（机械电子工程专业论文）xy工作台定位误差动态测量与补偿系统的研究.pdf

摘要 摘要 随着高精密加工技术的不断发展，人们对机床的加工精度提出了越来越高的 要求。而机床的定位精度是影响其加工精度的主要因素之一，所以如何方便实用 的提高机床的定位精度成为现在各个方面都在研究的重要课题。特别是对于开环 和半闭环数控系统，由于开环环节的存在，使得定位精度的进一步提高受到了限 制。对于这类机床其定位精度主要取决于电机的控制精度与进给丝杠的加工精度， 以及受导轨副和丝杠副的摩擦和热变形等因素的影响。本研究课题主要从螺距丝 杠累积误差的动态测量与补偿这个角度来提高数控机床的定位精度，从而满足人 们对数控机床越来越高的加工精度要求。 本文首先综述了国内外电机运动控制算法的研究现状及最新发展，以及螺距 滚珠丝杠误差的动态测量及补偿方法的有关研究。电机的控制精度对螺距丝杠累 积误差的动态测量影响非常大，要想准确的测量出丝杠的螺距累积误差，首先应 该解决x y 工作台的控制问题。常规p i d 控制算法因其原理简单，使用方便，鲁 棒性较强，在工业过程控制中得到了广泛的应用，并取得了良好的应用效果。但 它仅适用于线性系统，而实际工业生产过程中往往具有非线性、时变不确定性， 应用常规的p i d 控制不能达到理想的控制效果。现代控制理论如模糊控制、神经 网络控制等智能控制算法还处于仿真阶段，在线调整比较困难，很难在线实现高 精度控制。综合分析，本文决定对原有p i d 控制算法进行改进来提高系统的控制 精度，从而减小控制对定位精度的影响。积分分离p i d 控制算法既能消除系统的 稳态误差，又能提高系统的响应速度，减小超调，并且在线调整也比较简单。仿 真和实验结果都证明该控制方法能有效地减小x y 工作台系统的超调和振荡，提 高稳态精度。 滚珠螺距丝杠的累积误差是影响x y 工作台定位精度的主要因素。要想减小 它对定位精度的影响，首先应该正确的测量出它的数值，并采取合适的方法进行 补偿。现在常用的动态测量仪器主要是高精密的长光栅，但由于安装等各方面因 素的影响，测量时存在较大的平行度误差。而激光测量仪较精密长光栅具有动态 响应好、平行度误差较小等优点，所以本课题选用激光测量仪代替精密长光栅进 行螺距丝杠累积误差的动态测量和分析。并基于此通过前馈补偿的方法减少螺距 山东大学颁士学位论文 丝杠累积误差对工作台定位精度的影响，提高工作台的定位精度。实验结果证明 该方法能准确的测出丝杠的累积误差，从而能够进行正确的误差补偿，提高工作 台的定位精度。 关键词x y 工作台；积分分离p i d 控制；激光测振仪；动态测量；误差前馈补 偿 i i 摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g he x a c tm a c h i n i n gt e c h n o l o g y , p e o p l eh a v ea d v a n c e d m o r ea n dm o r eh i g hr e q u e s tf o rt h em a c h i n i n gp r e c i s i o no fm a c h i n et 0 0 1 m o r e o v e rt h e o r i e n t a t i o np r e c i s i o no fm a c h i n et o o li so n eo ft h em o s t l yf a c t o r sw h i c ha f f e c ti t s m a c h i n i n gp r e c i s i o n ，s ot h a th o wt oa d v a n c et o o lp o s i t i o np r e c i s i o ne x p e d i e n t l ya n d p r a c t i c a l i t yi sa ni m p o r tt a s kw h i c hi ss t u d i e di ne v e r yr e s p e c tn o w e s p e c i a l l yf o rt h e o p e nl o o pa n dt h eh a l fc l o s e dl o o pn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，b e c a u s et h ee x i s to ft h e o p e nl o o p a c h e p o s i t i o np r e c i s i o ni m p r o v e dm o r ei sl i m i t e d f o rt h i sl 【i i l do fm a c h i n e t o o l st h e i ro r i e n t a t i o np r e c i s i o nm o s t l yl i e so nt h ec o n t r o lp r e c i s i o no fe l e c t r i cm o t o r a n dt h em a c h i n i n gp r e c i s i o no fc u t t i n gf e e ds c r e wr o d ，a l o n gw i t ht h ei n f e c t i o no f f r i c t i o na n dh o td i s t o r t i o no ft h eg u i d e w a yf i ta n ds c r e wr o df i ta n ds oo n t h i ss t u d y t a s ki m p r o v e st o o l sp o s i t i o np r e c i s i o nm o s t l yt h r o u g ht h ed y n a m i cm e a s u r ea n d c o m p e n s a t eo fs c r e wr o dc u m u l a t e de r r o r , s e q u e n t i a l l yt os a t i s f yp e o p l ew i t hm o r ea n d m o r eh i g hm a c h i n i n gp r e c i s i o no fn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et 0 0 1 f i r s to fa l lw es u m m a r i z et h es t u d ys t a t u si nq u oa n du pt ot h em i n u t ed e v e l o p m e n t o ft h ec o n t r o la r i t h m e t i co fe l e c t r i cm o t o ri n s i d ea n do u t s i d ec o u n t r y , a sw e l la st h e r e l a t i o n a ls t u d yo ft h ed y n a m i cm e a s u r ea n dc o m p e n s a t i o no fs c r e wr o de r r o ri nt h i s t e x t t h ec o n t r o lp r e c i s i o no fe l e c t r i cm o t o ra f f e c t st h ed y n a m i cm e a s u r eo fs c r e wr o d c u m u l a t e de r r o rg r e a t l y t h eg e n e r a lp i dc o n t r o l ，b e c a u s eo fi t ss i m p l ep r i n c i p l e 、 c o n v e n i e n c e 、r o b u s t n e s s ，h a sb e e nu s e di nt h ei n d u s t r yp r o c e s sc o n t r o lw i d e l y , a n d a c q u i r eu p s t a n d i n ga p p l ye f f e c t b u ti ti st h es a m e 、) ，i t hl i n e a r i t ys y s t e mo n l y , a n dt h a t t h ep r a c t i c ei n d u s t r yp r o d u c ep r o c e s si sp r o v i d e dw i t l ln o n l i n e a r i t y 、t i m e v a r y i n g n o n d e t e r m i n a c y , d i f f i c u l tt oc o n s t i t u t ea c c u r a t em a t hm o d e l ，t h ep e r f e c tc o n t r o lr e s u l t c a n tr e a c hu n d e rt h er o u t i n ep i dc o n t r 0 1 m o d e mt i m e sc o n t r o lt h e o r i e s ，s u c ha sf u z z y c o n t r o l 、n nc o n t r o la n ds oo n ，s t i l ll o c a t ei ns i m u l a t i o ns t a g e ， a d j u s t i n go nl i ea n d r e a l i z i n gh i g hd e g r e eo fa c c u r a c yc o n t r o lw i t hd i f f i c u l t y t h i st e x tu s e si n t e g r a ls e p a r a t e p i dc o n t r o la r i t h m e t i ct o i m p r o v ei n h e r ep i dc o n t r o la r i t h m e t i c ，i tc a nn o to n l y r e m o v e ss t e a d ye r r o r , b u ta l s oi m p r o v e ss y s t e m i cr e s p o n dv e l o c i t y , m i n i s h e so v e r s h o o t i i i 出东大学硕士学位论文 s os y s t e m i cc o n t r o l p r e c i s i o ni si m p r o v e de f f e c t u a l l y t h ee x p e r i m e n tv a l i d a t et h i s m e a n sc a nm i n i s ht h eo v e r s h o o ta n ds u r g eo fx - yt a b l ee f f e c t u a l l y t h ec u m u l a t i o ne r r o ro fs c r e wr o di st h ep r i m a r yf a c t o rw h i c ha f f e c t st h ep o s i t i o n e r r o ro ft h ex yt a b l e i fw a n tt om i n i s hi t se f f e c to nt h ep o s i t i o np r e c i s i o n ，w em u s t m e a s u r ei t sv a l u ef i r s t l y n o wh i g he x a c tl o n gg r a t i n gl i n e a ri st h ed y n a m i cm e a s u r e a p p a r a t u si nc o m m o nu s e b u tb e c a u s eo ft h ef a c t o r ss u c ha si n s t a l l a t i o na n ds oo n t h e p a r a l l e le r r o re x i s t si nt h em e a s u r ep r o c e s s b e c a u s et h el a s e rv i b r a t i o nm e a s u r e ri s p r o v i d e dw i t hd y n a m i cr e s p o n d e n tq u i c k l y 、l e s sp a r a l l e le r r o r , s ot h i st a s ku s e st h el a s e r v i b r a t i o nm e a s u r e ri ns t e a do ft h el o n gg r a t i n gl i n e a rt om e a s u r ea n da n a l y s et h e c u m u l a t i o ne r r o ro fs c r e wr o d b a s e do nt h i s ，w eu s et h ef e e d f o r w a r dc o m p e n s a t o r y m e a n st om i n i s ht h ec u m u l a t i o ne r r o ro fs c r e wr o d ，i m p r o v et h ep o s i t i o np r e c i s i o no f t h et a b l e 。t h ee x p e r i m e n tv a l i d a t et h i sm e a n sc a nm e a s u r et h ec u m u l a t i o ne r r o ro fs c r e w r o dw e l la n dt r u l y , s ot h a tt h ee r r o rc a nb ec o m p e n s a t e da c c u r a t e l y , a n dt h ep o s i t i o n p r e c i s i o no ft h et a b l ec a l lb ei m p r o v e d k e yw o r d sx - yt a b l e ；i n t e g r a ls e p a r a t ep i dc o n t r o l ；l a s e rv i b r a t i o nm e a s u r e r ； d y n a m i cm e a s u r e ；f e e d f o r w a r dc o m p e n s a t o r y i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：j 啤 日期：巡! 查! ! 兰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：工鱼唾导师签名：至：三! 竺么篁 日期：竺兰：三：? 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1研究背景、目的和意义 随着现代信息技术的发展，特别是微型计算机的普及应用，使现代机械加工 技术发生了深刻的变化。这种变化概括起来主要包括两个方面，一个是向着提高 产品加工的生产效率为主的高度自动化方向发展，另一个是向着以提高产品的质 量为主的精密化方向发展【1 1 。现代机电设备的结构越来越复杂，融机、电、光、液 等技术于一体，功能也越来越复杂，越来越完善。在这种情况下如何提高产品的 加工质量成为机械行业迫切需要解决的问题之一。而定位工作台作为加工机床的 关键部，它的传动部件的定位精度直接影响系统的加工精度，对于提高产品的加 工质量起着尤为重要的作用1 2 j 。 机械电子工程是微电子学、近代光学、控制论、信息学等技术与传统机械制 造技术相融合的一门新的边缘学科。是现代许多尖端技术和国防技术赖以存在的 基础。实践证明，控制加工质量的最佳方法就是及时的对加工过程中的几何量、 物理量等进行及时地测量和预测，使加工过程信息化、智能化【引。 控制精度是影响数控机床定位精度高底的关键因素之一。随着半导体后封装 设备的飞速发展，数字p i d 控制已成为控制技术中普遍采用的控制方法，p i d 控 制即通过对偏差的比例( p ) ，积分( i ) 和微分( d ) 的线性组合构成控制量，对被控 制对象进行控制。因此，p i d 控制器要取得较好的控制效果，就必须通过调整好比 例、积分和微分三种控制作用，形成控制中相互配合和相互制约的关系。由于这 种关系并不是简单的线性组合，所以要通过有效的调节来实现具有最佳组合的p i d 控制【4 1 。而p i d 参数的在线调整比较困难，很难达到最佳组合，现在主要用工程整 定法进行在线调整。另外，传统的p i d 控制虽然结构比较简单，使用方便，鲁棒 性较强，但它主要适用于线性系统，而实际的工业生产过程中往往具有非线性、 时变不确定性，难以建立精确的数学模型【5 】。所以在整个传动过程中使用一组不变 p i d 参数很难达到精密加工的控制精度要求。 为了提高控制精度，人们在大量的实践中总结出很多有效的方法，可概括为 出东大学颁士学位论文 以下几大类。 ( 1 ) 对原有p i d 控制算法进行改进。在整个过程中根据控制量的大小，分阶 段采用不同的p i d 参数组合，如积分分离法、遇限削弱积分法、有效偏差法和不 完全微分法等等。尽可能利用p i d 参数的最优组合使系统达到尽可能高的控制精 度。 ( 2 ) 智能p i d 控制。在j o n - r 过程中，根据误差及误差变化率的大小在线调整 p i d 的值，如模糊控制、神经网络控制等等。实现p i d 参数的在线自整定，使系 统动态过程中各阶段的p i d 参数处于最佳状态，以获得满意的控制效果。 ( 3 ) 预测控制。预测控制就是借助于对过去和现在的分析得到的偏差值对未 来的偏差值进行估计，以滚动确定当前的最优输入策略，来获得最优的控制效果。 现在常用的预测控制有模型控制算法、】动态矩阵控制算法和广义预测控制算法等 等。 滚珠丝杠的累积误差是影响数控机床定位精度的另一关键因素。滚珠丝杠作 为广泛采用的传动部件，是确定线性位移精度的关键部件，它能将角位移转换为 线位移，具有传递运动( 精密定位) 和动力两方面作用，在机械设备中应用极为广 泛。特别是近几年来，随着数控技术、柔性制造技术等的飞速发展，作为数控机 床的基础功能部件的滚珠丝杠副也得到了广泛的应用。因此，如何提高滚珠丝的 传动精度成为了一个迫切需要解决的问题【翻。随着测量技术与设备的不断发展，激 光多普勒、精密光栅等仪器在测量中的应用，已经能够实现丝枉误差的精确动态 测量。误差的补偿方法也由早期的硬件补偿发展为软件补偿。可以通过先精确测 量丝杠的误差，然后采用合适的软件补偿方法来消除丝杠累积误差的影响，提高 工作台的定位精度。 综上所述，在交流伺服电机驱动的工作螽进给系统中，可以利用现代控制理 论的新发展，选择合适的控制方法，在不更新设备的情况下提高机床的控制精度。 当控制精度达到要求之后，利用精密动态测量仪精确测量工作台滚珠丝杠的螺距 误差，进行数据处理之后可对螺距误差进霉亍软件补偿，提高工作台的定位精度。 所以我们可以从理论和实践上总结出一套方便、实用和低成本提高数控机床定位 精度的有效方法。这也是本课题的研究目的之所在。 2 第1 章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 控制理论的发展和研究现状 从2 0 世纪4 0 年代到5 0 年代末，经典控制理论的发展与应用使整个世界的科学 水平出现了巨大的飞跃，几乎在工业、农业、交通运输及国防建设的各个领域都 广泛采用了自动化控制理论 7 1 。2 0 世纪5 0 年代末发展起来的以状态空间方法为主 体的现代控制理论，为过程控制带来了状态反馈、输出反馈、解耦控制等一系列 多变量控制系统设计方法；与此同时，计算机技术的持续发展使计算机控制在工 业生产过程中得到了广泛的应用，这一切都孕育着过程控制领域的新突破瞵j 。6 0 年代初期，卡尔曼( r e k a l m a n ) 系统中将状态空间法引入到系统和控制理论中， 形成了现代控制理论，并且很快在航空航天等领域取得了巨大的成果，对自动化 技术的发展起到了积极的推动作用。比起经典控制理论，现代控制理论考虑问题 更全面，更复杂，主要表现在考虑系统之间内部的耦合，系统外部的干扰，但符 合从简单到复杂的规律。5 0 年代之后现代控制理论已经逐渐取代经典控制理论应 用于社会各个领域。随着科学技术的突飞猛进，对工业过程控制的要求越来越高， 不仅要求控制的精确性，更注重控制的鲁棒性、实时性、容错性以及对控制参数 的自适应和学习能力。另外，需要控制的工业过程日趋复杂，工业过程严重的非 线性和不确定性，使许多系统无法用数学模型精确描述。这样建立在精确数学模 型基础上的古典和现代控制方法将面临空前的挑战，同时也为新控制方法的发展 带来了良好的机遇。为了克服理论与实际应用之间的上述不协调，2 0 世纪7 0 年代 以来，人们一方面为了提高数学模型的精确程度及考虑不确定因素的影响，加强 了对系统辨识、工业过程的建模、自适应控制、鲁棒控制等方面的研究，另一方 面开始突破传统思想的约束，试图面向实际工业过程的特点，研究各种对模型要 求低，在线计算简单方便，实时i 生好。控制效果佳的控制新算法。同时，计算机 技术的飞速发展也为新的控制策略提供了良好的运行平台。预测控制就是在这种 情况下发展起来的一类新型算法【9 0 1 1 。2 0 世纪8 0 年代，出现了许多约束模型预测 控制的工程化软件包【1 2 】。基于模型控制的理论体系已基本形成，并成为目前过程 控制应用最成功、最有前途的先进控制策略。近年来，人工智能技术有了长足的 进步，并在许多科学与工程领域中取得了较广泛的应用。因为p i d 控制至今仍是 山东大学硕士学位论文 工业控制中最广泛的控制规律，但常规的p i d 控制己不能满足现在复杂的工业生 产，所以就有必要将人工智能技术与传统的p i d 控制规律结合为智能p i d 控制。 通过智能技术的加盟，智能p i d 控制器相比传统的p i d 控制器，在参数的整定和 在线自适应调整方面有其显著的优越性，并可用于控制一些非线性的复杂对象 1 3 - 1 5 1 。就过程控制而言，专家系统、神经网络、模糊系统是最有潜力的3 种工具瓣6 1 。 虽然基于非线性模型( 机理和经验) 的控制有了长足的发展，但是，非线性控制 尚属于开发中的先进控制策略，实际的工业应用尚不多见【l 7 。 而在原有p i d 控制算法的基础上，对其进行改进。即方便实用，又能达到较 高的控制耩度，满足对控制系统的控制精度要求。常见的p i d 控制算法的改进方 法有：积分分离p i d 控制18 1 、遇限削弱积分法【1 9 1 、有效偏差法【2 0 1 、不完全微分 法f 2 l 】等等。改进的p i d 控制算法还有很多种，这里不再一一叙述。在生产过程中， 可以根据实际需要进行选择，应餍比较灵活。 1 2 2 丝杠导程误差测量技术研究现状 测量是获取信息的重要手段。科学研究、生产、高科技都离不开测量，测量 技术发展到现在，特别是与微电子技术、激光技术、计算机技术、信息技术的融 合，在提高测量精度、在线和动态测量、复杂参数和复杂环境下测量、智能测量 的方蕊取褥了长足的进步溺。在滚珠丝枉的导程误差测量领域，静态测量因其劳 动强度大，测量精度低已为动态测量所代替。传统的动态测量方法是由专f - i n 造 的动态测量仪来完成的。动态测量仪的发展经历了早期、中期和现代三个阶段。 早期的动态测量仪，隧周基准一般采用光栅( 或磁栅) 盘，长度方向上采用光栅 ( 或磁栅) 尺作为长度基准，采用模拟比相的方法，直接由专用的相位计来显示 比相的结果，并有记录仪画出丝杠的误差曲线。这一时期的动态测量仪由于受技 术条件的限制，尤其是电子技术发展的制约，其关键部件相位计大部分由分 立元件构成。因焉功能比较单一，自动化程度较低，仪器的故障率也比较高。虽 然其后的有些产品采用了厚膜电路和小规模集成电路构成的相位计，使仪器的性 能指标有所改进。但从宏观上看仍然没有走出早期测量仪工作的模式。随着电子 技术，特别是计算机技术的发展，使制造出新一代的丝杠动态测量仪在技术上成 为可能。这一时期的动态测量虽然在测量原理上没有新的突破，但在技术实施方 案上却有了重大的发展。这一时期的动态测量仪，圆周方向上基本都采用高精密 4 第1 章绪论 圆光栅作为角度基准，长度方向上有些采用高精密光栅( 或磁栅) 尺，有些则采 用单频激光作为基准。而传统的相位计大都有单片机( 或s t d 工业控制机) 取代。 处于这一时期的测量仪，不论是在测量精度还是在自动化程度或者仪器的无故障 率方面，都比早期的测量仪有了很大的提高。特别是计算机技术和激光技术的应 用，给动态测量注入了新的活力。在技术方法上，由于采用了计算机技术，因而 突破了传统的模拟比相方法，而采用数字比相技术。这使得仪器的测量精度和抗 干扰性能有了进一步的提高。到了9 0 年代，随着电子技术、计算机技术、激光技 术和精密测量技术的不断发展使丝杠动态测量技术取得了重大的进展。从以上内 容可以看出，丝杠误差的动态测量原理基本上没有新的突破，但随着科技的进步， 误差信号的采集不断发生新的变化。动态测量方法从信号采集的角度分类主要有 以下几种： 与标准丝杠连续比对法所用仪器为丝杠导程仪，这类仪器通过机械方式指示 被测丝杠相对于标准丝杠的误差，结构比较简单操作方便，但测量精度受标准丝 杠的限制，且被测丝杠与标准丝杠螺距必须相同，只适用于精度要求不高的测量 【2 3 】 o 中国质量学院的骆瑞伦【2 4 】以通用设备数显万能工具显微镜( j i l l ) 为测量工 具，设计了一套丝杠动态测量系统。该方法以万工显带顶针分度头作为角度基准； 万工显纵向导轨的测量系统作为长度基准；万工显的读数系统读数；用专用夹具 把滚珠丝杠螺母与万工显底座紧固，如图1 1 所示。测量时，分度头与被测丝杠同 步旋转产生角位移，由被测丝杠通过固定在专用夹具上的螺母推动万工显纵向拖 板在导轨上移动，产生直线位移。由分度头上得到角位移值，由拖板上的光栅读 数系统显示拖板的直线位移的实际值。计算求出丝杠的螺距误差。 童l- - a一 7 ，。 4f 价呐 三三司 v f 7 f 卜- _ - 角， 再。 、， 渺 度 哥三三三车三 基 准 、一 图1 - 1 万工显测量原理 山东大学硕士学位论文 山东大学的张洪文【2 5 】老师设计了以长、圆光栅副为检测元件，步进电机为 驱动元件，8 0 9 8 单片机为核心的滚珠丝枉导程误差检测系统。误差计算采用分频 比相法，分频、比相、误差计算在单片机内直接完成，不需要把测量信息传递到 上位机或其它设备，就能获得误差数据。图1 2 为测试系统原理图。分频比相法中 比相的条件是两路信号的频率相等。冠来自圆光栅的信号和来自长光栅的信号是 两个相关变化的不同频率的信号，因此只有通过不同的分频系数将两路信号变成 同频率的信号才能利用比相法。把由机械运动产生的相对频率变化转化为同频率 下的相位差，再对相位差的变化进行检测，即可得到相应的机械运动误差。两路 信号经分频后，等频率的盘信号与尺信号闯总有一定的楣位差，若滚珠丝枉是理 想的，导程误差为零，相位差保持一定值。当有误差时，相位差为变量。则盘、 圆光栅 图l - 2 分频比相法原理 比谡差 籀 计算 尺信号相位差的变化量就是误差大小的反映，可以测出丝杠误差的大小。 南京理工大学的喻步贤、殷爱华【2 6 】老师设计了同步位移绝对值比较法。该方 法采用计数卡以一定的采样间隔同步采集角位移和测头轴向位移的信号，通过计 数卡本身所具有的信号处理系统将两路信号进行高倍数电子细分，传送给计算机 系统，由相应的软件将信号转换爻位移量，通过计算机的实时处理计算出丝枉误 差值。两路信号在计算机处理之前未发生任何联系，通过计算机处理使它们成为 滚珠丝杠的角度基准量和轴向位移量，并比较计算出误差值。图1 3 为同步位移绝 对值比较法的原理示意图，计数卡通过p c i 总线与计算机相连。 6 第1 章绪论 角 度 基 准 图1 3同步位移绝对值比较法测量原理 山东大学的郭涛同学、袭著燕匹7 】老师等设计了以长光栅与静态激光多普勒为 测量仪器，永磁同步电机为驱动元件，计算机为核心的滚珠丝杠误差动态测量系 统。长光栅采集的数据通过数据线送入计算机，经软件处理后画出工作台的实际 位移，与理想的位移进行比对，求出丝杠的累积误差。因长光栅由于安装等因素 的影响，平行度误差较大。而静态激光多普勒通过全行程上反光镜的调整，能保 证光路与运动的平行度。用激光多普勒进行数据的静态采集，然后与光栅相应的 数据进行比对，根据比对结果对光栅的平行度误差进行校正。实验证明该方法能 较准确的测出滚珠丝杠的螺距误差。测量原理如图1 4 所示。 图1 4 标准位移连续比对法测量原理 7 山东大学硕士学位论文 东风仪表厂的毛楠和上海科技大学的陈明仪【2 嗣设计了一种新型的激光丝杠动 态测量仪，h j y 0 2 8 三米激光丝杠动态测量仪。这种新型的丝桎动态测量仪采用高 精密圆光栅作为圆周基准；采用双频激光作为长度基准，并以独特的干涉仪设计 有效地校正动态测量中的阿贝误差和消除“光学零漂 ；以专门制造的尾架位移传 感器实时监测并补偿丝杠在测量过程中的长度变化；通过多点温度传感器实时监 测环境和工件温度并实时进行毒 偿；利用计算机对仪器的整个测量过程进行实时 监控；对测量数据进行实时采集和处理，由c r t 实时显示误差曲线，并经数据分 析处理后由记录仪画出误差曲线或由打印机按不同的标准要求打印出测量结果报 告。其原理图如图量5 所示。 1 圆光栅2 丝杠3 。测头4 。尾架5 。测微仪 图1 - 5 测量原理圈 通过以上的综述霹以看出，隧着现代高新技术的飞速发展，测试技术也得到 了长足的进步。现代的测试技术已经不在是单纯的测量，它还包括信号处理、误 差校正、参数补偿等功能。测量精度、抗干扰能力都有了明显的提高。这为我们 的误差测量提供了一个广泛的选择范匿。 1 2 3 误差补偿技术的研究现状 提高数控机床的加工精度，一童是广大科技工作者不懈努力的尽标。传统的方 法是通过提高机床自身的零部件制造和装配精度，但受到制造成本与制造精度呈 8 第1 章绪论 几何级数增长的制约，并且也受到加工行业本身技术条件的限制，难以满足现代 生产技术条件的要求【2 9 】。误差补偿是一项获得高精度加工的低成本技术，同时也 是一项高技术密集的新技术，是一条提高数控机床加工精度经济合理而有切实可 行的途径，在机械制造业中已有几十年的应用历史【3 。 较早的误差补偿方法主要是采用机械硬件补偿的方法，这种补偿方法的补偿 精度是有限的，只能补偿一些静态误差。随着微型计算机的普及和推广应用，形 成了以计算机为主的计算机辅助误差补偿技术。这种方法充分发挥了计算机的软 件功能，实现误差的综合补偿【3 1 1 。许多研究人员也尝试通过软件补偿提高x y 工 作台的定位精度。文献【3 2 1 首先用激光双频干涉仪测出丝杠的误差，低速运动时， 计算机通过误差测量接口按一定的位移间距对双频激光干涉仪测出的误差数据采 样处理，并发出相应的补偿信号；通过相应的误差补偿接口将误差传给数控机床 的c n c 系统，由数控机床完成相应的补偿。这样每到一个补偿点，计算机便发出 一次补偿信号，由数控机床进行一次补偿，直到行程终点。但这种方法只适用于 低速，高速时系统响应速度跟不上机床的运动，使误差补偿系统不稳定以至于不 能正常工作。根据机床高速运动时一般不进行加工这一特点，可设计软件使其在 高速时不进行补偿，待其回到低速时再进行补偿。文献【3 3 】用最小二乘法把动态测 出的数据拟合为一条曲线，得到误差曲线。当给定一行程后，自然会得到其误差 值，就可以用程序实现误差补偿。但误差曲线与随机曲线有误差，可以通过再次 画出补偿后的行程误差曲线，重复进行补偿直到误差大小满足要求为止，这种方 法在现在的定位误差补偿中得到了广泛的应用。文献【3 4 1 采用模糊自学习补偿控制 的方法。在短周期误差控制中，采用双输入单输出的模糊控制器，输入误差和误 差变化率，输出控制量，其中误差由测量得到，进而求出误差变化率，经模糊控 制器进行模糊决策，输出控制量，送往由步进电机和机械传动部分组成的执行机 构，从而获得较小的定位误差。该方法虽然在理论上比较成熟，但在实际应用中 还存在方方面面的问题，目前主要存在于实验室和特定的场合。文献【3 5 j 采用了神 经网络误差补偿技术，该方法首先建立神经网络误差补偿模型，将测量得到的误 差作为期望输出向量加入到神经网络误差补偿模型的输出端，输入端所加向量为 与误差向量相对应的目标向量。然后进行网络训练，直到满足精度要求或达到训 练次数要求为止。利用已训练过的神经网络模型对已测量点和未测量点进行误差 仿真，仿真所得到的误差值向量就是要进行补偿的数值。再将该误差数值取反后 进行数控加工程序的重构，生成新的数控指令代码，使c n c 控制器做出相应动作， 9 山东大学硕士学能论文 以达到误差补偿的目的。该方法可有效地对误差数据进行滤波，弱化噪声干扰， 提高孝 偿精度。文献刚提出了如何实现数控机床空闻误差值的控制是误差享 偿技 术的关键。文章介绍以单片机为核心的n c 型误差补偿控制器，并在x h t l 4 立式 加工中心和x h f a 2 4 2 0 仿形定梁加工中心上得以实现。该方法对在其它机床及开 放性数控系统上应用补偿技术有其重要的参考意义。 综上所述，误差补偿技术是提高定位精度、降低成本的有效途径，并且已经 在多种加工设备中得到了应用。但由于引起机床传动误差的因素很多，模型也比 较复杂，在实时建模与补偿精度方面还有许多问题需要研究解决。 1 。3 本论文的主要研究内容 本论文以x y 工作台定位过程为研究对象，以提高工作台煎定位精度为主要 目的，对x y 工作台定位误差产生的原因、伺服电机控制系统的设计、误差动态 测量及补偿方法等问题进行了较详细的分析和研究。主要包括以下几方面内容： ( 1 ) x y 工作台控制系统设计。动态测量时控制精度对定位精度的影响很大， 原有控制算法的控制精度不能满足定位精度的要求，所以需要对原有的p i d 控铡 算法进行改进。根据p i d 算法特点，研究设计算法简单、计算量小、动态性能好 和稳态误差小的控制算法。 ( 2 ) x - y 工作台定位误差动态测量方法的研究。研究分析基于计算祝的高精 度动态测量方法，选择高精度的动态测量仪器，设计满足实验要求的测量系统及 测量程序。为正确进行误差补偿做好准备工作。 ( 3 ) x - y 工作台定位误差补偿方法的研究。根据误差变化规律及系统特点。 设计一套切实可行、经济实用的误差补偿方法，提高工作台的定位精度。 1 0 第2 章x y 工作台软、硬件系统设计 2 1 引言 第2 章x y 工作台软、硬件系统设计 具有良好运动精度的机电系统是整个系统的基础，它为控制方法的实施提供 了一个有效的平台，机械部分的精度是系统定位精度的前提，良好的控制电路是 机械系统能够稳定工作的保障；而软件系统是整个系统的大脑和窗e l ，是控制策 略实施、试验方法研究以及数据处理的平台。 2 2x - y 工作台硬件系统设计与装调 工作台的硬件部分由机械、控制电路等部分组成。硬件系统的组成部分如图 2 1 所示： 运动控制卡 图2 1 工作台硬件部分结构图 工作台机械部分的制造及安装精度是提高系统精度的基础。为了实现x 、y 山东大学硕士学位论文 两个方向的运动，工作台应有两个相互独立、互相垂直的导向导轨、传动系统及 工作台面等组成。其中x 自工作台固定在y 向工作台的工作台面上，由v 向控剖 系统带动其做y 向运动，x 向工作台通过定位销安装在y 向工作台之上，两者在 水平面上保持正交。工作台上，动导轨沿着静导轨做定向直线运动。运动的直线 度直接关系到系统的运动精度，因此，导轨的选择是一个关键性的问题。结合工 业应用及我们的研究内容，我们选用滚动导轨作必我们的导轨元件。滚动导轨不 仅摩擦系数较小，而且动、静摩擦系数之差也较小，爬行现象比滑动导轨有所改 善。但滚珠与保持架之间还是有滑动摩擦存在，且滚珠与导轨面是点接触，所以 缺点是对误差敏感性较大。为了提高系统的强l 度，我们尽量减小传动链的长度， 采用伺服电机直接驱动滚珠丝杠的方法来提高系统的刚度。另外，通过对滚珠丝 杠施加预紧力，尽量消除回程间隙和提高丝杠的刚度，从而消除和减小爬行现象， 提高了调速眈。 同时设计良好的控制电路则是系统稳定工作的保障。随着现代交流调速技术 的发展，交流调速电机已经逐渐取代了直流调速电机。交流调速电机具有制造成 本底、启动力矩大等优点。我们的工作台的伺服系统采用松下公司的 m s m a 0 8 2 a 1 g 永磁式交流伺服电动机和m s d a 0 8 3 a 1 a 交流伺服驱动器，它的主 要性能指标如下： 电机的最高转速：3 0 0 0 r r a i n ； 额定功率：7 5 0 k w ； 额定输入电压：1 1 6 v 增量式编码器：2 5 0 0 p r 。 伺服电机与滚珠丝杠之间采用刚链连轴器直接连接。滚珠丝杠的工作长度为 5 2 0 m m ，螺距戈5 m m 。运动控制卡采用固高公司的g t - 4 0 0 s v 伺服运动控制器。 它可以同步控制四个运动轴，实现复杂的多轴协调运动。其核心由a d s p 2 1 8 1 数 字信号处理器和f p g a 组成，实现高性能的控制计算。它适用于广泛的应用领域， 包括机器入、数控机床、木王机械、印刷机械、装配线、电子加工设备等。g t - 4 0 0 。s v 将四轴电机控制集成在同一运动控制器上，具有功能强、性能高、价格低、使用 方便的特点，适用于模拟量控制及脉冲控制的交流或直流伺服电机、步进电机等 多种控制场合。 g t - 4 0 0 一s v 躁轴运动控制器提供的主要功熊有： 控制功能 1 2 第2 章x y 工作台软、硬件系统设计 看门狗实时监测d s p 的工作状态。 基于坐标系编程的连续轨迹控制，可实现空间直线、圆弧插补运动。 提供程序缓冲区，实现运动轨迹预处理，以获得高质量的运动控制，并降 低主机通讯实时性的要求。 宰面向各控制轴实现点到点运动控制，具有可编程s 曲线、梯形曲线、速度 控制和电子齿轮运动控制方式。 幸使用3 2 位( 二进制) 有效数字计算，实现高精度的轨迹控制。 木伺服控制采用可编程数字p i d + 速度前馈+ a n 速度前馈滤波方式。 宰可编程设置伺服周期。四轴伺服( 插补) 周期为2 0 0 微妙。 幸硬件捕获编码器i n d e x 信号和系统原点h o m e 信号；保证系统具有较高的重 复定位精度。 输入输出接口 宰4 路( 每轴一路) 四倍频增量光电编码器反馈信号接口，输入信号频率最高 可达8 m h z 。 幸2 路四倍频增量光电编码器辅助反馈信号接口( 可选) ，适用用户特殊功能 要求，输入信号频率最高可达8 m h z 。 4 路控制输出信号，提供1 6 位d a 模拟电压控制信号( 1 0 v - - - + 1 0 v ) 用于 伺服电机控制。 幸8 路光电隔离限位开关信号输入接口。 宰4 路光电隔离原点信号输入接口。 宰4 路光电隔离驱动器报警信号接口。 幸4 路光电隔离驱动器使能信号输出接口。 木4 路光电隔离驱动器复位信号输出接口。 宰1 6 路光电隔离通用数字输入信号接口。 宰1 6 路光电隔离通用数字输出信号接口。 系统软件 木用户接口函数库。 枣w i n d o w s 9 8 2 0 0 0 x p 设备驱动程序。 p c 机通过主机通讯接口与g t - 4 0 0 s v 运动控制器交换信息。包括向运动控制 器发出运动控制命令，并通过该接口获取运动控制器的当前状态和相关控制参数。 运动控制器完成实时轨迹规划、位置闭环伺服控制、主机命令处理和控制器i o 管 国东大学硕士学位论文 理。运动控制器通过编码器接口，获取运动位置反馈信息，通过四路模拟电压输 出( 或脉冲输出) 接嗣控制饲服电机实现主机要求的运动。运动控制器还提供夕 路限位开关( 每轴两路) 输入，四路原点开关( 每轴一路) 输入，四路伺服电机 驱动器报警信号( 每轴一路) 输出，四路伺服电机驱动器复位信号( 每轴路) 输出以及十六路通用数字量输出接口、十六路通用数字输入接口。可以实现复杂 灵活的运动控制。 在机械、电路都连接完成后，首先要对伺服驱动器进行调试，通过伺服驱动 器的前面板提供的试运转功能迸行试运转。在试运转时，断开负载和运动控制器 的连接，如果电视在试运转情况下能够正常运转，说甓电枕和驱动器状态良好， 而且它们之间的连接也是好的。在试运转成功的情况下，设置伺服驱动器的控制 模式为速度控制模式。根据需要，设置伺服驱动器的其他参数到合适的值，并且 通过自动零漂功能设置自动零漂参数。在设置