基于LPC2 114三軸數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)研究

吳文進(jìn)，汪洪波，查長禮，陳世軍

（1.安慶師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院，安徽 安慶 246011；2.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)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(jī)床的需求將不斷提升.目前，歐美發(fā)達(dá)國家金屬切削機(jī)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(jī)床年均增速為34.3%，明顯快于普通機(jī)床的增速.工業(yè)的發(fā)展一方面對數(shù)控機(jī)床的需求量迅速增長，另一方面需要對現(xiàn)有機(jī)床的加工精度進(jìn)行進(jìn)一步提高.根據(jù)我國目前的經(jīng)濟(jì)狀況，充分利用數(shù)控機(jī)床現(xiàn)有的生產(chǎn)條件，經(jīng)濟(jì)而有效地提高產(chǎn)出數(shù)控機(jī)床的加工精度是一個非常有價值的研究課題.

誤差補(bǔ)償?shù)膫鹘y(tǒng)方法有硬件補(bǔ)償法和軟件補(bǔ)償法.硬件補(bǔ)償方法是利用專用的硬件模塊來進(jìn)行誤差補(bǔ)償.考慮生產(chǎn)的安全性和工作的穩(wěn)定性，目前數(shù)控機(jī)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(jī)床系統(tǒng)結(jié)合難度很大，改造困難、費(fèi)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(jī)床生產(chǎn)和應(yīng)用的具體情況.軟件誤差補(bǔ)償方法是依據(jù)機(jī)床的具體幾何誤差模型，利用軟件自動生成適用于該機(jī)床的誤差補(bǔ)償算法.為了提高原有三軸數(shù)控機(jī)床的加工精度，同時又降低設(shè)備改造成本，本文設(shè)計(jì)了以LPC2114芯片為核心的誤差補(bǔ)償裝置，將硬件集成電路和軟件誤差補(bǔ)償思想兩者結(jié)合起來，完成誤差補(bǔ)償?shù)娜蝿?wù)，使得加工件的幾何尺寸誤差進(jìn)一步減小[1-5].

1 三軸數(shù)控機(jī)床基本結(jié)構(gòu)

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

圖1 三軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)框圖

機(jī)床本體由主軸傳動裝置、進(jìn)給傳動裝置、床身、工作臺以及輔助運(yùn)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(jī)系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心，由信息的輸入、處理和輸出三個部分組成；上位機(jī)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(jìn)行加工處理[6-7].

2 三軸數(shù)控機(jī)床幾何誤差建模

2.1 理想成形函數(shù)與運(yùn)動約束方程

設(shè)刀具成形點(diǎn)在刀具坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)為:

Pt=(PtxPtyPtz1)T,

那么，刀具成形點(diǎn)在工件坐標(biāo)系內(nèi)的理想成形函數(shù)為:

其中x,y,z為機(jī)床內(nèi)部兩兩垂直的進(jìn)給運(yùn)動軸，并由此確立坐標(biāo)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(yùn)動的刀具成形點(diǎn)的位置約束方程為:

Pw0=Pline.

2.2 真實(shí)成形函數(shù)與運(yùn)動約束方程

在工件坐標(biāo)系內(nèi)，刀具成形點(diǎn)的真實(shí)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(diǎn)的真實(shí)位置約束方程為:

Pw=Pline.

2.3 幾何誤差模型

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

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

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)的任務(wù)包括主機(jī)外設(shè)、外擴(kuò)存儲器電路、按鍵電路、系統(tǒng)復(fù)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(jī)的通訊方式，其中上位機(jī)是工控機(jī)，下位機(jī)是系統(tǒng)誤差補(bǔ)償裝置.上位機(jī)通過通信接口電路向下位機(jī)發(fā)送數(shù)控加工程序，通信采用MODULBUS通信協(xié)議.下位機(jī)芯片LPC2114接收到數(shù)控加工程序后，利用誤差補(bǔ)償控制程序生成補(bǔ)償后的精密加工代碼，再通過通信接口電路返回給上位機(jī).上位機(jī)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(jìn)行精密加工處理，以達(dá)到誤差補(bǔ)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(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)工作參數(shù).系統(tǒng)具備軟件和硬件復(fù)位功能.為使誤差補(bǔ)償控制裝置工作穩(wěn)定，提高其抗干擾能力，設(shè)計(jì)過程中增加了硬件和軟件抗干擾措施[11-12].

圖2 誤差補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

4 誤差補(bǔ)償軟件設(shè)計(jì)

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(jìn)行編寫，C語言程序的特點(diǎn)是可以進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)清晰、功能明確、編寫簡便、易于擴(kuò)展和維護(hù).這里誤差補(bǔ)償系統(tǒng)軟件運(yùn)用C語言編寫，采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，主要功能模塊包括：主程序、誤差補(bǔ)償處理子程序、通信處理子程序、外擴(kuò)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(fù)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(kuò)存儲器和根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)志位調(diào)用各功能子程序進(jìn)行控制.誤差補(bǔ)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(kuò)存儲器.通信處理子程序是執(zhí)行誤差補(bǔ)償裝置與工控機(jī)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(bǔ)償裝置任務(wù)，另一方面執(zhí)行從外擴(kuò)存儲器讀取幾何誤差補(bǔ)償后的精密加工指令并傳輸給工控機(jī)系統(tǒng)任務(wù).液晶顯示子程序是實(shí)現(xiàn)對運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時顯示功能.系統(tǒng)復(fù)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(jì)通過系統(tǒng)復(fù)位模塊來實(shí)現(xiàn).

圖3 主程序流程圖

5 誤差補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)某企業(yè)的現(xiàn)有生產(chǎn)條件，將該誤差補(bǔ)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(dá)到3000 r/min.通過實(shí)際加工圓盤狀零件對補(bǔ)償結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)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(bǔ)償前和補(bǔ)償后的加工指令在該銑床上對其進(jìn)行實(shí)際加工，然后，測量補(bǔ)償前和補(bǔ)償后所加工的圓柱面圓度誤差數(shù)值大小.實(shí)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(bǔ)償前的27.0 μm，降到幾何誤差補(bǔ)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(jī)床幾何誤差模型，給出了誤差補(bǔ)償系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，通過系統(tǒng)軟件來實(shí)現(xiàn)幾何誤差補(bǔ)償.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明補(bǔ)償后的三軸數(shù)控機(jī)床加工精度得到了進(jìn)一步提高.同時該幾何誤差補(bǔ)償系統(tǒng)開發(fā)成本低，且易于擴(kuò)展和升級，在同類數(shù)控機(jī)床均可應(yīng)用，可提高生產(chǎn)效益.

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