基于LPC2 114三軸數(shù)控機床誤差補償技術(shù)研究

吳文進，汪洪波，查長禮，陳世軍

（1.安慶師范學院 物理與電氣工程學院，安徽 安慶 246011；2.合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院，合肥 230009）

隨著我國產(chǎn)業(yè)升級、結(jié)構(gòu)調(diào)整的不斷深入，來自航空航天與軍工、汽車、造船、電子等高端制造業(yè)對高精度數(shù)控機床的需求將不斷提升.目前，歐美發(fā)達國家金屬切削機床的產(chǎn)值數(shù)控化率在80%以上，產(chǎn)量數(shù)控化率在60%以上.國內(nèi)數(shù)控機床年均增速為34.3%，明顯快于普通機床的增速.工業(yè)的發(fā)展一方面對數(shù)控機床的需求量迅速增長，另一方面需要對現(xiàn)有機床的加工精度進行進一步提高.根據(jù)我國目前的經(jīng)濟狀況，充分利用數(shù)控機床現(xiàn)有的生產(chǎn)條件，經(jīng)濟而有效地提高產(chǎn)出數(shù)控機床的加工精度是一個非常有價值的研究課題.

誤差補償?shù)膫鹘y(tǒng)方法有硬件補償法和軟件補償法.硬件補償方法是利用專用的硬件模塊來進行誤差補償.考慮生產(chǎn)的安全性和工作的穩(wěn)定性，目前數(shù)控機床內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)一般都是封閉的，硬件模塊與已有機床系統(tǒng)結(jié)合難度很大，改造困難、費用高且通用性差，違背了數(shù)控系統(tǒng)向開放式發(fā)展的大趨勢，不符合我國目前數(shù)控機床生產(chǎn)和應(yīng)用的具體情況.軟件誤差補償方法是依據(jù)機床的具體幾何誤差模型，利用軟件自動生成適用于該機床的誤差補償算法.為了提高原有三軸數(shù)控機床的加工精度，同時又降低設(shè)備改造成本，本文設(shè)計了以LPC2114芯片為核心的誤差補償裝置，將硬件集成電路和軟件誤差補償思想兩者結(jié)合起來，完成誤差補償?shù)娜蝿?wù)，使得加工件的幾何尺寸誤差進一步減小[1-5].

1 三軸數(shù)控機床基本結(jié)構(gòu)

三軸數(shù)控機床由機床本體、測量反饋裝置、進給驅(qū)動裝置、主軸驅(qū)動裝置、輔助裝置、進給伺服單元、主軸伺服單元、電氣控制裝置、PLC、上位機系統(tǒng)、操作面板和外加的系統(tǒng)誤差補償裝置.結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 三軸數(shù)控機床結(jié)構(gòu)框圖

機床本體由主軸傳動裝置、進給傳動裝置、床身、工作臺以及輔助運動裝置、液壓氣動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻裝置等組成.上位機系統(tǒng)是數(shù)控機床的核心，由信息的輸入、處理和輸出三個部分組成；上位機系統(tǒng)接受加工件參數(shù)設(shè)定和測量反饋信息，經(jīng)過系統(tǒng)控制軟件和相應(yīng)邏輯電路處理后，將各種加工指令信息輸出給伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)驅(qū)動執(zhí)行部件對工件進行加工處理[6-7].

2 三軸數(shù)控機床幾何誤差建模

2.1 理想成形函數(shù)與運動約束方程

設(shè)刀具成形點在刀具坐標系內(nèi)的坐標為:

Pt=(PtxPtyPtz1)T,

那么，刀具成形點在工件坐標系內(nèi)的理想成形函數(shù)為:

其中x,y,z為機床內(nèi)部兩兩垂直的進給運動軸，并由此確立坐標系0-xyz，w代表工作臺單元，t代表刀具夾單元.

設(shè)刀具路線為:

Pline=(PwxPwyPwz1)T,

則理想運動的刀具成形點的位置約束方程為:

Pw0=Pline.

2.2 真實成形函數(shù)與運動約束方程

在工件坐標系內(nèi)，刀具成形點的真實成形函數(shù)為:

其中，α為沿x軸旋轉(zhuǎn)的角位移，β為沿y軸旋轉(zhuǎn)的角位移，γ為沿z軸旋轉(zhuǎn)的角位移.刀具成形點的真實位置約束方程為:

Pw=Pline.

2.3 幾何誤差模型

在實際成形運動中，由于受到機床各機械零件設(shè)計精度、制造和裝配水平、熱變形、運行環(huán)境等各種因素的影響，刀具成形點的真實位置必然會偏離理想位置，產(chǎn)生幾何誤差.刀具成形點的綜合幾何位置誤差即為:

以上成形函數(shù)和誤差表達式中的相關(guān)矩陣，均是根據(jù)多體系統(tǒng)誤差分析的運動學理論推出的三軸數(shù)控機床中任意相鄰體之間靜止、運動的特征矩陣[8-10].

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件設(shè)計的任務(wù)包括主機外設(shè)、外擴存儲器電路、按鍵電路、系統(tǒng)復位電路、液晶顯示和通信接口電路等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示.根據(jù)現(xiàn)有的產(chǎn)品狀況，系統(tǒng)采用上下位機的通訊方式，其中上位機是工控機，下位機是系統(tǒng)誤差補償裝置.上位機通過通信接口電路向下位機發(fā)送數(shù)控加工程序，通信采用MODULBUS通信協(xié)議.下位機芯片LPC2114接收到數(shù)控加工程序后，利用誤差補償控制程序生成補償后的精密加工代碼，再通過通信接口電路返回給上位機.上位機將接收到的精密加工代碼輸出給伺服系統(tǒng)，驅(qū)動執(zhí)行部件對工件進行精密加工處理，以達到誤差補償?shù)男Ч?系統(tǒng)工作電源利用220 V交流電經(jīng)過整流再作直流BUCK變換獲得.系統(tǒng)具有液晶顯示功能，以顯示其運行狀態(tài)和相關(guān)工作參數(shù).系統(tǒng)具備軟件和硬件復位功能.為使誤差補償控制裝置工作穩(wěn)定，提高其抗干擾能力，設(shè)計過程中增加了硬件和軟件抗干擾措施[11-12].

圖2 誤差補償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

4 誤差補償軟件設(shè)計

LPC2114是以ARM7為內(nèi)核.ARM7內(nèi)核芯片應(yīng)用系統(tǒng)軟件一般用C語言來進行編寫，C語言程序的特點是可以進行模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)清晰、功能明確、編寫簡便、易于擴展和維護.這里誤差補償系統(tǒng)軟件運用C語言編寫，采用模塊化程序設(shè)計思想，主要功能模塊包括：主程序、誤差補償處理子程序、通信處理子程序、外擴存儲子程序、系統(tǒng)狀態(tài)指示子程序、液晶顯示子程序、按鍵處理子程序，系統(tǒng)時鐘和系統(tǒng)復位子程序.主程序流程圖如圖3所示.

主程序主要是初始化系統(tǒng)寄存器、配置I/O端口和通用定時器、顯示初始化、按鍵初始化、配置串口、系統(tǒng)中斷設(shè)置、配置外擴存儲器和根據(jù)運行狀態(tài)標志位調(diào)用各功能子程序進行控制.誤差補償處理子程序是根據(jù)幾何誤差模型完成精密加工指令的生成，并存儲于外擴存儲器.通信處理子程序是執(zhí)行誤差補償裝置與工控機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，一方面執(zhí)行將數(shù)控加工程序傳輸給誤差補償裝置任務(wù)，另一方面執(zhí)行從外擴存儲器讀取幾何誤差補償后的精密加工指令并傳輸給工控機系統(tǒng)任務(wù).液晶顯示子程序是實現(xiàn)對運行狀態(tài)進行實時顯示功能.系統(tǒng)復位子程序是執(zhí)行利用X5043監(jiān)控系統(tǒng)執(zhí)行狀態(tài)和產(chǎn)生出錯報警信號任務(wù)，系統(tǒng)程序的容錯設(shè)計通過系統(tǒng)復位模塊來實現(xiàn).

圖3 主程序流程圖

5 誤差補償實驗驗證

根據(jù)某企業(yè)的現(xiàn)有生產(chǎn)條件，將該誤差補償裝置應(yīng)用于其中一種多功能三軸數(shù)控銑床，該銑床銑削主軸最高工作轉(zhuǎn)速可以達到3000 r/min.通過實際加工圓盤狀零件對補償結(jié)果進行驗證.被加工零件上有三個半徑相差0.8 mm，高度為5.5 mm的圓柱面，分別以補償前和補償后的加工指令在該銑床上對其進行實際加工，然后，測量補償前和補償后所加工的圓柱面圓度誤差數(shù)值大小.實際加工工件的圓度誤差測試結(jié)果表明，加工工件的圓度誤差由補償前的27.0 μm，降到幾何誤差補償后的18.2 μm，精度得到了明顯提高.

6 結(jié)論

根據(jù)三軸數(shù)控機床幾何誤差模型，給出了誤差補償系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，通過系統(tǒng)軟件來實現(xiàn)幾何誤差補償.實驗結(jié)果表明補償后的三軸數(shù)控機床加工精度得到了進一步提高.同時該幾何誤差補償系統(tǒng)開發(fā)成本低，且易于擴展和升級，在同類數(shù)控機床均可應(yīng)用，可提高生產(chǎn)效益.

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