軸正方向運動“Z+”和Z 軸反方向運動“Z-”四個選項。驗證功能時，從菜單中點擊“X+”時，觀察到X 軸沿著導(dǎo)軌向正方向運動一段距離，松開按鈕后X 軸停止運動，其他3 個選項同樣如此，說明數(shù)控系統(tǒng)的點動功能正常。

③運行狀態(tài)監(jiān)視功能。監(jiān)視內(nèi)容包括運動軸狀態(tài)信息和安全信息。當(dāng)機床運動軸在機床坐標(biāo)系中的位置、速度發(fā)生變化后，在UMAC 顯示界面可同步展示變化后的位置信息、速度信息。同時，在運動軸正常運行時顯示為綠色，到運動軸達到最大行程后顯示紅色，同時強制執(zhí)行電機停機指令，防止電機燒壞。

3 結(jié)語

超精密數(shù)控機床由于對工件的加工精度有更高的要求，因此在實際生產(chǎn)中需要借助于誤差補償技術(shù)，通過實時收集刀具的實際運動軌跡，與理想運動軌跡進行對比。如果兩者之間的誤差太大，則重新修改參數(shù)，再次進行加工，經(jīng)過反復(fù)多次的誤差補償后，直到實際運動軌跡趨近于理想運動軌跡，兩者之間的誤差符合加工精度要求。在此基礎(chǔ)上基于UMAC 控制器搭建數(shù)控系統(tǒng)，在保持加工精度的前提下，可以實現(xiàn)點動加工、自動回零、狀態(tài)監(jiān)視等功能，進一步提高了數(shù)控機床高精度、自動化加工水平。