基于数控系统底层通信的实时误差补偿及应用

　　0 引言

　　航天航空业、国防工业和机械制造业的迅速发展,对数控机床的加工精度提出了越来越高的要求。而数控机床的几何误差、热误差及切削力引起的误差是影响机床精度的关键因素,这三项因素所造成的误差约占总误差的80%。误差补偿是提高机床精度经济有效的方法,在机械加工业中受到高度重视。

　　误差补偿的过程通常是先采用激光干涉仪、球杆仪、平面光栅等检测仪器测量数控机床的误差,再进行建模补偿。目前常用的补偿手段有以下几种:栙修改G 代码补偿法,其不足是实时性差;栚压电陶瓷制动补偿法,其不足是反应慢、刚度低;栛数控系统内部参数调整补偿法,如螺距补偿、齿隙补偿、刀具长度补偿、刀具半径补偿等,其不足是仅仅为静态补偿;栜机床外部坐标偏移补偿法,其不足是受限于数控系统。

　　为实现数控机床误差的实时补偿,上海交通大学研制开发了基于外部坐标偏移的误差实时补偿系统,该系统由硬件执行平台、补偿器软件平台以及上位机操作、建模和分析软件组成,可实现机床误差在线实时补偿。该方法的优点是不需要修改数控指令及数控系统的软硬件,仅需在PMC 的原有梯形程序后添加少许程序,对原有系统不产生任何影响。

　　本文针对现有误差补偿技术的不足,为提高数控机床精度,实现基于CNC 底层通信的实时误差补偿,针对数控机床的几何误差、热误差等因素,研发一种用于数控机床实时误差补偿的功能模块。该模块可实现与CNC 底层数据实时交互,可实时修改数控系统机床坐标以实现机床误差实时补偿,其最大优点是补偿器与CNC 底层直接通信,补偿的速度和效率高,补偿效果好。

　　1 基于底层通信的实时误差补偿

　　1.1 暋实时误差补偿功能的实现

　　为实现基于CNC 底层通信的实时误差补偿功能,参照GSK 25i 系统的功能模块结构特征,研发基于CNC 底层通信的实时误差补偿功能模块。实时误差补偿功能模块的布局设计成接插板卡的形式,可与GSK 25i 系统母板连接,并作为数控系统基本配置功能模块供用户选择。实时误差补偿功能模块可与CNC 底层实时交互数据,数据传输速率达1Mbit/s 以上,能有效补偿数控机床的多项误差,具有很强的应用价值。

　　图1为实时误差补偿模块结构示意图。基于CNC 底层通信的实时误差补偿功能模块采用DSP 芯片作为主处理单元,可实时读取各控制轴当前机床坐标和各温度布点上的实时温度值,并根据误差模型进行相关补偿量计算;实时误差补偿功能模块还可在初始化阶段读取诸如加工参数、工件材料、是否启用螺距补偿等与补偿执行效果相关的机床加工工艺信息,以实现不同加工条件下的误差补偿。实时误差补偿模块通过温度采集接口与外置温度采集模块连接以实现机床各温度布点的实时温度采集,温度采集模块安装在机床电器控制柜内的导轨上,便于温度传感器线路连接和检查。实时误差补偿模块通过数据交互接口的数据处理芯片(FPGA),按照双方共同制定的通信协议与CNC 进行各种数据交互。

　　图1 实时误差补偿模块结构示意图

　　误差实时补偿模块的外部存储单元选用128MB 以上的Flash 存储器,外部存储单元一方面保存机床的各种误差数学模型,另一方面划分相关区域作为模型数据保存区、监控数据区和修正系数计算区域等。

　　1.2 实时误差补偿的功能模块

　　基于CNC 底层通信的实时误差补偿模块包括温度采集模块、误差补偿模块、数据通信模块和人机交互模块。

　　1.2.1 温度采集模块

　　温度采集模块可选配热电阻型温度采集模块、数字式温度传感器型温度采集模块或无线温度传感器型温度采集模块。温度采集模块的主要功能是实时采集机床各温度布点的实时温度。图2 为温度采集模块结构示意图。

　　图2温度采集模块的结构示意图

　　1.2.2 误差补偿模块

　　误差补偿模块包括主处理器和外部存储器。主处理器采用与目前国内数控系统核心运算单元相匹配的DSP 芯片,采用DSP 编程格式翻译原单片机编制的程序,并根据与CNC 的数据交互模式增加数据监控处理、实时信息保存、修正系数计算、人机界面访问和参数设置等并行线程功能。外部存储器采用大容量RAM 作为插卡式补偿模块外部存储单元,通过合理区域划分,可实现诸如模型数据保存、监控数据和修正系数计算等多种功能;此外,外部存储器还可作为DSP 芯片初始化时的数据访问单元和出厂默认参数存储单元;另外,通过外部存储单元,可保存大量的实际加工信息和补偿信息,并可通过上位机专用访问软件读取这些数据,可作为对实时误差补偿运行效果进一步研究的直接数据资料。

　　1.2.3 数据通信模块

　　GSK25i 数控系统采用GSK-Link 网络通信协议作为各功能模块间的数据交互标准,基于底层通信的实时补偿模块同样沿用GSK-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