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基于PMAC的数控车床主轴热误差补偿系统研究

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随着数控机床和精密加工的广泛应用，人们对数控机床的加工精度提出了更高的要求，误差补偿技术能有效地提高数控机床的加工精度。所谓的误差补偿控制，就是在获得误差模型之后，把它们反映到机床的实际加工过程中，使刀具和工件在机床工作空间中沿着误差的逆方向产生一定的相对运动，从而实现误差补偿，提高机床的加工精度。

而热误差是数控机床的最大误差源，约占机床总误差的50％，因而减小热误差对提高机床的加工精度至关重要。降低热误差可以通过改进设计、控制温度和误差补偿等方法实现。误差补偿是一种简单而有效的方法，该方法正越来越受到重视。而专用数控系统由于其自身结构的封闭性，研究人员很难在其上进行二次开发，集成热误差补偿功能。本文介绍了基于可编程多轴运动控制器(Programmable Multi-Axis Controller，PMAC)的软件补偿系统，实验证明，该软件补偿系统能实现机床加工过程中的实时热误差补偿，可以大幅度提高机床加工精度。

1 PMAC多轴运动控制器

PMAC是美国Delta Tau Data System公司推出的高性能伺服运动控制器，它是基于工控PC机和Windows操作系统的多轴、多通道开放式运动控制器。PMAC多轴运动控制器能同时控制1—8轴，既可单独执行存储于控制器内部的程序，也可执行运动程序和PLC程序。它还是一台实时的、多任务的计算机，能自动对任务的优先级进行判别。

2 基于PMAC的软件补偿系统

开发的基于PMAC多轴运动控制器的软件补偿系统，其控制方式为半闭环前馈控制，其补偿原理是：利用控制器计算出的补偿值控制刀架的运动，从而保证刀架和主轴的相对位置准确。

2.1 补偿系统控制方式

补偿系统采用半闭环前馈补偿的控制方式，其原理如图1所示。在加工过程中，利用检测到的温度变量和数学模型计算出预测误差，对数控程序中的理论值进行补偿，从而修正加工误差。采用半闭环前馈补偿方式时，选择正确、合理的变量以及建立高精度的模型，是实现实时高精度误差补偿的关键。

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图1 半闭环前馈控制原理图

2.2 补偿系统控制原理

补偿系统的补偿原理如图2所示，其工作过程和功能为首先通过布置在数控车床主轴上的智能温度传感器(DS18B20)实时采集主轴处的温度信号(和热误差有关)，经ARM 处理后，通过输入输出接口把信号送入PC机，PC机根据预先建立的热误差数学模型，结合实时采集的主轴的温度值，运算出补偿值。最后，系统把补偿值(热误差值的相反数)送入CNC控制器，控制器中的PMAC控制卡运行程序，对原数控程序中的刀具的坐标值进行修正，实现补偿。

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图2 热误差补偿控制原理图

图2中的位移传感器(CCD激光位移传感器)用于在空切削过程中检测数控车床主轴的热误差位移，即数控车床由于热变形引起的主轴相对于刀具的热漂移误差，根据主轴的热误差位移数据和相对应的主轴温度数据确定主轴热误差模型参数。而在实际加工过程中，并不需要使用位移传感器。

2.3 补偿系统软件设计

本补偿系统的流程框图如图3所示。首先，输入温度变量数据、主轴热误差数学模型初始化等；第二步，实时采集温度信号；第三步，根据数学模型计算热误差位移值，即获得误差补偿量；最后，将补偿值发送给CNC控制器。如果加工没有结束，则程序再返回到第二步继续执行，如此循环往复，不断地对数控车床主轴的热误差进行实时计算和实时补偿。

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图3 热误差补偿控制系统软件流程框图

在补偿过程中，补偿值输入CNC控制器后，由控制器中的PMAC控制卡将数据读入，对预先输入控制器中的数控加工程序中刀具的坐标值按补偿值进行偏置，从而使误差获得补偿。当加工开始后即开启温度误差补偿线程，每隔1 min便读取一次温度(改变读数周期可以通过改变测温系统的周期来实现)，根据读取的温度值调用函数ComErrorByTemp(double dT2，double dT4，double dT10)计算出热误差值，然后将PMAC卡里的原坐标值进行更新，从而实现热误差的在线实时补偿。

其中PMAC控制卡中用于补偿的子程序为：

P500—— 轴实时热误差位移量
P5O1——Z轴实时热误差位移量
Q124—— 轴实时坐标存储变量
Q126—— Z轴实时坐标存储变量
OPEN PROGRAM1000／／G代码子程序
READ(X，Z)／／读取X，Z轴坐标
Q124＝Q124－P500
Q126＝Q126－P501
RA PID／／快速进刀模式下(C00)的补偿
XQ124ZQ126
RETURN
N1000LINEAR／／直线插补(G1)的补偿
XQ124ZQ126
RETURN／／返回
……

3 补偿效果验证

使用本补偿系统对某型号数控车床主轴热误差进行补偿，经测量(数控车床主轴转速为900r／min时)，测得补偿前后数控车床主轴z轴、轴方向的热误差位移曲线如图4和图5所示。

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图4 Z轴补偿前后热误差变化曲线图

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图5 X轴补偿前后热误差变化曲线图

从图4、5中可看出，该数控车床经补偿后，主轴的热误差位移值大大减少。补偿前后该数控车床主轴热误差位移的最大值、平均值如下表所示。经计算，补偿后数控车床的精度提高了90％以上。

补偿前后主轴热误差最大值与平均值表
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4 结束语

设计的基于PMAC多轴运动控制器的软件补偿系统，通过运行补偿程序，实现数控车床加工在线主轴实时热误差补偿。经验证，该补偿系统实现方便，补偿精度高，在机床工业研究中具有广泛的应用范围和通用性，对进一步提高数控机床的加工精度具有重要的研究意义。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/4/2010)


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