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摘要：使用超精密數控機床加工零件時，應用誤差補償技術能夠顯著提高加工精度。本文首先概述了數控機床的誤差補償原理和誤差補償流程，在此基礎上通過仿真實驗，證明了使用誤差補償技術后，數控機床的實際加工軌跡更加趨近于理想軌跡，進一步提高了加工精度。隨后設計了基于UMAC控制器的超精密數控機床控制系統，并進行了PID參數調試，確保機床運動特性最佳。最后驗證了系統基本功能，確保數控系統的點動功能、狀態監視功能等均可以正常實現。
關鍵詞：超精密數控機床；誤差補償技術；UMAC控制器；狀態監視
0引言
在我國制造業向高端轉型背景下，對工業零件的柔性化和精密化加工要求越來越高。數控機床不僅實現了自動化加工，而且能大幅度提升零件加工精度。其中，伺服性能、結構參數、傳動特性、生產環境等因素都會對數控機床的加工精度產生影響。要想實現超精密加工，現階段常用的方法有誤差防止和誤差補償兩種。前者是通過提高各項精度指標，例如機床運動部件的設計精度、加工精度、運動精度，將誤差控制在允許范圍之內，其成本較高。相比之下，誤差補償則是在掌握機床誤差數據的前提下，修改數控加工代碼補償加工誤差，操作起來更加方便，實用性更強。
1超精密數控機床誤差補償技術
1.1數控機床誤差補償原理
超精密數控機床誤差補償主要分為兩種形式，即硬件誤差補償、軟件誤差補償。在生產實踐中，硬件誤差補償受到諸多限制，例如需要更改機械結構，增加了成本；加工精度的優化范圍有限，經常會出現補償之后仍然達不到精度要求的情況。相比之下，軟件誤差補償則具有操作簡便、成本較低、精度提升明顯等一系列優勢。其補償原理為：在不改變數控機床機械結構的前提下，測量獲得機床誤差數據，將誤差補償量運算到修改加工代碼中，通過軟件控制實現對加工誤差的補償。軟件誤差補償中綜合運用了傳感器技術、數控技術、計算機技術，在保證加工精度符合要求的基礎上，可以實現零件的高效率、批量化生產。本文所述的超精密數控機床誤差補償流程如圖1所示。在應用軟件誤差補償技術時，首先要根據待加工零件的外形輪廓，規劃走刀路線。按照該路線可以得到理想狀態下的數控機床加工指令，但是該數控指令中并不包含機床實際加工時存在的運動誤差。因此，還需要通過誤差補償技術計算出運動誤差，以便于提高誤差補償效果。刀具路線得到數控指令后，查詢各點運動數值處的誤差值，即可生成機床的實際運動模型。對比刀具的實際運動軌跡和理想運動軌跡，即可直觀地判斷兩者之間存在的誤差。然后執行一次判斷程序，判斷實際測得誤差是否小于允許誤差。如果判斷結果為“否（N）”，則修改數控指令后，重新構建實際機床運動模型，重復上述步驟并進行再次對比，直到判斷結果為“是（Y）”，說明加工精度達到要求，則終止此次誤差補償。
1.2數控機床誤差補償仿真
為了進一步驗證軟件誤差補償的應用效果，在仿真軟件上進行了模擬試驗。仿真軟件的參數設置界面上，可手動輸入對刀坐標（x，y）、理想工件坐標系原點（Fx，Fy，Fz）、工件坐標系中坐標（Gx，Gy，Gz）等。在仿真實驗開始后，首先輸入對刀坐標、工件輪廓坐標，這樣通過軟件自動計算后可以得出理想工件坐標系中的坐標原點以及實際工件坐標系原點。通過數控機床誤差辨識，得到對應機床坐標的X軸6項誤差和Z軸6項誤差。根據仿真軟件計算、提供的工件坐標系原點和各項運動誤差，可以根據工件所需的加工精度，進行補償計算并得出實際刀具路徑。另外，在補償計算中還能得到補償前、補償后待加工零件在機床坐標系、工件坐標系中的具體坐標。這樣一來，就可以在仿真軟件的顯示頁面上直觀地了解補償前后工件坐標變化。在完成補償計算后，還能通過誤差辨識數據庫模塊，調用內部數據并進行線性擬合，得到各項誤差的擬合曲線。設定某零件的加工路徑為“沿X軸行進30mm，沿Z軸行進30mm”，可以達到一條與X軸呈45°角的直線，每隔1mm取點進行補償計算，將補償前后的走刀軌跡與理想的走刀軌跡進行對比，如圖2所示。結合圖2可知，在誤差補償前數控機床的走刀軌跡與理想軌跡相差明顯；在誤差補償后，數控機床的走刀軌跡向理想軌跡靠攏，說明工件實際加工精度趨近于預期精度，誤差補償效果良好。
2超精密數控機床誤差補償系統的設計搭建
2.1基于UMAC控制器的數控機床系統搭建
UMAC是DeltaTau的系統級控制器，可根據用戶需要配置個性化的UMAC系統，同時還能提供高速SUB、MACRO等完備的通訊方式，保證UMAC控制器與主計算機之間進行穩定的信息傳遞。本文設計的超精密數控機床系統采用UMAC控制器搭建全閉環伺服系統。其中，UMAC控制器共有4個運動軸通道，系統設計中選擇3個通道，分別對應了機床的X軸、Z軸和電動軸。確保UMAC控制器發出的控制指令能夠從通道快速傳遞至運動軸，完成相應的動作。三軸運動裝置控制系統的結構組成如圖3所示。該控制系統中，X軸和Z軸分別沿著導軌做定向的直線運動。導軌上安裝有光柵尺，可以用于采集導軌上X軸與Z軸的運動信息。同時利用通信裝置將采集到的位置信息實時反饋給該系統中的控制器、驅動器，形成閉環控制。
2.2PID參數調節
為了保證超精密數控機床的運動特性、伺服特性達到理想狀態，需要借助于UMAC控制器對各個控制環節的變量進行調節，本文提出了一種基于PID控制算法的UMAC控制器參數調節方法。PID控制算法作為一種尋求最佳系統控制特性的常用算法，其原理是：設定積分環節是否加入的條件，如果出現大的偏差，則不加入積分環節，并通過參數調節的方式縮小偏差。當大偏差減小到一定程度后，再次進行判定，如果偏差（|e（k）|）在允許的閾值（ε）之內，則加入積分環節。PID控制算法可表示為：上式中，Kd表示微分系數，Kp表示比例系數，Ki表示積分系數。K為變量，表示在該系統中進行積分處理的時間?；赑ID控制算法的UMAC控制器被廣泛應用于數控機床的多軸控制中，并且能夠做到效率與精度的兼顧。在PID參數調整中，可支持手動、自動兩種模式。在實際生產中，自動整定雖然能夠快速得到一組理想PID參數，但是也有可能存在整定參數超出電機額定性能的情況，電機長時間處于超負荷運行狀態將會增加發生故障的概率。因此PID參數整定中一般選擇手動調節。另外，考慮到本文設計的數控機床三軸統一采用了氣浮機構，因此在每次開機運行前必須要認真檢查X軸、Z軸、電動軸是否均已通氣。對于不能正常通氣的要排查故障、在完成通氣后再運行。之后檢查UMAC控制器和主計算機之間的通信是否正常，確定不存在異常后開始啟動PID進行軟件調試。根據調試結果重新修改PID參數。調試軟件支持階躍信號、斜坡信號、梯形信號等七種信號源，用戶可根據實際情況自定義選擇。本系統為了提高動態性能選擇了階躍信號（PositionStep），其優勢在于調節測試系統的跟隨誤差，保證速度前饋系數和加速度前饋系統能夠靈活調節。
2.3數控系統軟件開發
基于UMAC控制器開發超精密數控機床系統。由于UMAC控制器配套的Pcomm32.dll動態鏈接庫中包含了許多類函數，為系統開發提供了便利，在VC++10.0環境下完成系統開發。其中UMAC卡與PC機之間用通訊裝置完成指令的下達和信息的反饋，另外還提供了板卡開閉、狀態顯示等功能。整個數控系統可提供的功能有電機回零、電機電動、運行狀態監視、NC代碼下載、自動運行控制等。系統整體架構如圖4所示。在完成系統搭建后，逐步進行各功能驗證：①上位機與下位機之間的通訊功能。調用動態鏈接庫中的OpenPmacDevice9（）函數檢查通訊功能。在上位機上編輯并發送指令，如暫停運行指令，下位機接收該指令后運行數控程序中的暫停程序，正在進行工件加工的刀具暫停運行。同時觀察UMAC面板上“運動狀態”一欄顯示“暫停”。說明上位機可以正常向下位機發送控制指令，下位機能夠正常反饋指令執行情況，相互之間通訊正常。②數控系統的點動功能。進入系統的點動功能菜單，涵蓋了X軸正方向運動“X+”、X軸負方向運動“X-”、Z軸正方向運動“Z+”和Z軸反方向運動“Z-”四個選項。驗證功能時，從菜單中點擊“X+”時，觀察到X軸沿著導軌向正方向運動一段距離，松開按鈕后X軸停止運動，其他3個選項同樣如此，說明數控系統的點動功能正常。③運行狀態監視功能。監視內容包括運動軸狀態信息和安全信息。當機床運動軸在機床坐標系中的位置、速度發生變化后，在UMAC顯示界面可同步展示變化后的位置信息、速度信息。同時，在運動軸正常運行時顯示為綠色，到運動軸達到最大行程后顯示紅色，同時強制執行電機停機指令，防止電機燒壞。
3結語
超精密數控機床由于對工件的加工精度有更高的要求，因此在實際生產中需要借助于誤差補償技術，通過實時收集刀具的實際運動軌跡，與理想運動軌跡進行對比。如果兩者之間的誤差太大，則重新修改參數，再次進行加工，經過反復多次的誤差補償后，直到實際運動軌跡趨近于理想運動軌跡，兩者之間的誤差符合加工精度要求。在此基礎上基于UMAC控制器搭建數控系統，在保持加工精度的前提下，可以實現點動加工、自動回零、狀態監視等功能，進一步提高了數控機床高精度、自動化加工水平。
作者：彭鳴 單位：上海筑東機電工程技術服務有限公司
