基于步距規(guī)的機(jī)床精度自動(dòng)檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳 芳

(深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，廣州 深圳 518055)

基于步距規(guī)的機(jī)床精度自動(dòng)檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳 芳

(深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，廣州 深圳 518055)

針對(duì)傳統(tǒng)使用步距規(guī)手工對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行位置精度檢測(cè)與調(diào)整引起的工作量大、效率低、精度低等缺點(diǎn)，提出了一種利用數(shù)顯千分表的數(shù)據(jù)輸出功能，集機(jī)床精度檢測(cè)數(shù)據(jù)采集和機(jī)床數(shù)據(jù)傳輸功能為一體的數(shù)控機(jī)床位置精度自動(dòng)檢測(cè)控制系統(tǒng)。討論了該控制系統(tǒng)的原理框圖，分析了系統(tǒng)各部件的作用。開(kāi)發(fā)了上位機(jī)的軟件系統(tǒng)，闡述了軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和實(shí)現(xiàn)原理。給出了系統(tǒng)測(cè)試時(shí)的參數(shù)設(shè)置和運(yùn)行效果。

步距規(guī)；數(shù)顯千分表；數(shù)控；機(jī)床精度檢測(cè)

0.引言

數(shù)控機(jī)床是制造業(yè)的加工母機(jī)，而數(shù)控機(jī)床的精度是衡量先進(jìn)制造業(yè)制造能力和發(fā)展水平的一個(gè)重要標(biāo)志，因此對(duì)數(shù)控機(jī)床精度檢測(cè)與調(diào)整的研究得到了極大的重視[1]。

數(shù)控機(jī)床的精度主要包括幾何精度、位置精度和切削精度。其中位置精度是衡量數(shù)控機(jī)床性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。目前檢測(cè)數(shù)控機(jī)床位置精度的工具有激光干涉儀、金屬線紋尺和步距規(guī)。其中由于步距規(guī)的高精度和低成本的優(yōu)勢(shì)，使得它在數(shù)控機(jī)床制造業(yè)和數(shù)控機(jī)床使用單位都有著廣泛的應(yīng)用[2]。

目前使用步距規(guī)進(jìn)行數(shù)控機(jī)床精度檢測(cè)基本上是采用千分表進(jìn)行分段測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)多次人眼讀數(shù)之后，手動(dòng)記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)，再進(jìn)行大量的手工計(jì)算，計(jì)算出如文獻(xiàn)[3]中國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)機(jī)床定位精度和重復(fù)定位精度的相關(guān)指標(biāo)。如果機(jī)床具有螺距誤差和反向間隙補(bǔ)償功能的，再將誤差補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)手工輸入到數(shù)控系統(tǒng)中去。整個(gè)精度檢測(cè)和補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程中人工干預(yù)多，工作量大，效率低；而且期間容易造成人眼讀數(shù)誤差、手工記錄誤差和人工計(jì)算誤差等主觀因素引起的誤差，造成測(cè)量精度低下等問(wèn)題[4]。

為此本文章旨在設(shè)計(jì)一種利用數(shù)顯千分表，使用步距規(guī)進(jìn)行數(shù)控機(jī)床位置精度自動(dòng)檢測(cè)與調(diào)整的控制系統(tǒng)，來(lái)解決傳統(tǒng)的步距規(guī)精度檢測(cè)的效率低和精度差的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)原理框圖

本控制系統(tǒng)由上位計(jì)算機(jī)、RS232串口擴(kuò)展器、數(shù)控機(jī)床、步距規(guī)、數(shù)顯千分表以及其配套的數(shù)顯量具串口適配器組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體原理框圖

由于大多數(shù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都帶有標(biāo)準(zhǔn)的RS-232C串行接口，同時(shí)一般的數(shù)控機(jī)床也提供RS-232C的串行通信接口與其他設(shè)備進(jìn)行短距離通信，而且數(shù)顯千分表也可以通過(guò)配套的串口適配器進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。因此本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸采用串口傳輸?shù)姆桨浮?/p>

上位計(jì)算機(jī)需要將自動(dòng)生成的精度檢測(cè)程序和誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)通過(guò)RS232串口傳輸給數(shù)控機(jī)床，同時(shí)又要通過(guò)串口接受來(lái)自于數(shù)顯量具串口適配器傳輸出來(lái)的測(cè)量數(shù)據(jù)，因此需要兩個(gè)串口，但是由于現(xiàn)在個(gè)人計(jì)算機(jī)通常只配有一個(gè)物理串口，因此需要使用RS232串口擴(kuò)展器。RS232串口擴(kuò)展器可將個(gè)人計(jì)算機(jī)的一個(gè)物理串口擴(kuò)展為多個(gè)準(zhǔn)串口，供數(shù)控機(jī)床和數(shù)顯量具串口適配器分時(shí)享用。

數(shù)控機(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)RS232通信接口通過(guò)串口擴(kuò)展器擴(kuò)展出來(lái)的第一個(gè)準(zhǔn)串口與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。將步距規(guī)置于機(jī)床工作臺(tái)上，數(shù)顯千分表通過(guò)磁力表座安裝在數(shù)控車(chē)床的刀架上或者數(shù)控銑床的主軸上[5]，數(shù)顯千分表測(cè)量的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)輸出接口輸出到配套的數(shù)顯量具串口適配器。數(shù)顯量具串口適配器一端接容柵數(shù)顯量具的數(shù)據(jù)輸出插口，將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)RS232串口輸出數(shù)據(jù)，另一端接串口擴(kuò)展器的第2個(gè)準(zhǔn)串口相連。

上位計(jì)算機(jī)主要完成對(duì)數(shù)顯千分表的數(shù)據(jù)采集，對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理以及與數(shù)控機(jī)床的數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

1.2 RS232串口擴(kuò)展器

RS232串口擴(kuò)展器是采用武漢波仕電子有限公司提供的4232A型RS232一變四擴(kuò)展器。RS232一變四擴(kuò)展器用于將PC機(jī)的一個(gè)RS232串行口分時(shí)擴(kuò)展成四個(gè)準(zhǔn)RS232串行口。本系統(tǒng)只使用了第一個(gè)和第二個(gè)準(zhǔn)串行口，另外兩個(gè)可作為系統(tǒng)功能擴(kuò)展再用。準(zhǔn)RS232串行口只有TXD(發(fā)送)、RXD(接收)、GND(信號(hào)地)三個(gè)信號(hào)。4232A無(wú)需外接電源?？梢酝ㄟ^(guò)軟件指令設(shè)置來(lái)分時(shí)選通四個(gè)下位機(jī)RS232口。

1.3 數(shù)顯量具及專(zhuān)用適配器

系統(tǒng)采用桂林廣陸數(shù)字測(cè)控股份有限公司生產(chǎn)的數(shù)顯千分表和配套的Win-1型接口數(shù)據(jù)采集適配器。

其數(shù)據(jù)采集適配器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示：

圖2 數(shù)顯量具適配器示意圖

適配器的四芯插頭接容柵數(shù)顯千分表的數(shù)據(jù)輸出接口，RS232九芯插頭接串口擴(kuò)展器的2號(hào)準(zhǔn)串口。

觸發(fā)適配器上的采集按鍵，則輸出采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集適配器數(shù)據(jù)輸出協(xié)議為：4800波特率，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)校驗(yàn)。數(shù)據(jù)以ASCII碼(即文本格式)發(fā)送，每個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)束后以回車(chē)符結(jié)束。

1.4 數(shù)控系統(tǒng)RS232標(biāo)準(zhǔn)通信接口

現(xiàn)在的數(shù)控系統(tǒng)通常都具有標(biāo)準(zhǔn)的RS232通信接口，可以與普通外設(shè)進(jìn)行串行通信。以FANUC 0i系列數(shù)控系統(tǒng)為例，其CNC側(cè)串口按照標(biāo)準(zhǔn)25芯插座接線[6]，因此還需要制作一根DB25到串口擴(kuò)展器的第2個(gè)準(zhǔn)DB9串行接口的轉(zhuǎn)接線纜，其針腳連接關(guān)系如圖3所示。

圖3 PC與CNC串口連接關(guān)系

當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)與外設(shè)通信，而外設(shè)沒(méi)有使用ER和DR時(shí)，必須把FANUC數(shù)控系統(tǒng)RS232通信接口上的RS和CS信號(hào)短接，ERDR和CD信號(hào)短接,具體可參考FANUC 0i硬件連接手冊(cè)技術(shù)資料[6]。

2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件功能設(shè)計(jì)

本文選用VB為上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。上位機(jī)的串口通訊使用Microsoft公司提供的串口通信編程ActiveX控件MSComm控件[7]，使得編程簡(jiǎn)單方便。

結(jié)合使用步距規(guī)檢測(cè)和調(diào)整數(shù)控機(jī)床位置精度的步驟，該軟件系統(tǒng)的主要功能由以下幾部分組成：精度檢測(cè)程序自動(dòng)生成模塊，文件編輯模塊和與數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)傳輸模塊，千分表數(shù)據(jù)采樣與數(shù)據(jù)分析處理模塊。其軟件功能結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 上位機(jī)軟件功能結(jié)構(gòu)

2.2 精度檢測(cè)程序自動(dòng)生成模塊

根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]，機(jī)床精度檢驗(yàn)程序應(yīng)使運(yùn)動(dòng)部件沿著軸線運(yùn)動(dòng)到一系列的目標(biāo)位置，并在各目標(biāo)位置停留足夠的時(shí)間，以便測(cè)量和記錄實(shí)際位置。機(jī)床應(yīng)按程序以同一的進(jìn)給速度在目標(biāo)位置間移動(dòng)。在行程至2000mm的線型軸線，每米至少選擇5個(gè)目標(biāo)位置。如圖5確定了步距規(guī)，則目標(biāo)位置Pi確定。同時(shí)應(yīng)按圖6標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)循環(huán)圖在所有目標(biāo)位置上進(jìn)行雙向測(cè)量。

圖5 步距規(guī)結(jié)構(gòu)圖

圖6 標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)循環(huán)圖

精度檢測(cè)程序自動(dòng)生成模塊的功能是：首先在軟件界面上選擇數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床測(cè)量軸線，分別輸入步距規(guī)P1～Pi點(diǎn)的尺寸，輸入循環(huán)測(cè)量次數(shù)，進(jìn)給速度，暫停時(shí)間等參數(shù)后可以自動(dòng)生成符合相關(guān)精度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)床精度檢驗(yàn)程序。

2.3 文件編輯和PC與數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)傳輸模塊

文件編輯模塊可以對(duì)自動(dòng)生成的精度檢驗(yàn)程序或者已編好的程序進(jìn)行查看、局部修改和存儲(chǔ)等操作。

PC與數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)傳輸模塊有兩個(gè)作用：第一是將上位機(jī)上編輯好的精度檢驗(yàn)程序傳輸?shù)綌?shù)控機(jī)床中去。第二是將千分表數(shù)據(jù)采樣和處理后得到的螺距誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)和反向間隙補(bǔ)償數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)控機(jī)床中。

與數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)傳輸模塊包括串口參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)發(fā)送。串口參數(shù)設(shè)置首先要通過(guò)MSComm控件使用RTS.Enable=False；DTR.Enable=False語(yǔ)句選中與串口擴(kuò)展器的第1個(gè)準(zhǔn)RS232口通訊。然后再設(shè)定與數(shù)控機(jī)床串口通信協(xié)議一致的參數(shù)。FANUC數(shù)控系統(tǒng)的異步串行通信數(shù)據(jù)格式為：傳輸數(shù)據(jù)格式ASCII碼，波特率9600，7位數(shù)據(jù)位，2位停止位，1位奇偶校驗(yàn)位，為偶校驗(yàn)，其對(duì)應(yīng)代碼為：InputMode=0； Settings=“9600,E,7,2”。

2.4 千分表數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理模塊

千分表數(shù)據(jù)采集主要實(shí)現(xiàn)將數(shù)顯千分表數(shù)據(jù)輸出適配器輸出的串口數(shù)據(jù)采集到上位機(jī)的CListBox控件中。串口參數(shù)設(shè)置首先要通過(guò)MSComm控件使用RTS.Enable=False；DTR.Enable=True語(yǔ)句選中與串口擴(kuò)展器的第2個(gè)準(zhǔn)RS232口通訊。依據(jù)數(shù)據(jù)采集適配器數(shù)據(jù)輸出協(xié)議為串口參數(shù)設(shè)置語(yǔ)句為：InputMode=0；Settings=“4800,N,8,1”。

再根據(jù)測(cè)量出的軸線各目標(biāo)位置Pi的平均位置偏差和軸線的平均反向差值計(jì)算出螺距誤差補(bǔ)償值和反向間隙補(bǔ)償值，然后再生成相應(yīng)格式的螺補(bǔ)文件，供數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)傳輸模塊調(diào)用。

3 系統(tǒng)測(cè)試與運(yùn)行

3.1 數(shù)控系統(tǒng)通信參數(shù)設(shè)置

在系統(tǒng)測(cè)試之前，需要先設(shè)置數(shù)控系統(tǒng)串口通信參數(shù)，F(xiàn)ANUC 0i系統(tǒng)相關(guān)通信參數(shù)如下所示[8]：

PRM No.20=0(使用數(shù)控系統(tǒng)主板上JD36A接口上的RS232C串行口1，并且I/O通道為1)

No.121=00000001(停止位為2)

No.122=0(設(shè)備為RS232C接口)

No.123=11(波特率為9600bps)

3.2 軟件界面

啟動(dòng)軟件，運(yùn)行自動(dòng)生成的精度檢測(cè)程序，啟動(dòng)軟件界面上“采集開(kāi)始”按鈕，其數(shù)據(jù)采集界面如圖7所示：

圖7 數(shù)據(jù)采集畫(huà)面

3.3 測(cè)試方法與測(cè)試效果

下面將使用該自動(dòng)控制系統(tǒng)和使用傳統(tǒng)手動(dòng)測(cè)量?jī)煞N手段利用步距規(guī)對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行精度檢測(cè)和調(diào)整的測(cè)試效率和調(diào)整效果進(jìn)行對(duì)比分析。

(1)自動(dòng)化與手工精度檢測(cè)效率分析

測(cè)試方法：在同一臺(tái)數(shù)控機(jī)床上對(duì)同一個(gè)中等熟練的數(shù)控機(jī)床操作人員使用傳統(tǒng)手工手段和使用自動(dòng)控制檢測(cè)系統(tǒng)手段進(jìn)行精度測(cè)試與調(diào)整，分別記錄所使用的時(shí)間，通過(guò)比較測(cè)試過(guò)程所耗時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)分析測(cè)試效率的高低。

測(cè)試設(shè)備：FANUC 0i數(shù)控銑床，測(cè)試對(duì)象為Y軸的位置精度，Y軸的行程為400mm。

為了公平和計(jì)時(shí)方便，先做好準(zhǔn)備工作再開(kāi)始計(jì)時(shí)。準(zhǔn)備工作包括：步距規(guī)安裝好，機(jī)床對(duì)好刀，設(shè)定好工件坐標(biāo)系，機(jī)床螺距和反向間隙補(bǔ)償數(shù)據(jù)清空等。

兩種手段進(jìn)行精度檢測(cè)與調(diào)整內(nèi)容及耗時(shí)對(duì)比如表1所示。

表1 自動(dòng)化與手工精度檢測(cè)效率分析

由上表測(cè)試數(shù)據(jù)可知，傳統(tǒng)手工進(jìn)行數(shù)控機(jī)床精度檢驗(yàn)與調(diào)整需要時(shí)間大概為25.5min，而使用自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控機(jī)床精度檢驗(yàn)與調(diào)整需要時(shí)間大概為3.8min，測(cè)試的效率明顯提高。

經(jīng)分析，效率提高環(huán)節(jié)主要在于對(duì)原始測(cè)量數(shù)據(jù)的處理，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算可以節(jié)省幾乎一半的操作時(shí)間。效率提高環(huán)節(jié)其次在于數(shù)據(jù)的輸入，系統(tǒng)自動(dòng)傳輸數(shù)據(jù)可大大減少手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入的時(shí)間。

(2)自動(dòng)化與手工檢測(cè)與調(diào)整精度分析

測(cè)試方法：在同一臺(tái)機(jī)床上分別使用傳統(tǒng)手工手段和使用自動(dòng)控制檢測(cè)系統(tǒng)手段利用步距規(guī)進(jìn)行精度檢測(cè)和調(diào)整，比較使用兩種手段調(diào)整后的機(jī)床精度。

測(cè)試手段：為了增加機(jī)床精度測(cè)試的可比性，選用Renishaw ML10激光干涉儀作為第三方測(cè)試手段分別檢測(cè)兩種手段調(diào)整后的機(jī)床精度。

測(cè)試對(duì)象：FANUC 0i數(shù)控銑床，Y軸的位置精度，Y軸行程為400mm，測(cè)量位置0～-360mm，間距40mm，共10個(gè)點(diǎn)。

使用激光干涉儀分別對(duì)兩種手段調(diào)整后的機(jī)床精度進(jìn)行測(cè)試，使用GB/T 17421.2-2000三合曲線標(biāo)準(zhǔn)[3]進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到其數(shù)據(jù)分別如圖8和圖9所示。

圖8 傳統(tǒng)手動(dòng)精度檢測(cè)與調(diào)整后機(jī)床精度數(shù)據(jù)分析

圖9 自動(dòng)控制系統(tǒng)精度檢測(cè)與調(diào)整后機(jī)床精度數(shù)據(jù)分析

由圖8和圖9可知，傳統(tǒng)手段精度調(diào)整后機(jī)床的定位精度A為8.907，自動(dòng)控制系統(tǒng)手段調(diào)整后其定位精度提高到A為4.523；單向重復(fù)定位精度也由原來(lái)的4.321和3.471分別提高到了2.109和1.820。由此可見(jiàn)，用自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行精度調(diào)整后的機(jī)床精度對(duì)比傳統(tǒng)手段有了明顯的提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

上述介紹的利用數(shù)顯千分表的串口數(shù)據(jù)輸出功能，使用步距規(guī)進(jìn)行數(shù)控機(jī)床位置精度檢測(cè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)在本單位已經(jīng)試驗(yàn)成功。該自動(dòng)控制系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)的利用步距規(guī)進(jìn)行手動(dòng)檢測(cè)機(jī)床精度所存在的效率低和精度差的問(wèn)題，具有成本小，自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)，比較適合目前國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)性數(shù)控機(jī)床占多數(shù)的現(xiàn)狀。在此系統(tǒng)基礎(chǔ)上還可以添加其他模塊，用于其他類(lèi)型的機(jī)床精度的檢測(cè)與調(diào)整。

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(編輯 趙蓉)

Design of the CNC Precision Automatic Measurement Control System Based on Step Gauge

CHEN Fang

(School of Mechanical and Electrical Engineering,Shenzhen Polytechnic,Shenzhen Guangzhou 518055,China)

Aimed at the disadvantage of big workload, low efficiency and low accuracy in traditional manual CNC precision measurement with step gauge, a CNC precision automatic measurement control system using digital dial gauge is put forward, which can acquire the measurement data and transmit the CNC data. The system hardware principle diagram is discussed, and the effect of each component is analyzed. The PC software system is developed and its structure and implement method is elaborated. The parameter setting is given and system testing software interface is shown.

step gauge；digital dial gauge；NC；CNC precision measurement

1001-2265(2014)06-0076-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.06.021

2013-10-08；

2013-11-19

深圳市南山區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目：數(shù)控機(jī)床伺服優(yōu)化與機(jī)械精度調(diào)整的研究及應(yīng)用 (KJ02S0210900000155)

陳芳(1977—)，女，湖南桃源人，深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，碩士，主要從事數(shù)控機(jī)床應(yīng)用研究等,(E-mail)chenfangsz@szpt.edu.cn。

TH166;TG659

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