機床測頭測量滯后時間補償的應用研究

王旭, 賈聰聰

（武漢華中數控股份有限公司,武漢 430223）

0 引言

目前，數控機床在工件加工前、加工中和加工后應用觸發式測頭進行測量[1-4]。當探針觸碰到測量點后，反饋以脈沖為單位的實際位置值，但由于系統誤差、測頭擺動滯后和信號延遲等復雜因素影響，測量數據存在誤差。國內外學者對測量誤差的影響因素和如何降低該誤差進行了深入研究，其中姜成偉[5]對測頭測量誤差進行了采集，并加以參數補償；陳芳采[6]用了宏程序計算實際位置與雙向步距規的理論值，得到了測量誤差補償值。白克等[7]通過修改測量速度，校正給定方向上的測頭預行程降低了測量誤差。M. Jankowski等[8]建立了測量誤差的力學模型，并驗證了系統誤差較隨機誤差對測量精度的影響大。

上述方案大多受插補周期影響，只能計算至毫秒級的位置值，且由于觸碰不僅發生在勻速階段，也可能發生在降速階段，大多數方案會將錯誤數據上傳到系統控制器進行計算。因此，本文提出一種測量滯后時間補償的新方法，根據觸碰前和觸碰時的實際位置，以及高速I-O板卡反饋的鎖存時間戳信息，插值計算精確到微秒級的位置值，并緩存觸碰前50個周期的軸反饋脈沖增量，根據需要補償的周期數進行對應脈沖增量補償。

1 測量滯后時間共性說明

為驗證機床測量時滯后時間普遍存在，分別采用Renishaw和Hexagon觸發式測頭對不同機床進行測量分析，以不同進給速度對X、Y、Z三軸進行測量。在此僅列舉其中一臺機床X軸數據作為說明。

由表1可知，以進給速度10 mm/min為基準時，隨著進給速度的提高，位置偏差增大。根據每毫秒的移動量計算位置偏差對應的滯后時間，發現該臺機床存在10個插補周期的滯后時間。

表1 觸碰位置測量分析

2 滯后時間補償方法

2.1 實際位置插值計算

在HIO-1200板卡上開發高速I-O功能，復用底板輸入信號作為高速I-O輸入信號，其占用兩個NCUC從站；增加高速I-O功能后，增加一個從站傳輸高速I-O的采集信息，規劃字節0～1為高速I-O上升沿鎖存時間，字節8為高速I-O狀態寄存器，其定義如表2所示。

表2 高速I-O狀態寄存器定義

基于觸碰時位置值P2與觸碰上周期的位置值P1，根據高速I-O反饋時間戳信息計算鎖存時間Δt（單位μs），進行插值計算得到實際位置P3。

圖1 機床測量滯后時間補償流程

2.2 滯后時間補償方法

首先開啟高速測量補償功能模塊，檢查觸發信號與G31跳段之間的實時性，以低進給速度（不超過30 mm/min）觸碰，將其測量位置作為基準值；然后以不同進給速度和補償周期進行觸碰測量，由于觸碰不僅發生在勻速階段，也可能發生在降速階段，故緩存觸碰前50個插補周期軸反饋的脈沖增量，且考慮編碼器翻轉計數，根據需要補償的周期數進行對應脈沖增量補償。

3 滯后時間補償效果分析

選取一臺配置華中8型的機床，使用Renishaw測頭對其X、Y軸進行觸碰測量，實驗結果對比分析如下。

由圖3可知，隨著進給速度增大，實際位置對基準位置的偏差增大，在0.05～0.35 mm左右；補償7～9個周期后，更接近基準位置值，偏差接近標準0。對該補償段內的數據進行列舉分析，如表3所示。

由表3可知，在補償周期7～9內，對應的位置偏差最大值從0.309 42 mm降至了0.009 66 mm，對應滯后時間從10個周期降至了1個周期內；補償后位置偏差最大值為0.009 66 mm，最小值為0.001 85 mm，且對應不超過1個周期。

表3 X軸不同進給速度下補償效果分析

由圖3可知，將低速10 mm/min作為基準速度時，隨著進給速度的增大，其對基準值的位置偏差增大，在0.05～0.35 mm左右；補償8～10個周期后，位置偏差接近標準0。對該補償段內的數據進行列舉分析，如表4所示。

圖2 X軸不同進給速度下補償前后對比分析

圖3 Y軸不同進給速度下補償前后對比分析

由表4可知，在補償周期8～10內，對應的位置偏差最大值為0.010 530 mm，最小值為0.001 87 mm，且對應的滯后周期數均小于1。

表4 Y軸不同進給速度下補償效果分析

4 結論

1）根據高速I-O板卡反饋的上升沿鎖存時間戳信息，以及觸碰前和觸碰時的實際位置，經插值計算可得到精確至微秒級的位置值，提高了機床測量精度。

2）以進給速度10 mm/min為觸碰基準，隨著進給速度增大，位置偏差增大，約0.05～0.35 mm，對應滯后時間8～10個周期；補償后，偏差接近標準0，且對應不到1個周期，從而顯著降低了測頭測量滯后時間。