轮回式双向螺距误差补偿方法_游华云

图 1 补偿原理
两个补偿表的联合使用实现了双向螺距误差补 偿。 由于采用相同数据建立了丝杠反向间隙表和螺 距误差补偿表 , 保证了测量数据的准确性和可靠性 , 同时大大减少了现场反复测量的工作量 和手工计 算量 。 1. 3 轮回式双向螺距误差补偿设计 根据参考点的位置机床坐标轴具有不同的结构 形式 : 参考点在极限位置处 , 坐标轴具有单方向 (或 正或负 )行程 ; 参考点位于坐标轴中间位置 , 则同时 具有正、负向行程 ; 对于回转轴 , 当运动超过 360 ° 则 位置复现 。 通常要为不同的结构形式建立各自的补 偿控制算法 ,补偿模块的可配置性差 ,为此提出了轮 回式双向螺距误差补偿方法。 轮回特性取决于补偿表位置索引的计算 。 本文 中规定有效行程恒为正 , 对有效行程以外的位置 , 将 反馈位置折算到有效行程范围以内 。 位置索引的统 一算式为 x = f ( X fb , a ) . ( 6) 其中: a 为坐标轴行程 , X fb为反馈位置 (在参考点 两边符号相反 ) , f ( X fb , a )的取值为| 对 a进 a+ X fb| 行求模运算的结果。 下面对该算式对位置索引选取 的适用性进行分析。 1) 具有正向行程的坐标轴 参见图 2, 机床的有效行程为线段 O A , 参考点 为点 O , 对应的补偿范围是线段 O′ A′ (满足 | O′ A′ | = a )。 按照式 ( 6) , 如果编码器的位置处于 AB 段 , 则取 模后 该位 置区 间 的补 偿值 将被 映 射到 线 段 O′ B′ (满足 | O′ B′ | = b )。 同理可以推出反馈位置超 出负向行程极限的情况。
+ + + -
补偿表中查找相匹配的位置。在绝大多数情况下 , 反 馈位置应当在补偿表中相邻两个补偿点之间 。 数控 系统在这两个补偿点之间进行线性插值 , 得到当前 伺服周期的补偿值: C ( x ) = - Em X
m + 1
Xm ( Em+ - Xm
1
- Em ) . ( 5)
其中 : X m < x < X m+ 1 , 0 < m < m+ 1 < n。 然后利用这个补偿值对坐标位置进行修正 , 使 之与指令位置保持一致。 参见图 1 。
图 2 具有正向行程的坐标轴
计、 选型 、安装和调试后 , 这些指标均可达到较高的 精度及保持性 , 而传动机构的反向间隙和螺距误差 对定位误差的影响相对突出。 因此对这两种误差进 行补偿 ,对于提高机床的加工精度至关重要。 机床精度补偿问题贯穿了机床的整 个寿命周 期。 统计资料表明
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, 80 % 以上的新机床在安装
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游华云 , 叶佩青 , 汪劲松 , 杨开明
(清华大学 精密仪器与机械学系 , 北京 100084)
摘 要 : 为了提高传统补 偿方法的精度和适 应性 ,在一 台商 品化立式加工中心上开发开放式结构数 控系统 ,提出了 轮回 式双 向螺距误差 补偿方法 , 有效地 将直线轴 、 回转 轴的误 差 补偿问题统一起来 。分别应用传统螺距误差补 偿方法和该文 提出的补偿方法对机床进行了补偿 ,并对补偿结果进行 了比 较 。 应用 本 方法 补 偿 后 , X 轴 定 位精 度 从 43 μm 提 高 到 6μm , 反向 间隙从 28 μm 减小 到 2 μm , 补 偿前后 加工试 件 的圆度误差从 83μm 降低到 7μm。 结果表明 , 这种方法比传 统方法更准确更快捷 , 使补偿系统更具适应性 。 关键词 : 数控机床及 其加工 ; 定位 精度 ; 加工 精度 ; 双向 螺 距误差补偿 中图分类号 : T G 659 文献标识码 : A
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文章编号 : 1000-0054( 2003) 11-145604
, 它使
Rollover bi- directional pitch error compensation
YOU Huayun , YE Peiqing , WANG Jinsong , YANG Kaiming ( Department of Precision Instruments and Mechanology, Ts inghua Uni versi ty, Bei jing 100084, Chi na) Abs tract : Lead screw accuracies in com put er numeri cal cont rol ( CN C) sys t ems w ere i mproved using rol lover bi -di recti onal pi t ch erro r compensati on. Th e method was i mplement ed in an open archit ect ure CN C sys tem on a commercial v erti cal machining cent er. Th e s yst em compensat es f or errors i n th e li near axis and th e rotat ional axis i n th e same w ay. W i th t he propos ed m et hod, th e X -axi s posi ti oni ng accuracy in th e verti cal mach ining cent er w as i mproved f rom 43μ m t o 6μ m and t he back las h was red uced f rom 28 μ m to 2μ m. The machi ned sample 's roundn ess error w as reduced f rom 83μ m t o 7μ m by th e compensati on. The res ul ts sh ow th at th e proposed method is m uch easi er t o i mplement , mo re f lexi ble and more accurate than t radi tional meth od s. Key words : numeri cal cont rol machin e tool and machi ning; positi oning accuracy; machi ning accuracy; bi-di rectional pi tch comp ensat ion
得机床能够加工出高于机床本身精度的工件 , 从而 实现 “不用精密设备的精密加工 ” [1 ]。 传统数控系统 通常在坐标轴的整个行程内采用单一的反向间隙 , 结合正向螺距误差补偿来提高坐标轴在正反两个方 向上的定位精度 。 实际上由于制造 、安装以及弹性变 形等原因丝杠螺母副在整个行程上的反向间隙处处 不等 , 反向定位精度无法得到有效的补偿。 本文针对丝杠和数控转台两种传动机构提出了 统一的轮回式双向螺距误差补偿方法 , 大大提高了 坐标轴的双向定位精度。
时只有经 过现场调 试才能 达到设 计的技 术指标 ; 80 % 以上投入生产的机床在使用一段时间后 , 均在 超性能和超承受能力状况下运转 , 定期检测机床的 误差并及时校正反向间隙、 螺距等能够切实改善机 床精度 ,改善零件加工质量 [4 , 5] 。 采用带误差补偿功能的半闭环数控机床是提高 加工精度 、降低成本的一种行之有效的方法
1 轮回式双向螺距误差补偿原理与实现
1. 1 传统补偿方法及其不足 补偿内容包括传动机构的反向间隙 和螺距误 差。 机械传动链在改变运动方向时 , 由于存在反向间 隙 ,将导致伺服电机空转而工作台无实际位移 。 现代 数控机床普遍采用伺服电机直接驱动滚珠丝杠来进
收稿日期 : 2002-12-17 基金项目 : 国家 “ 八六三 ” 高技术项目 ( 863-2001 A A423260) 作者简介 : 游华云 ( 1974-) , 男 (汉 ) , 河南 , 博士研究生 。 通讯联系人 : 汪劲松 , 教授 , E-mai l : wangjs@ t singh ua. edu. cn
对于半闭环数控机床 , 机床的定位误差占整个 加工误差的 50 % ～ 60 % [1 ]。 而影响机床定位精度的 主要因素有机床几何精度、 伺服控制精度、 测量系统 的精度以及环境温度波动等 。 对机床零部件经过设
游华云 , 等 : 轮回式双向螺距误差补偿方法
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行轨迹控制 , 但滚珠丝杠的螺距不可能绝对准确 , 加 上热、 摩擦以及扭矩等的作用 , 势必存在误差 , 直接 导致机床定位误差 。 在目前的数控系统中 , 通常在丝杠的整个行程 上 , 预先测得平均反向间隙值。 当坐标轴改变方向 时 , 将反向间隙值加到反馈位置增量中 ,以补偿因反 向间隙引起的空走行程 , 从而使坐标轴在正反方向 的定位精度保持一致。 然后对正向螺距误差进行补 偿 , 使坐标轴正向行程的实际位置与指令位置的偏 差尽可能小。由于正反向定位精度的一致性 , 因此反 向定位精度得到保证。 这种方法假定丝杠反向间隙处处相等 , 偏离实 际情况 , 补偿效果差 , 而 且需要反复多次测量和计 算 , 补偿工作量较大。 本文提出的双向螺距误差补偿 方法可以通过一次性测量 , 实现对正 、反方向的螺距 误差补偿 , 有效地解决了丝杠反向间隙处处不等的 问题 ,获得了更高的补偿精度。 1. 2 双向螺距误差补偿 该方法的基本原理如下 : 1) 测量实际位置 。根据数控系统负载情况确定 每个坐标轴的补偿点数 n , 从而确定各坐标轴的补 偿间隔 S。 以坐标轴的参考点为测量基准点 , 分别 以 S 为间隔测量各补偿点的实际位置 , 正反两个方 向分别测量若干组数据 。 最后计算得到正反方向两 组实际位置的平均值 X mea、 X mea: X m ea = { X i | i = 0, 1,… , n } , X m ea = { X i | i = 0, 1,… , n }.
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显然 , 两组误差值均为由反馈元件的反馈信息
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清 华 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )
2003, 43( 11)
备。 为了排除其他因素干扰 , 确保针对反向间隙、 螺 距误差测量数据的有效性 , 应做如下准备工作 : 测量前使机床和环境恒温 5 h , 测量过程中环 境温度保持在 ( 20 ± 5) ℃。 调整 X 轴伺服系统的位 置控制环及速度控制环 , 使 X 轴的运动无超调 , 并
ISSN 1000-0054 清华大学学报 ( 自然科学版 ) 2003年 第 43 卷 第 11期 CN 11-2223 /N J Tsingh ua U niv ( Sci & Tech ) , 2003, V o l. 43, N o. 11
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轮回式双向螺距误差补偿方法
( 1) ( 2)
2) 计算误差值。将这些补偿点正反方向实际位 置的平均值输入到数控系统 。 系统将正向实际位置 平均值 X mea与指令位置序列 X i 相比较 ,得到一组螺 距误差值: E pitch = { X i - X i | i = 0, 1, … , n }.
+ +
( 3)
将反向位置平均值与正向位置平均值相比较 , 得到一组反向间隙值 E bk: E bk = { X i - X i | i = 0, 1,… , n }. 计算所得位置 (即编码器位置 )的函数 。 3) 建立补偿表。在数控系统的存储单元中开辟 两块存储区域 , 分别填入丝杠反向间隙补偿值序列 和螺距补偿值序列 。 4) 实施双向螺距误差补偿。 数控系统在每个伺 服周期均进行误差补偿 , 以获得最大速度和最高精 度。 以位置反馈元件的反馈位置为索引 ,分别在两个