第六章-补偿控制系统

16.1补偿控制方式误差补偿实施是移动刀具或工件使刀具和工件之间在机床空间误差的逆方向上产生一个大小与误差接近的相对运动而实现的。机床误差补偿控制方式一般可分为以下三种：闭环反馈补偿控制方式、开环前馈补偿控制方式和半闭环前馈补偿控制方式。

26.1.1闭环（反馈）补偿控制方式

闭环反馈补偿控制如图6-1所示，在机械加工过程中直接补偿实际测量值和理论值之间的误差。由于反馈信息来自于最后检测的工件尺寸，所以可消除各种误差，但是这种方法需要有像激光测微仪等的高精度尺寸检测装置。然而这种装置通常是非常昂贵的，而且其又很难在加工过程中对有复杂外形或有内部结构的工件进行实时检测，难以应用于工厂实际生产。图6-1闭环反馈补偿控制系统36.1.2开环（前馈）补偿控制方式

开环前馈补偿控制如图6-2所示，利用预先求得的加工误差数学模型，预测误差而进行补偿。但这必须有一个符合工程要求和实用的误差模型进行预测，而且要求系统不受外界因素所干扰，否则不能进行正确地预测加工误差。但是，开环前馈补偿系统很难做到系统不受外界因素所干扰，故这种控制方式也难以应用于导生产。图6-2开环前馈补偿系统46.1.3半闭环（前馈）补偿控制方式半闭环前馈补偿控制如图6-3所示，选择几个比较容易检测，又能表征系统状态、环境条件的参量作为误差数学模型的变量，建立加工误差和这些参量的并反映规律的关系式。作为半闭环前馈补偿，选择正确、合理、实用的参量是建立补偿模型重要的一步，此误差补偿控制系统的关键在于保证加工误差估计模型的高度准确性。图6-3半闭环前馈补偿控制系统5比较以上三种补偿系统，闭环反馈补偿控制系统的优点是补偿精度最高，而缺点是系统制造成本也最高；开环前馈补偿控制系统的优点是系统制造成本最低，而补偿精度也最低；半闭环前馈补偿控制系统的功能与价格比最佳，故根据我国的具体情况，以经济、技术、实用和精度等综合考虑，选用半闭环前馈补偿控制系统是相对最优的控制方式。注：数控机床的补偿控制方式与位置控制的开环控制、闭环控制和半闭环控制三种位置控制概念有所不同。一根运动轴的位置闭环控制系统需8000元左右，则三轴为24000元，另外，此系统由于响应太慢而不能用于运动速度较高的运动轴。补偿控制方式结论：66.2误差补偿控制系统的补偿实施策略在早期的误差补偿研究中，误差是通过离线修改数控代码而实现的。该方法相当耗时，且假定离线辨识的误差在实际加工中保持相同。近年来，开发了两种不同的策略来实施误差补偿：反馈中断策略和原点平移策略。7.一、反馈中断策略

反馈中断策略是将相位信号插入伺服系统的反馈环中而实现的。如图6-4所示，补偿用计算机获取编码器的反馈信号，同时，该计算机还根据误差运动综合数学模型计算机床的空间误差，且将等同于空间误差的脉冲信号与编码器信号相加减。伺服系统据此实时调节机床拖板的位置。该技术的优点是无需改变CNC控制软件，可用于任何CNC机床，包括一些具有机床运动副位置反馈装置的老型号CNC机床。然而，该技术需要特殊的电子装置将相位信号插入伺服环中。这种插入有时是非常复杂的，需要特别小心，以免插入信号与机床本身的反馈信号相干涉。图6-4反馈中断策略补偿原理脉冲发生器8PartProgramCNCControllerMotorGearEncoderCompensationComputerCompensationSignal

Table9补偿控制系统主要由微处理器MCU（分析、计算、补偿单元）结合机床控制器构成。首先通过布置在机床上的热传感器实时采集机床的温度信号（和热误差有关）并通过A/D板和输入输出接口把它送入微处理器，同时，通过机床编码器实时采集机床拖板的运动位置信号（和几何误差有关）并通过输入输出接口把它送入微处理器，根据综合误差数学模型，微处理器算出瞬时综合误差值。然后，把补偿值（误差值的相反数）跟机床编码器信号叠加后送入机床控制器，机床控制器据此实施对机床下一步运动的控制。这样，通过修正编码器输出信号（加入补偿信号），而无需改变数控机床控制器内部原先的数控程序，使得数控机床在加工过程中实现系统补偿。本过程某种程度上是一种对编码器功能的扩展改良（相当于带补偿功能的编码器）。可以适合于绝大多数类型的数控系统。其原理如图所示。10工件加工程序输出输入温度传感器位置传感器零点位置传感器数控机床模拟信号通道选择器位置信号检测器A/D信号转换器热误差元素计算位置误差元素计算误差综合数学模型分析、计算、补偿单元数控机床控制器

误差补偿控制系统结构如图所示。温度信号通过A/D板和输入输出接口等进入补偿控制系统的分析、计算、补偿单元，同时，机床运动位置信号（相对位置信号）和原点位置信号经位置信号检测器转换成绝对位置信号后也进入补偿控制系统的分析、计算、补偿单元，在这里，根据误差元素的不同性质用不同的软件把它建立为温度或者绝对位置的函数模型，再根据综合误差数学模型算出瞬时综合误差值。然后，把补偿值（误差值的相反数）跟机床编码器信号相叠加后送入机床控制器。机床控制器据此实施对机床下一步运动的控制。11温度信号端子板监控机数控机床绝对原点信号X轴位移传感器X轴位移传感器X轴位移传感器X轴接口X轴接口X轴接口绝对位置计算器MCU可变频脉冲发生器可变频脉冲发生器可变频脉冲发生器X接口Y接口Z接口放大器&A/D放大器&A/D模拟信号通道选择开关模拟信号通道选择开关接口接口误差补偿控制系统硬件框图（1）以CPU为核心的数学计算和逻辑运算单元。（2）程序存储器（ROM），保存误差模型的计算软件。（3）外部通讯接口，分别为控制器与数控系统的通讯接口以及控制器与监控机的通讯接口。当机床参数发生了变化（如长期加工后的磨损等）时，可通过监控机调整机床参数，利用RS232口方便地进行参数重新设定。（4）38通道温度信号端子板、放大器、A/D（10bit）、D/A接口等。（5）可变频率脉冲发生器，用来优化脉冲叠加及满足机床控制器所需的频率。（6）掉电保护的随机存储器（RAM），主要用于保存机床原始几何误差参数、机床绝对坐标值、刀具长度值以及空间误差计算软件计算过程所需的必要外部存储空间和误差计算结果。（7）其他辅助功能，如电路驱动、复位、显示和后备电池等。误差补偿控制器基本构成12二、.原点平移策略原点平移策略补偿原理见图6-5。补偿用计算机计算机床的空间误差，这些误差量作为补偿信号送至CNC控制器，通过I/O口平移控制系统的参考原点，并加到伺服环的控制信号中以实现误差量的补偿。这种补偿既不影响坐标值，也不影响CNC控制器上执行的工件程序，因而，对操作者而言，该方法是不可见的。原点平移法不用改变任何CNC机床的硬件，但它需要改变CNC控制器中的可编程控制器（PLC）单元，以便在CNC端可以接收补偿值。这种改变在老型号的CNC控制器中也许是不可能的。图6-5原点平移策略补偿原理13PartProgramCNCControllerMotorGearEncoderCompensationComputerCompensationSignal

Table

I/O14制造技术及自动化研究所外部机床坐标系偏置原理外部机床坐标系偏置基本原理：Oc为机械原点，Or为加工坐标原点。与工件坐标系、机床坐标系等整体一起移动。不影响坐标显示。我们经过对FANUC0系列数控系统的研究后发现，找出工件与刀具间的相对热漂误差规律后，利用FANUC数控系统提供的外部机床坐标系偏移功能，可将热漂误差通过外部机床坐标系的偏置（原点平移）加到位置控制信号中而实现热误差的实时补偿，该方法不需要修改数控指令及数控系统的软硬件，仅需在PMC的原有梯形程序后添加少许程序，对原有系统不产生任何影响。15制造技术及自动化研究所上图为数控机床误差实时补偿控制系统框架图，由图可得实时补偿器可分为三个模块（部分）：模块1为计算处理模块（8051系列单片机），模块2为CNC接口和运动控制模块，模块3传感器及变送模块（pic系统单片机）。本系统既可作为信号采集系统（热误差建模用），又可为补偿控制系统（实时补偿用）。

机床16数控机床误差实时补偿原理对于FANUC0系列数控系统，外部机床坐标系偏移功能是通过其内置PMC与CNC控制单元及MT(机床一侧，也就是外部信号)间的信息交换来实现的。X：由机床至PMC的输入信号(MT→PMC)Y：由PMC至机床的输出信号(PMC→MT)F：由CNC至PMC的输入信号(CNC→PMC)G：由PMC至CNC的输出信号(PMC→CNC)R：内部继电器D：非易失性存储器CNCPMCFGMTYX17Fanuc0i外部坐标系原点偏移功能(a)功能控制：EA0-EA7(PMC→CNC)18(b)数据信号：ED0-ED15(PMC→CNC)ED15ED14ED13ED12ED11ED10ED9ED8ED7ED6ED5ED4ED3ED2ED1ED0数据信号：（ED15-ED0）二进制编码形式：-9.999-+9.9999ED15为数据正负位0为正1为负19(c)控制信号：ESTB(PMC→CNC)和EREND(CNC→PMC)ED0-15EA0-6ESTBEREND>32ms>0ms20PMC、CNC、MT中的地址的对应关系MT→PMCPMC→CNCCNC→PMC对应信号X10.0-X10.6G003.0-G003.6EA0-EA6X10.7G003.7ESTBX12.0-X12.7G000.0-G000.7ED0-ED7X14.0-X14.7G001.0-G001.7ED8-ED15F060.0EREND21数控机床误差实时补偿装置结构22数控机床误差实时补偿装置的工作流程23数控机床定位误差实时补偿的软硬件开发工具硬件开发

硬件开发主要通过PROTEL99SE完成硬件补偿装置的单片机系统电路设计，包括电源，单片机芯片，存储芯片，并口扩展芯片，RS232串口芯片，A/D扩展芯片，光耦隔离，编码器，锁存器等电路的设计。软件开发

单片机软件：KeilC51v7.06完成补偿装置的基本运行，温度和位移信号的采集、处理和存储，误差补偿值的计算，并口输出的控制以及和上位机软件的串口通讯等功能。

上位机软件：NI公司的虚拟仪器软件Labwindows/CVI6.0主要通过和单片机系统的串口通讯和数据传输，完成温度和位移信号的上位机采集和保存，对数控机床进行外部坐标偏移的单步调试。

机床PMC程序：数控机床的数控面板数控机床外部坐标偏移功能的控制，PMC、CNC和外部信号之间的通讯和控制。24工作特性（补偿器和机床之间的综合响应）目的：对补偿值输出进行部分修正256.3计算机补偿控制系统C

N

C

控制器输入

输出工件加工程序机床

温度传感器激光测量微机输出

输入

A/D

板接口误差综合数学模型几何误差、热误差元素计算误差元素数据库放大器放大器补偿信号位置温度主轴热漂几何误差位移传感器6-6计算机补偿控制系统示意图26图6-6为基于计算机的数控机床误差（检测）补偿控制系统示意图。补偿控制系统的控制方式采用半闭环前馈补偿控制，因其功能与价格比最佳；补偿实施策略采用原点平移法，因为这种补偿系统既不影响坐标值，也不影响CNC控制器上执行的工作程序。补偿控制系统主要由微机结合机床控制器构成。首先通过布置在机床上的热传感器实时采集机床的温度信号（和热误差有关），同时，通过机床控制器实时采集机床拖板的运动位置信号（和几何误差有关）并通过A/D板和输入输出接口把这两种信号送入微机，根据综合误差数学模型，微机算出瞬时综合误差值。然后，把补偿值（误差值的相反数）送入机床控制器。机床控制器再根据补偿值