（机械电子工程专业论文）xy工作台误差测量与补偿系统的研究.pdf

l i j 东大学颂二l j 论文稿纸 x y 工作台误差测最与补偿系统的研究 摘要 | f f 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。如何方便实用的提高机床的定位精度是现在各方面都在研究的课题。 由于开环和半闭环数控机床存在开环环节，使得定位精度的进一步提高受到了 限制。对于开环和半闭环数控机床来讲，其定位精度主要取决于进给丝杠的精 度。另外，导轨副及丝杠副的摩擦也对系统的定位精度有直接的影响。随着数 控机床、柔性制造系统等的飞速发展，如何有效提高作为数控机床主要部件的 工作台的定位精度和进一步研究导轨副及丝杠副的摩擦特性成为迫切需要解决 的研究课题。， - 本研究结合当前的研究情况，从实际出发，构建了实验用x y 工作台，并 利用激光多普勒测量仪和光栅分别对滚珠丝杠的螺距误差进行了测量和补偿。 实验结果证明了研究的有效性。 本文在分析了x - y 工作台上所做的实验内容的基础上，确定了工作台软硬 件平台的设计方案。首先，通过机械部分的安装调整以及控制电路部分的连接， 建立了完整的硬件系统。对整个系统而言，机械部分的精度是整个系统定位精 度的基础，对系统的整体性能起决定作用。其次，通过控制部分软件以及测量 及数据处理部分的设计，建立了完整的x y 工作台系统。软件部分是系统的大 脑，对系统的可操作性和控制效果起决定性作用。第三，通过线程问的同步和 建菠同步事件来响应工作台中断，解决了w i n d o w s 下中断调用问题，实现了 光栅的动态测量。 针对工作台定位误差的测量与分析，对误差的成因及影响进行了分类探讨。 基于分析结果和对补偿方法的理论分析。采用软硬结合的方法对不同误差进行 了分类补偿。通过加装原点开关和改进原点信号的捕捉方法，有效提高了系统 山东大学硕士论文稿纸 的重复精度；对于系统的周期误差和偶然性误差，采用了一种误差前馈补偿控 制方法，分析了其控制精度的改善和算法实现，通过在x y 实验台上的补偿实 验结果，验证了补偿方法的有效性与理论分析的正确性。为提高系统的定位精 度提供了一种简单易行的方法 通过对两种测量结果的比较，找出了光栅测量的平行度误差，利用激光多 普了测量仪校正了光栅测量的平行度误差。 i ， 关键词：x y 工裾；误薪h 偿；l d d 近光赫量 山东大学硕士论文稿纸 a s t u d y o nt h em e a s u r e m e n ta n dc o m p e n s a t i o no f p o s i t i o n e r r o r so fx yt a b l e a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o f h i g l l p r e c i s i o nm a c h i n i n gt e c h n o l o g y , r e q u i r e m e n to f m a c h i n et o o l p r i s i o n i sh i g h e ra n dh i g h e r h o wt oe n h a n c et h e p r e c i s i o ne a s i l yh a s b e c o m eav e r yp o p u l a rs u b j e c lb e c a u s eo fe x i s t i n go p e n - l o o p s e c t i o n , i ti sh a r dt o f u r t h e re n h a n c et h e i rc u t t i n gp r e c i s i o nf o rc o m m o nc n c m a c h i n et o o l s a n dt h e i rp r e c i s i o ni sa l s oi n f l u e n c e dd i r e c t l yb yt h el e a d - s c r e w s p r e c i s i o na n df r i c t i o n a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n t o fn c t e c h n o l o g ya n df l e x i b l e m a n u f a c t u r i n gs y s t e m , t h es t u d yo h t h em e t h o do f e n h a n c i n gx - y t a b l e sp r e c i s i o n a n dd e c r e a s i n gt h el e a d - s c r e w sf r i c t i o ne f f e c th a sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t a n du r g e n t s oax ye x p e r i m e n tt a b l ei sb u i l t , i n t e g r a t e dw i t ht h ep r e s e n tt e c h n i c a l c o n d i t i o n s w i t ht h ed e v i c ea n dt h ec o n t r o ls o f t w a r ed e s i g n e dw i t hv i s u a lc + + ，w e p e r f o r ms o m ee x p e r i m e n t s a b o u t p o s i t i o np r e c i s i o n ，e r r o rc o m p e n s a t i o n ，a n df r i c t i o n e f f e c t o nt h eb a s i so ft h ep r i n c i p l ea n dm e a s u r e m e n tm e t h o do fl d d m ，t h i sp a p e r a n a l y z e st h es o u r c e s o ft h el e a d - s c r e we r r o ra n di n v e s t i g a t e st h ec o m p e n s a t i o n m e t h o d o f r e p e t i t i v ep o s i t i o n e 日帕fa n dl e a d - s c r e we r r o r t h ee x p e r i m e n t sv e r i f yt h a t t h em c - c d l o di se f f o e t i v ma n de c o n o m i c a l a r e rt h ee x p e r i m e n to nt h ex - yt a b l ei sa n a l y z e d ，t h es c h e m eo fh a r d w a r ea n d t h es o f t w a r ei sd e c i d e du l t i m a t e l y f i r s t l y ，t h r o u g hi n s t a l l a t i o no fm e c h a n i c a lp a r t a n da d j u s to fc o n t r o lc i r c u i t ，t h ew h o l eh a r d w a r ei sf i n i s h e d s e c o n d l y , w ed e s i g n e p r o g r a mo ft h ec o n t r o l i n g ，m e a s u r e m e n t ，a n dd a t ap r o c e s s i n g f i n a l l y , t h i sp a p e r i n t r o d u c e sa ne v e n ts y n c h r o n i z a t i o nm e c h a n i s m b y w h i c ht h ei n t e r r u p t i o np r o b l e mi n t h ew i n d o w ss y s t e mi sr e s o l v e d t h u s ，t h ed e s i g na n db u i l do fw h o l es y s t e mw a s f i n i s h e d ， 山东大学硕士论文稿纸 a i m e da tt h em e a s u r e m e n tr e s u l t sa n da n a l y s i so fp o s i t i o ne r r o r , t h ec a u s ea n d i n f l u e n c eo ft h ep o s i t i o ne r r o ri sd i s c u s s e d t h e n ， c o m p e n s a t i o nm e t h o d sw e r e i n t r o d u c e da c c o r d i n gt od i f f e r e n tp o s i t i o ne r r o r s t h er e p e t i t i o np o s i t i o ne r r o rw a s r e d u c e de f f e c t i v e l yb y i n s t a l l i n ga no r i g i ns w i t c ha n dc h a n g i n g t h e c a p t u r i n gm e t h o d f o rt h es y s t e m sc y c l ee r r o ra n de r r o r , t h ep a p e ri n t r o d u c e daf o r w a r df e e d b a c k c o m p e n s a t i o n m e t h o da n da n a l y z e dt h e c o m p e n s a t i o np r e c i s i o na n dr e a l i z a t i o n a l g o r i t h m t h ee x p e r i m e n t so n t h ex yt a b l ev e r i f i e dt h a tt h em e t h o da n d t h e o r ya r e e f f e c t i v e n e s sa n de o r r e c t k e y w o r d ：x - y t a b l e ，e r r o rc o m p e n s a t i o n , l d d m ，g r a t i n gm e a s u r e m e n t 山东大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究课题综述 1 1 1 课题的提出 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，另一个则是向着以提高 产品的质量为主的精密化方向发剧n 。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了机械制造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件，对于提高产品的加工质量起着尤为重要的作 用。 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1 2 1 。 在航空机械、数控机床、精密仪器和仪表以及各种精密机械设备中，工作 台是实现高精密加工的核心部件，它的传动部件的定位精度直接影响系统的加 工精度。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性位移，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、柔性制造系统 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得到了广泛的应用。 因此，如何提高滚珠丝杠的传动精度成为了个迫切需要解决的问题f 引。 山东大学硕士学位论文 要提高系统的定位精度，从定位系统方面考虑有两条途径可以选择，即误 差预防和误差补偿。误差预防就是从系统的整体包括传动、刀具、工艺和材料 等方面考虑尽量减少误差的产生。随着精度要求的提高，这条途径的难度也越 来越大，精度的提高受到了限制，代价也很大。误差补偿是通过专门设计的误 差补偿系统来校正定位系统中存在的误差，减少误差输出，这是一条经济而有 效的途径1 4 “o 】。近年来提出的加工过程数控就是误差补偿技术的发展和体现。 早期的提高系统定位精度的误差补偿方法主要采用硬件补偿法，即用机械 方法测出数控机床的某一轴滚珠丝杠在全行程上的误差曲线，在丝杠的螺距误 差累积到一个脉冲当量处的位置安装一个挡块，当机床工作台移动时，安装在 机床上的微动开关每与挡块接触一次，就发出一个误差补偿信号，通过控制电 路指示步进电机多或少走一步。这种断续的脉冲补偿方法给数控机床的工作台 增加了一些机械机构和电路f 6 j 。同时，由于滚珠丝杠随着时用得增加会发生磨 损，从而使得误差曲线发生变化，对于硬件补偿法来讲，修正补偿数据需要通 过修改硬件来完成这样无疑会造成维护成本的提高和不便。随着现代计算机 技术、控制技术和测试技术的发展，基于计算机的软件法补偿得到了广泛的应 用【i 。1 3 】。激光多普勒测量仪是通过测量激光的多普勒频移来实现位移的测量， 它安装方便，对光路的要求相对不高，具有使用方便、精度高、数据处理简单 等优点。利用它可以非常方便精确的测量工作台的直线位移。我们在实际工作 中，利用激光多普勃测量仪精确测量了工作台滚珠丝杠的螺距误差，通过数据 处理对工作台定位误差进行了前馈补偿，提高了系统的定位精度，提供了种 低成本的提高定位精度的方法，并在我们的实验台上验证了方法的有效性。 1 1 2 课题的研究意义 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。如何方便实用的提高机床的定位精度是现在各方面都在研究的课题。 而x y 实验台是实现平面x ，y 坐标运动的典型关键部件，在实验台上可以进 行很多理论性的研究，研究的结果对实际的生产具有很好的指导意义。如何提 2 山东大学硕士学位论文 高工作台的定位精度和构建一套完善的实验台供理论研究之用，是本课题致力 于完成的任务。由于微型计算机、自动化检测技术、智能控制技术等的飞速发 展，应用这些科学技术与传统的机械工程结合，对于改造传统的制造业、进一 步的提高加工精度具有十分重要的意义。主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 结合精密机械加工过程，分析探讨加工过程中定位误差的检测及其 补偿控制方法，对提高定位精度提供了一种可供选择的有效方法。 ( 2 ) 分析研究了滚珠丝杠螺距误差的成因并对其进行了分类，同时对于 不同种类的误差提出了不同的补偿方法。 ( 3 ) 以微型计算机为核心，结合现代控制技术、检测技术，设计安装了 x y 工作台及控制系统，为今后的理论研究提供了一个可靠的实验 平台。 1 2 文献综述 1 2 i 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、高科技发展都离不开测量， 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、 智能测量的方面取得了长足的进步。这一融合贯穿始终，它包括信号调制与解 调、采样与重构、信号融合、数据压缩、滤波、信号变换、时间序列分析、谱 分析、数据拟合与建模、模式识别、神经网络、仿真与虚拟、误差分离、误差 补偿、冗余技术、决策与智能技术等 i i , 1 2 。这种融合的必然性可归纳为如下5 个方面。 1 ) 提高测量精度的需要 测量总是伴随着噪声，需要通过优化测量布局与信号处理来分离。同 时借助计算机强大的计算能力实现高精度、实时的测量。 山东大学硕士学位论文 2 ) 自动、在线和动态测量的需要 在线测量条件差，各种因素影响大，要在运动情况下捕捉快速变化的 信息，需要测量与信息技术计算机技术的融合。 3 ) 复杂参数测量的需要 如曲面测量，从编程到数据处理都要求测量与信息技术的融合。刀具 磨损需通过切削力或功率消耗增大和声发射频率变化等征兆来综合判断。 在故障诊断中也有大量类似情况。 4 ) 复杂环境下测量的需要 如野外、高温下、高速运转下测量，宇宙空间、地下测量等。如地下 管道泄漏及预报，由于在地下，管道又长，需在几个泵站测量管道压力波、 流量、热力传输等的变化，通过信息融合判定泄漏。 5 ) 智能测量的需要 要求能根据内部和外部条件实现自适应、优化。这同样也要借助于现 代计算机技术的发展。 测量与微电子技术、激光技术、计算机技术、信息技术的融合贯穿在测量 信息从拾取到决策、执行的全过程。在信息的拾取中，为提高测量信号的信噪 比，常通过调制赋予测量信号某一特征，提高它的抗干扰能力。为了全面准确 地反映被测量的情况，需要采取正确的采样策略，然后通过重构恢复被测量的 全貌。当对象的状态不能靠单一的传感器测量确定时，就需要将若干信号以一 定方式融合。在复杂参数测量和过程的监控中，数据量往往很大，可将平坦区 数据压缩，需要时再恢复。为了滤除采样和载波频率信号、噪声，分离不同频 率信号等，还需要滤波。 为了对信号进行各种处理，提取其特征，做出决策，常对信号进行各种变 换，进行时间序列分析和各种谱分析；对数据进行拟合，通过理论分析与实验 方法建模：利用模式识别的方法按测量结果确定被测对象的类属；神经网络通 过“训练”使网络具有与系统接近的特性；它们在实验建模、过程控制、预报 和故障诊断中得到广泛应用。测量与信息技术的融合在测量的优化和智能测量 中有重要作用。根据误差的某一特征，或改变其组合关系，可以将误差分离。 山东大学硕士学位论文 利用平均、差分、反馈、标定、预报、冗余及各种信号处理技术实现误差补偿， 降低成本，达到单纯依靠制造精度难以实现的高精度。虚拟测量通过仿真模拟 测量过程，发现问题、估算精度、实现优化。根据对系统外部和内部状态的测 量结果，利用知识库、专家系统等做出决策，实现系统的智能化。 在滚珠丝杠的导程误差测量领域，山东工业大学机械工程系的张洪文i l 副老 师设计了以长、圆光栅副为检测元件，步进电机为驱动部件，8 0 9 8 单片机为核 心的滚珠丝杠导程误差的检测系统。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，不需把测量信息传递到上位机或其它设备，就 能获得误差数据滚珠丝枉的导程误差动态测试实验台如图l 所示。它由步进 电机1 通过联轴器2 带动齿轮副3 、4 转动，从动轮4 上的固定拨盘5 通过夹 头6 带动丝杆8 转动，再由丝杆带动螺母7 及工作台10 移动，完成由步进电 机的转动到工作台的直线运动。滚珠丝杠导程误差测试的基本原理是利用分频 比相的测量原理。图2 为测试系统工作原理图 图1 滚珠丝枉的导程误差动态测试实验台 i 一一j 图2 分频比相的测量原理 山东大学硕士学位论文 分频比相法中比相的条件是两路信号的频率相等。而来自圆光栅的信号 ( 称为盘信号) 和来自长光栅的信号( 称为尺信号) 是两个相关变化的不同频率 信号，因此只有通过不同的分频系数将这两路信号变为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换成同频率下的相位差，再对相 位差的变化进行检测，即可得出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间总有定的相位差若滚珠丝杠是理想的，导程误差为 零，相位差保持一定值，即审= 0 。当有误差时，相位差为变量，即巾o ， 则盘、尺信号间相位差的变化量就是误差大小的反映，即误差是中的函数。 实验结果证实了该法具有测量精度高、结构简单、易实现等优点。 滚珠丝杠导程误差的动态测量一般选用丝杠动态测试仪，但除了专业制造 厂家和少数几家有能力采用技术先进、价格昂贵的动态测试系统( 如双频激光 干涉仪，h j y 0 5 丝杠动态测量仪) 外，它不适合只对少数丝杠测量的应用。文 献 1 4 1 提出了一种简便实用的方法，从滚珠丝杠副导程的定义出发。通过对数 显万能工具显微镜的改造，仿照丝杠动态测试仪的结构，利用数学回归分析， 实现了对滚珠丝杠副导程误差的测试和分析。根据螺旋线形成原理： t 2 丌= i 0 ( 1 ) 在( 1 ) 中，只要有一角度量反映丝杠的转角e ，则由( 1 ) 可得其理论的轴向 位移，再由一长度标准反映丝杠在0 转角时相应的实际轴向位移l ，则由实际 轴向位移l 和理论轴向位移i 之代数差，就可求得丝杠螺旋线误差l 。测量装 置如图3 ： 图，3 万能工具显微镜测量导程误差 6 山东大学硕士学位论文 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 得到的角位移值0 ，由拖板上的光栅读数系统显示拖板的直线位移的实际值， 即实际轴向位移i 。滚珠丝杠副导程误差可分为：周期性误差、线性误差、随 机误差，若把导程误差模拟为导程l 的函数f ( l ) 。则： f ( l ) = a + b l + a s i n ( c n l + p ) + 妒( ) ( 2 ) t l l 式中c a + b l 一线性误差； 月 氲s i n ( 础+ p ) j l 妒( 工) 周期性误差； 随机误差； 按j b 标准要求，根据导程误差数据，采m 最d - - 乘法求出实际导程代表 线( 回归直线) ，其计算公式为： y = a + b x ( 3 ) x ? _ y ，- e x 。毛y a 一生吉尝 珂并一l 薯i 一毛期- e 而m 萨型n - | 肯， - l 、。 九x ? - i 葺l 先由式( 4 ) 、( 5 ) 计算出a ，b 并求出实际导程代表线后，再根据j b 标准 规定求出各种误差。由于采用了光栅读数系统和手动的分度头，除了测导程误 差外，还能测量丝杠的回程误差。受万工显测量范围的限制。一次装夹，其测 量范围不超过万工显的测量范围。这是此方法的局限性，但可分段测薰来解决。 总的来说，此方法形式简单，弹性大，数据分析可借助于计算机应用软件( 如： 山东大学硕士学位论文 m a t l a b ) 进行，工作量小。但此方法只能用于离线测量，且受万工显测量精度 的限制，测量精度范围受限。 双频激光干涉仪【”1 常用于检定测长机、三坐标测量机、光刻机和加工中心 等的坐标精度，也可用作测长机、高精度三坐标测量机等的测量系统。利用相 应附件，还可进行高精度直线度测量、平面度测量和小角度测量。应用于在线 测量的双坐标双频激光干涉位景测量系统。一般包括数据采集系统、快速数据 通讯系统，在系统中以双频激光干涉测量仪作为测长( 位移) 仪器。系统中一 般还包含数据采集系统、快速数据通讯系统和误差补偿系统，为提高激光测量 系统的精度还采用了激光的稳频措施，微空气参数误差补偿等方法。系统一般 具有很高的测量精度和较高的测量频响，它的定位精度达到亚微米级在线位置 测量精度【惟”】。 通过以上的分析可以看出，随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再是单纯的测量，它还包括了信号处 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围。 1 2 2 误差补偿技术研究现状 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 的新技术传统的单纯靠提高机床本身的精度来保证零件的加工精度变得很困 难，误差补偿是一条经济合理而又可行的途径，在机械制造业中已有几十年的 应用历史【1 9 1 。 较早的误差补偿方法是采用机械硬补偿的方法，这种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( c o m p m e ra i d e de r r o rc o m p e n s a t i o n a n dc o r r e e t i o n - - c a e c ) 。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。根据对误差的表示方法不同，它又可以分为非参数型软件补偿和参 数型软件补偿。非参数型软件补偿法主要包括：列表法、数字凸轮法、频域法 山东大学硕士学位论文 和拉零法等【6 】。参数型软件补偿法既是将系统的误差用参数模型来描述，这种 方法可将系统性误差和随机误差一起建模补偿 2 0 - 2 3 i 。目前常用的模型有p i d 控 制、多项式控制等 2 4 - 3 3 l 。 文献 2 61 介绍一种由单片机控制的误差补偿系统，利用感应同步器数显装 置对定尺零位误差进行补偿。采用水平分割使误差基本控制在正、负一个脉冲 补偿当量内。本方法同样适用于机床定位误差、刀具磨损、受力、热变形及机 床运动误差的补偿。由m c s 5 l 单片机、直线式感应同步器、z b s 一】4 型数 显表组成的单片机误差补偿系统。感应同步器、数显表和坐标原点定位电路组 成误差在线检测部分；m c s - - 5 1 单片机、i ，o 接口和c m o s - - * r r l 电平转换组 成计算机控制部分；隔离、伺服驱动、步进电机和谐波齿轮减速器组成误差补 偿执行机构。文献【4 】分析了机械加工精度控制模型及传统的误差补偿方法的局 限性，尝试把时间序列预测理论应用于数控加工系统，构成了一种新型的误差 预测补偿方法。基本思想是直接用已j n t 出的零件型面误差统计数据建立误差 预测模型，得到j h - r 下一零件时各轴不同时刻位置补偿量的预测值，达到提高 复杂型面数控加工精度的目的。文献【2 3 】提出基于多体系统理论的数控机床运 动误差模型、几何误差参数综合辨识模型及相应测量技术，使用9 线位移误差 及直线度误差测量，可准确辨识数控机床整个工作区间内的全部2 1 项几何误差 参数；在三坐标立式加工中心上进行软件误差补偿实验，并上坐标测量机检验。 结果表明建模方法具有较强的实用性，对数控机床加工误差补偿效果明显。文 献【3 4 】在分析了三坐标测量机系统误差补偿方法的基础上，提出了一种新的误 差补偿方法一1 2 项法：建立了系统误差数学模型，并对该模型进行算法分析， 展示了该方法在产品中的应用前景及方向。1 2 项法是把测量机的系统误差分为 x 、y 、z 三个方向共计1 2 项误差，用软件来实现误差补偿。此种方法数学模 型简单、操作简便、测量效率高、成本低，适用于一般的生产厂家和用户，具 有很高的实用价值。文献 3 5 】提出了如何实现数控机床空间误差值的控制是误 差补偿技术关键之一。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 7 1 4 立式加工中心和x h f a 2 4 2 0 仿形定梁龙门加工中心上得以实现。该 方法对在其他机床及开放型数控系统上应用补偿技术有其重要的参考意义。文 9 山东大学硕士学位论文 献 3 6 1 以多体系统运动学理论为基础，给出了简单、准确、通用的运动空间误 差建模方法，并提出了多体系统运动误差的几何描述模型，为误差补偿提供了 新的补偿方法，并验证了该理论的正确性。文献 3 7 1 以压电陶瓷微位移原理为 基础，对精密驱动技术在精密定位工件台上的应用作了实验研究。设计了一个 包括高压精密可调电源、压电微位移驱动器、作为反馈元件的光栅干涉仪、以 及由i b mp c 机和单片机组成的控制系统。通过微机、单片机、微驱动元件及 光栅测量仪对工件台的微动台进行驱动。设计了整个精密定位工件台中主从系 统中的从系统，它包括高压精密可调电源、压电徽位移驱动器、作为反馈元件 的光栅干涉仪、以及由i b mp c 机和单片机在内的闭环系统的定位工件台中的 微动部分文献【2 9 】提出了加工中心在线检测误差通用数学模型，研究了测量 系统误差参数辨识方法，实现了基于模型的加工中心在线检测软件误差补偿。 对标准试件的检测及补偿结果表明，补偿后加工中心检测精度提高5 3 以上， 加工中，t s , 在线检测误差补偿实验结果证明了提出的误差补偿方法的可行性和有 效性。建立了包括机床和测头误差参数在内的加工中心在线检测系统误差模型， 提出了测头系统测量误差参数和安装误差参数的辨识方法，实现了加工中心在 线检测软件误差补偿。文献【l l 】提出了基于多体系统理论建立了四轴联动加工 中心的运动误差模型，提出几何误差参数的辨识方法以及相应的测量技术，运 用传统的测量方法与先进的r c n i s b a w 测量系统相结合，可准确地辨识出四轴 联动加工中心的2 7 项误差参数；在四轴联动加工中心上进行软件误差补偿实 验，用三坐标测量机进行检验结果表明，建模方法具有较强的实用性，对多 坐标联动加工中心误差补偿效果明显 另外，近年来的一系列研究使得误差补偿技术迅速发展，一些基于模糊神 经网络、时间序列理论以及n c 型误差补偿控制等理论的误差预测补偿技术已 逐步成熟d 1 ，3 2 , 3 3 1 。但是，离具体的实际应用还有一定的距离。目前主要存在于 实验室和特定的应用场合。 综合以上误差补偿的实例可归纳如下几点： ( 1 ) 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。 l o 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 通过对机床传动误差的分析和建模为机床误差的补偿和应用提供了 依据，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。 ( 3 ) 补偿机构的动态特性在很大程度上影响补偿效果，目前高频响应位 移执行机构( 压电陶瓷) 和低频响应大位移机构( 伺服电机) 已在 实践中得到应用。 ( 4 ) 目前由于补偿系统的通用性、可靠性、可操纵性等原因，使许多研 究报道仍局限于实验室内，广泛应用于生产实际的成功例子还比较 少。 1 3 本论文的主要研究内容 本文以x y 工作台定位过程为研究对象，以提高工作台的定位精度为主要 目的，对x y 工作台定位误差产生的原因、误差测量及补偿方法、工作台控制 系统的设计等问题进行了较详细的分析和研究。主要包括以下几个方面： ( 1 ) x y 工作台定位误差产生的原因及分析。研究滚珠丝杠、导轨摩擦 等方面对定位精度的影响，对误差的变化规律进行理论分析和有关的实验研究， 为进一步进行有效的补偿提供依据。 ( 2 ) x y 工作台定位误差测量方法的研究。研究分析基于计算机的高精 度数字测量方法，分析、比较满足试验精度等方面要求的测量系统及测量程序 设计，包括测量系统的安装及调整、测量接口电路及数据处理软件的设计等。 ( 3 ) x y 工作台定位误差补偿控制方法的研究根据误差变化规律及系 统特点，研究设计算法简单、计算量小、稳态误差小的控制方法。 ( 4 ) 设计工作台控制软件接口，为进一步的研究( 摩擦特性 3 8 】等) 提供 一个控制平台。 山东大学硕士学位论文 2 x y 工作台硬件系统的设计与装调 2 。1 引言 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 路又是机械系统能够稳定工作的保证。 2 2 工作台机械部分的安装与调整 不 工作台的硬件部分由机械部分、控制电路等组成，硬件系统的组成如图所 运动控翻卡 图4 工作台硬件部分结构图 为了实现x 、y 两个方向上的运动，工作台应由两个互相独立的、互为垂 直的导向导轨、传动系统及工作台面等组成。其中x 向工作台固定在y 向工作 台的工作台面上，由y 向工作台带动其作y 向运动，x 向工作台通过定位销定 山东大学硕士学位论文 位于y 向工作台上，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 择是一个关键问题。结合工业应用及我们的研究内容，我们选用了滚动导轨作 为我们的导轨元件。滚动导轨的动、静摩擦系数之差小，爬行现行比滑动导轨 有所改善。但因滚珠与保持价之间还有滑动摩擦存在，且滚珠与导轨面是点接 触，对误差的敏感性较大。为了提高系统的刚度，我们尽量减少传动链的长度， 采用伺服电极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，提高了调速比。 2 3 控制电路的安装与调整 2 3 i 控制电路部件介绍 工作台的机械部分的制造及安装精度是提高系统精度的基础，而设计良好 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低、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 i g 永磁式 交流伺服电动机和m s m a 0 8 3 a i a 交流伺服驱动器，他的主要性能指标如下： 电机的最高转速：3 0 0 0 r l m 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性联轴器直接连接。滚珠丝杠的工作长度 为5 2 0 m m ，螺距为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 l 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 山东大学硕士学位论文 广泛的应用领域，包括机器人、数控机床、木工机械、印刷机械、装配线、电 子加工设备等。g t - 4 0 0 一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 四轴运动控制器提供的主要功能有： 控制功能 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， 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。 + 使用3 2 位( 二进制) 有效数字计算，实现高精度的轨迹控制。 + 伺服控制采用可编程数字p i d + 速度前馈+ 加速度前馈滤波方式。 可编程设置伺服周期。四轴伺服( 插补) 周期为1 6 2 微秒。 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；保证控制系统具有较 高的重复定位精度。 输入，输出接口 + 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 姗z 2 路四倍频增量光电编码器辅助反馈信号接口( 可选) ，适应用户特殊功 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 ) 用于伺 服电机控制 8 路光电隔离限位开关信号输入接口。 4 路光电隔离原点信号输入接口。 4 路光电隔离驱动器报警信号输入接口。 + 4 路光电隔离驱动器使能信号输出接口。 1 4 山东大学硕士学位论文 + 4 路光电隔离驱动器复位信号输出接口。 + 1 6 路光电隔离通用数字输入信号接口。 1 6 路光电隔离通用数字输出信号接口。 系统软件 用户接口函数库。 + w 毡d o w s9 8 2 0 0 0 n t 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指令，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、位置闭环何服控制、主机命令处理和 控制器i o 管理。运动控制器通过编码器接口，获得运动位置反馈信息，通过 四路模拟电压输出( 或脉冲输出) 接口控制伺服电机实现主机要求的运动。运 动控制器还提供八路限位开关( 每轴二路) 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) 输入，四路伺服电机驱动器 使能信号( 每轴一路) 输出，四路伺服电机驱动器复位信号( 每轴一路) 输出 以及十六路通用数字量输出接口、十六路通用数字量输入接口。可以实现复杂 灵活的运动控制。 2 3 2 伺服驱动器主电路设计与安装 主电路是整个工作台的供能电路和主控回路，他的主要功能就是提供一个 安全、稳定的电源，因此设计时要有正确的控制逻辑、过电流保护和抗干扰功 能，伺服驱动器的主电路连接图如图5 所示，其中各元件的功能如下： 非镕丝断路器( n f b ) ：用于保护电源线，过电流时切断电路； 噪声滤波器( n f ) ：防止外部杂波进入电源线，并减轻伺服电机产生的杂 波对外部的干扰； 磁力接触器( m c ) ：接通断开伺服电机的主电源，磁力接触器应与浪涌吸 收器联用； 电抗器( l ) ：减少主电路中的谐波。 山东大学硕士学位论文 图5 伺服驱动器的主电路连接图 2 3 3 编码器电路的连接 编码器线路连接图如图6 所示： 一 ；连接电墟i 驱动器倒 图6 编码器电路连接示意图 1 6 山东大学硕士学位论文 编码器的连接相对比较简单，但是也要注意以下几个问题： ( 1 ) 线料必须是带屏蔽的双绞线，且屏蔽网一定要连接到两端的地引脚。 ( 2 ) 连接线至少要离开主电路接线3 0 c m ，不要让编码器联线与电源进线 走同一个线槽。 2 3 4 运动控制卡电路的设计与连接 用附带的两根屏蔽电缆将g t - 4 0 0 s v 的c n i 接口与接口端子板的c n l 接 口相联结，将转接挡板的电缆联结器与接口端予板的c n 2 相联结。通过c ni f 接口引入编码器位移反馈，差分以后可以得到速度和加速度反馈，通过运动控 制器实现闭环控制按速度控制模式下的要求连接电路如图7 所示： 图7 运动控制器电路联接示意图 山东大学硕士学位论文 首先设置g t - 4 0 0 s v 看门狗跳线选择器j p 3 有效，看门狗实时监视运动控 制器的工作状态，当控制器死机时，看门狗在延时一段时间后自动使控制器复 位。硬件检查和设置完成后，关闭计算机，用扁平电缆将g t - 4 0 0 s v 的c n 2 接口与转接挡板的扁平电缆联结器联结。将g t - 4 0 0 s v 插入空的p c i 总线插槽， 并将其固定在机箱上。同时，将转接挡板固定在机箱上。编写运动控制器版本 测试程序，如果该程序返回“版本正确”，说明运动控制器与计算机已经建立了 正常的通讯，并且运动控制器接口程序版本正确，可以进行下面的有关测试。 2 3 5 辅助设备电路的设计与连接 为了保证工作台的运行的安全性，避免因意外原因造成的飞车、过冲对工 作台的损害，以及提高系统的重复定位精度，需要为工作台加装限位开关和原 点开关。 我们通过控制卡的专用输入接口c n l 2 与开关连接。安装限位开关时。一 定要保证它的有效触发和可通过性。根据安全标准，系统的限位开关须接成常 闭状态。当工作台的运动超过其物理有效行程将使限位开关打开，原点开关为 常开状态。连接方法如图8 所示： 图8 限位、原点开关连接示意图 1 8 山东大学硕士学位论文 2 3 6 伺服驱动器的调整与测试 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进行试运转。在试运转时，断开负载和运动控 制器的连接，如果电机在试运转情况下能够正常运转，说明电机和驱动器状态 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( p r 0 2 = 1 ) 。报据需要，设置伺服驱动器的其他参 数到合适的值，并且通过自动零漂调整功能设置自动零漂参数。 d c 1 2 、k 2 v d c l 吖 图9 伺服驱动器速度模式测试电路连接 在设置完参数后，开始速度控制模式下的试运转，如图9 所示加一个直流 电压到速度指令输入s p r ( 蝴1 4 脚) 与地( c n i f1 5 脚) 之间。置电压于0 ， 看电机是否停止。从0 开始逐渐增加电压，确保电机转动并且转速作相应的变 化，选择监视器模式以监视电机的转速，确保电机的转速是按照指令规定变化 的。同时观察电机的运转平稳性和速度指令的跟踪性能，调摧相应的参数直至 满意为止。 1 9 山东大学硕士学位论文 2 4 本章小结 通过机械部分的安装与调整，以及控制电路部分的连接，我们已经建立了 完整的硬件系统。对整个系统而言，机械部分的精度是整个系统定位精度的基 础，对系统的整体性能起决定作用。主电路的设计要保证系统的安全，要在主 电路的主干线上设置一个急停按钮用于紧急情况下的操作。伺服编码器电路和 运动控制器电路的连接要保证线路具有良好的屏蔽效果，同时对于特定的线路 要求用屏蔽的双绞线。辅助设备的连接要保证连接可靠和正确的触发。在连接 完成后，只有对系统进行了有效的设置和测试以后，才能进行后续的工作。至 此，我们完成了硬件系统的设计安装工作，为试验提供了一个有效的平台。 山东大学硕士学位论文 3 x y 工作台软件