CN1562563A - 数控机床误差补偿方法及其系统 - Google Patents

Abstract

数控机床的误差补偿方法及其系统属于数控机床技术领域，其特征在于它基于PC平台，实时多任务的RT－Linux操作系统，以半闭环位置控制为主，全闭环位置控制为辅，以感应同步器为终端实际位置反馈元件，实现双位置闭环控制，同时，相应地提出了一个以伺服电机实现半闭环、以感应同步器实现全闭环的机床工作台位置闭环控制系统。它提高了以半闭环位置控制的数控机床进给系统的定位精度和轨迹跟踪精度，而且，当数控机床定位误差随时间变化时定位误差补偿量能实时地予以更新和矫正。

Description

数控机床误差补偿方法及其系统

技术领域

数控机床误差补偿方法及其系统属于数控机床技术领域。

背景技术

在数控机床工作台大都采用旋转伺服电机+滚珠丝杠的传动方式，机械传动链中包括有联轴器、滚珠丝杠、螺母副、轴承等欠刚性元件，而且机械传动链中还存在丝杠螺母的制造、安装误差和传动间隙，这些因素的存在严重地影响系统的定位精度和轨迹跟踪精度。

在机床等位置控制系统中，一般是利用伺服电机的角位移信息作为位置控制的反馈环，从而构成一个半闭环的位置控制系统。在这种控制方式中，被驱动的机械部件的刚性等因素不会给控制系统的稳定性带来影响，因而具有比较容易构造位置控制系统的优点。但由于被驱动机械部件存在的弹性、摩擦、非线性和几何误差等因素的影响，要实现被驱动的机械部件极高的位置控制精度比较困难，另外，数控机床采用丝杠螺母副传动，由于在丝杠和螺母的加工过程中不可避免存在加工误差，从而造成数控机床传动过程的螺距误差。

由于螺距误差的存在，当数控机床采用半闭环位置控制时，即使伺服电机的回转角位移精度很高，但在以工作台位移为最终控制目标时，在控制过程中不可避免地要产生定位误差和轨迹跟踪误差。因此，在大多数的数控装置中，为了补偿螺距误差引起的机床定位误差和轨迹跟踪误差，通常都具备螺距误差补偿功能。它们在进行螺距误差补偿时，通过预先测定丝杠螺母副传动系统的螺距误差，然后将该螺距误差和其对应的坐标位置存储于数控装置中，当数控系统进行坐标轴运动控制时，将机床坐标位置对应的螺距误差加到控制指令中，实现对螺距误差的补偿。

另外，传统的数控机床半闭环位置控制系统的螺距误差补偿功能，螺距误差补偿量和机床工作台的坐标位置是对应的。实际上，在机床的丝杠螺母副传动过程中，位置控制时由于运动方向的不同，丝杠和螺母的接触面也不同，而在丝杠和螺母的加工过程中的加工误差造成的螺距误差，运动方向不同该误差也不相同，因而即使是在机床上相同的位置，由于运动方向不同在同一点的定位误差也不相同。因此传统的螺距误差补偿方法很难实现高精度的定位精度。

而且，如果机床长时间使用后，由于机械磨损、松动等原因，机床的定位误差和轨迹跟踪误差也会随时间的变化而变化。因而一段时间后，最初测得的误差补偿值已经不能适应机床误差补偿的要求，必须重新测量机床的误差补偿量，修改数控系统的误差补偿参数。

与此相对，如果反馈环利用的是被驱动的机械部件的位置信息，则构成了一个全闭环的位置控制系统，在全闭环的位置控制系统中，即使系统存在螺距误差，由于位置反馈值直接就是控制对象的实际位置，因而从理论上来说，全闭环位置控制系统不会产生螺距误差。在这种控制方式中，当伺服电机和位置传感器之间的机械部件的刚性较低时，难于保持控制系统的稳定性，降低控制系统的增益虽然可以提高系统的稳定性，但在控制系统增益较低的时机床的定位精度和轨迹跟踪精度又难于保证。

融半闭环和全闭环合于一体的双闭环位置控制系统，能弥补各自的缺点，得到较高的位置控制精度及良好的位置控制系统稳定性。其实质是利用了伺服电机位置和负载(机床工作台)位置，为控制系统提供控制参量。在这个控制方案中，以半闭环控制为基本控制结构，附加一个以伺服电机轴的位置和负载轴的位置的偏差作为负载的目标位置的控制环，来实时修正控制目标值，从而实现负载轴的实际位置和目标位置的一致性这样的控制功能。该控制系统结构具有与半闭环控制系统相同的稳定性，而且在负载刚性较低的情况下又具有和全闭环同样控制效果的位置控制精度。

常用的位置检测装置包括感应同步器、光栅、磁栅、脉冲编码器、旋转变压器等。脉冲编码器和旋转变压器常用作半闭环控制，光栅和磁栅用作全闭环控制的反馈元件，感应同步器则作数显控制。

光栅和磁栅价格昂贵，对工作环境要求高，维修麻烦，将增加成本预算，特别是对于长行程的大型数控机床，这是不菲的费用。而感应同步器具有价格便宜，对工作环境要求低，安装和维修都很方便，接长容易，特别适合大行程位置检测。

感应同步器位置检测原理和光栅、磁栅等不同，位置检测信号与其不兼容，而通常数控系统可接受的反馈信号都是类似脉冲编码器的TTL方波信号，因此以往感应同步器局限于机床位置的数字化显示。

为了充分利用感应同步器的优点，使其能够作为位置反馈元件在数控系统中得到应用，必须对感应同步器的检测信号进行相应转换处理，即将感应同步器检测出的交变正余弦模拟信号转换为与增量式光电编码器输出兼容的A、B、Z信号。转换后的信号可直接作为NC系统的全闭环的位置反馈信号。

本发明就是针对数控机床的精度补偿问题，在控制系统硬件结构和控制算法上采取措施，以提高数控机床的运动控制精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数控机床误差补偿方法及系统。

本发明所述误差补偿方法其特征在于：它是一种以半闭环位置控制为主，全闭环位置控制为辅的双位置闭环闭环控制的误差补偿方法，它基于PC平台，依以下步骤实现：

(1)初始化以下参数要存入PC机：

机床工作台理记误差补偿权值ω：0≤ω≤0.3；

数控机床控制系统的脉冲当量δ；

机床工作台理记控制误差测量以数n，选取n在10～20之间；

机床工作台控制误差测量点个数j，一般以测量点间距10～20mm来确定测量点个数j；

第j个测量点第i次基于旋转伺服电机角位移的机床工作台位移控制指令值x(i，j)；

第k个控制周期基于旋转伺服电机角位移的机床工作台直线位移控制指令值Δx_m(k)误差预补偿的初始值ε(k_o)；

(2)PC机根据下式计算第i个测量点机床坐标轴的实际位移误差的均值Δ(j)：

$\mathrm{\Δ}\left(j\right)=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}((x_s(i,j)-x(i,j))-(x_m(i,j)-x(i,j)))$

其中，x_s(i，j)：第j个测量点第i次由工作台上直线感应同步器测得的工作台实际位置；

x_m(i，j)：第j个测量点第i次由旋转伺服电机上增量式光电编码器测量得到的机床工作台的实际位置；

x(i，j)：第j个测量点第i次基于旋转伺服电机角位移的机床工作台的控制指令值；

(3)把Δ(j)值存入PC机中，再重复步骤(2)，判断循环测量次数是否大于N，若大于N，则执行以下步骤；

(4)PC机按下式计算第k个控制周期机床坐标轴的理记位移控制指令Δx_s(k)：

${\mathrm{\Δx}}_s\left(k\right)={\mathrm{\Δx}}_m\left(k\right)+\frac{\mathrm{\Δ}(j+1)-\mathrm{\Δ}\left(j\right)}{x(j+1)-x\left(j\right)}{\mathrm{\Δx}}_m\left(k\right)$

其中，Δx_m(k)：第k个控制周期基于旋转伺服电机角位移的机床工作台直线位移控制指令

Δ(j+1)：第j+1个测量点机床坐标轴的实际值的误差；

Δ(j)：第j个测量点机床坐标轴的实际值的误差；

x(j+1)：第j+1个测量点机床坐标系的实际位置；

x(j)：第j个测量点机床坐标系的实际位置；

(5)PC机按下式计算第k个控制周期的对应机床工作台后移的机床工作台的理论误差ε_n(k)：

        ε_n(k)＝Δx_m(k)-Δx_s(k)

(6)PC机按下式计算第k个控制周期的机床坐标轴的实际位移控制指令Δx(k)：

        Δx(k)＝(Δx_m(k)+ω×ε_n(k))/δ

(7)PC机按下式计算第k个控制周期的对应机床工作台位移的机床工作台的实际误差ε(k)：

        ε(k)＝x_s(k)+x_m(k)

其中，Δx_s(k)：第k个控制周期由直线感应同步器测量得到的机床工作台实际位移，Δx_m(k)：第k个控制周期旋转伺服电机从上增量式光电编码器测量得到的机床工作台实际位移，

(8)PC机按下式计算第k+1个控制周期的对应机床工作台实际控制误差预补偿值

$\widehat{\mathrm{\ϵ}}(k+1)=\widehat{\mathrm{\ϵ}}\left(k\right)+w[\mathrm{\ϵ}\left(k\right)-\widehat{\mathrm{\ϵ}}\left(k\right)]$

其中，

第k个控制周期的机床工作台实际控制误差补偿值；

ε(k)：第k个控制周期的对应机床工作台位移的机床工作台实际误差；

(9)PC机按下式计算第k个控制周期的机床位置控制指令即伺服控制指令值r：

$r={\mathrm{\Δ}}_{n}x\left(k\right)=[{\mathrm{\Δx}}_m\left(k\right)+\mathrm{\ω}\×{\mathrm{\ϵ}}_n\left(k\right)+(1-\mathrm{\ω})\×\widehat{\mathrm{\ϵ}}\left(k\right)]/\mathrm{\δ}$

本发明所述误差补偿系统其特征在于：它含有：内置位置控制卡、测量接口卡的工业PC机、伺服驱动器，工业PC机和伺服驱动器分别与上述位置控制卡的两个接口互联，工业PC机又和测量接口卡输出端相连；

感应同步器后处理电路，它依次由信号放大电路、整形及滤波电路、信号转换电路串接而成，而信号转换电路的输出端与上述测量接口卡输入端相连；

增量式光电编码器，它们与伺服驱动器同轴相连，输出端与上述伺服驱动器输入端相连；

伺服电机它与机床工作台经丝杠-螺母机构相连；它的输入端与上述伺服驱动器输出端相连；

感应同步器，它固定在机床工作台上，它的信号输出端与上述感应同步器处理电路中的信号放大电路输入端相连。

效果数据

控制对象为TSA200型交流伺服电机驱动的运动平台，参数为：

项目	数值	单位
			最大行程	160	mm
台面尺寸	90×90	mm
			丝杠导程	4	mm
伺服电机功率	200	W
			伺服电机最大转速	2000	Rpm
丝杠轴向间隙	＜100	Um
			编码器	2000	刻线
直线光栅分辨率	1	Um
			控制分辨率	0.5	um

附图说明

图1.所发明的数控机床误差补偿系统的原理框图。

图2.直线感应同步器的信号后置处理电路的原理框图。

图3.本发明所述方法的误差补偿控制示意图。

图4.本发明所述方法的计算机程序框图。

图5效果数据图；图5a以1500mm/min速度匀速运动，运动距离25mm，补偿前轨迹跟踪误差约为125um，轨迹跟踪误差实测曲线，图5b以同样的速度运行同样的距离，补偿后轨迹跟踪误差为66.5um，控制精度提高了100％，轨迹跟踪误差实测曲线；图5c经中国计量院长度测量室采用美国Optodyne激光干涉仪(仪器精度：0.00002±1e-7mm)实测，补偿前重复定位精度125um，定位误差实测曲线；图5d补偿后重复定位精度为16um，提高了约8倍，重复定位误差实测曲线。

具体实施方案：

本发明的特点在于实现的硬件基于PC平台、软件基于实时多任务的RTLinux操作系统、以半闭环位置控制为基础、以感应同步任务器为终端实际位置反馈元件的双位置闭环控制装置，解决采用以丝杠螺母副传动的数控机床或工作台的控制精度、系统稳定性、性能价格比之间的矛盾，主要包括以下内容。

1.采用直线感应同步器作为数控机床工作台直线位移测量元件的，具有双位置信息检测的数控装置。

该数控装置中，位置控制的主体是由伺服电机增量式光电编码器构成的半闭环位置控制方式，半闭环即伺服电机的回转角位移采用传统的增量式光电编码器作为测量装置，位置全闭环信息测量部分即机床工作台的直线位移采用直线感应同步器作为测量装置。

2.数控装置硬件基于工业PC平台，主要由工业PC、位置控制卡及IO接口卡、数控机床工作台终端感应同步器后置处理模块、机床工作台位移测量接口卡组成，各控制卡通过PC总线进行控制与通讯；软件基于实时多任务操作系统RT-Linux，由CNC半闭环控制任务、基于感应同步器的终端位置测量任务、外环位置控制任务和CNC系统的PLC控制任务组成，各任务由CNC主控系统进行激活和调度。

本次发明的装置中，硬件结构的独特之处在于数控装置中除了通用的工业PC机以及位置控制卡外，还加入了独具特色的数控机床工作台实际位移测量装置及其信号接受装置及位移测量卡，该位移测量卡在整个数控系统中的作用和其它数控系统采用的双闭环位置控制系统的功能和作用并不相同。它是一个辅助的测量手段，其信号的采集和补偿功能两项任务由软件来调度和实现。

3.用于机床工作台运动坐标轴直线位移数字化测量的感应同步器后置处理装置。

该装置直接用直线感应同步器测量机床工作台直线坐标轴的实际位移，然后用后置处理电路将直线感应同步器的输出信号转换成和增量编光电码器输出信号相同的A， A，B， B，Z， Z标准TTL电平，然后由发明内容2中的本发明装置的数控机床工作台位移测量接口卡进行处理，可以生成对应位移的数字信息。

4.在本发明的数控装置中，通过采用本发明装置测量系统检测得到的数据来生成的数控机床全闭环位移误差模型和数据，该模型和数据用于补偿半闭环数控机床的定位精度。

本次发明的数控装置，通过采集伺服电机光电编码器的对应的数控机床位移信号和直线感应同步器测量得到的数控机床工作台的实际位移信号，解算数控机床运动过程中的位移误差，经过多次重复测量，对所测得的数控机床实际位移误差进行拟合，得到数控机床运动过程中的实际位移误差模型，然后根据该误差模型，来生成数控机床理论上的全闭环位移误差模型和数据。生成的数控机床全闭环理论位移模型和数据用于发明内容5的数控机床工作台位置理论误差的生成。

全闭环位移误差模型和数据不受其它条件的限制，可以随时生成和更新，数控机床在有负载或者无负载的情况下都不影响该功能的使用。这是本发明和传统的机床误差补偿测量方法相比而独有的优越性，也是本发明的特色之一。

全闭环位移误差模型与数据生成过程如下：

$\mathrm{\Δ}\left(j\right)=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}((x_s(i,j)-x(i,j))-(x_m(i,j)-x(i,j)))--\left(1\right)$

Δ(j)---第j个测量点机床坐标轴的实际位移误差

x_s(i，j)---第j个测量点第i次由直线感应同步器测量得到的机床工作台实际位移

x_m(i，j)---第j个测量点第i次由增量式光电编码器测量得到的机床工作台实际位移

x(i，j)---第j个测量点第i次基于旋转伺服电机角位移的机床工作台位移控制指令值

n---机床工作台理论控制误差测量次数，根据需要选取，可选为10～20之间

j---机床工作台误差测量点个数，根据工作台行程以及数控系统伺服周期确定，可以以测量点间距10～20mm来确定测量点个数。

机床工作台实际位移误差测量完毕后，将该数据存于数控系统中，用于生成机床坐标轴的理论位移控制指令。机床坐标轴的理论位移控制指令采用下属方法生成：

${\mathrm{\Δx}}_s\left(k\right)={\mathrm{\Δx}}_m\left(k\right)+\frac{\mathrm{\Δ}(j+1)-\mathrm{\Δ}\left(j\right)}{x(j+1)-x\left(j\right)}{\mathrm{\Δx}}_m\left(k\right)--\left(2\right)$

Δx_s(k)---第k个控制周期机床坐标轴的理论位移控制指令

Δx_m(k)---第k个控制周期基于旋转伺服电机角位移的机床工作台直线位移控制指令

Δ(j+1)---第j+1个测量点机床坐标轴的实际位移误差

Δ(j)---第j个测量点机床坐标轴的实际位移误差

x(j+1)---第j+1个测量点基于机床座标系的实际位置

x(j)---第j个测量点基于机床座标系的实际位置

采用公式(2)进行计算时，首先要判断Δx_m(k)所处的测点位置，然后进行计算。

5.基于数控装置内部生成的对应于旋转伺服电机角位移的机床工作台直线位移控制指令和对应的机床工作台坐标轴直线位移指令的机床工作台位置理论误差生成方法。

在本次发明的数控装置中，根据数控机床要执行的NC代码，装置内部的控制指令生成器首先生成对应的旋转伺服电机角位移指令，该角位移对应的机床工作台坐标轴直线位移指令没有考虑机械系统的间隙、丝杠螺母传动刚度、摩擦以及螺距误差等因素，只考虑机械的角位移-直线位移传动比(丝杠导程)，控制指令的生成及对应的控制模型是基于理想的半闭环模型。同时控制指令生成器还要直接生成机床工作台坐标轴直线位移指令，该直线位移指令考虑了机械系统的间隙、丝杠螺母传动刚度、摩擦以及螺距误差等因素，控制指令的生成及对应的控制模型是基于机床位置全闭环控制模型。

以上两种在同一个位置控制周期中的位移指令的差值，就是由控制器内部自动生成的机床位置控制过程中采用位置半闭环和位置全闭环控制之间的由于控制方式不同所产生的理论控制误差值。理论控制误差值生成方法如下：

               ε_n(k)＝Δx_m(k)-Δx_s(k)         (3)

Δx_s(k)---第k个控制周期机床坐标轴的理论位移控制指令

Δx_m(k)---第k个控制周期基于旋转伺服电机角位移的机床工作台直线位移控制指令

ε_n(k)---第k个控制周期的对应机床工作台位移的机床工作台理论误差

6.基于旋转伺服电机角位移的机床工作台直线位移控制指令生成机床坐标轴的实际位移控制指令生成方法。

由于机床工作台的直线运动是通过丝杠螺母传动将伺服电机角位移转化为机床工作台的直线位移，采用丝杠螺母副传动时由于系统中存在摩擦、弹性、等环节，如果采用简单的换算将产生原理误差，导致机床工作台产生定位误差。因此，在数控装置的控制过程中，根据每一个特定的机床工作台，通过系统内部的控制算法，将NC代码确定的位移控制量分别转换为旋转伺服电机的角位移指令以及对应的机床工作台坐标轴直线位移指令，比较这两个位移之间的关系，确定出数控装置实际的位移控制指令。数控装置实际的位移控制指令生成方法如下：

Δx(k)＝(Δx_m(k)+ω×ε_n(k))/δ          (4)

Δx(k)---第k个控制周期机床坐标轴的实际位移控制指令

Δx_m(k)---第k个控制周期基于旋转伺服电机角位移的机床工作台直线位移控制指令

ε_n(k)---第k个控制周期的对应机床工作台位移的机床工作台理论误差

δ-----数控机床控制系统的脉冲当量

ω-----机床工作台理论误差补偿权值，0≤ω≤1

7.基于数控装置外部测量元件生成的对应于NC代码的旋转伺服电机实际角位移和对应的机床工作台坐标轴实际直线位移的机床工作台位置实际误差生成。

在本次发明的数控装置中，控制系统在一个位置伺服控制周期中，通过检测旋转伺服电机上的光电编码器产生伺服电机角位移值，同时通过检测数控机床工作台上附加的由直线感应同步器及其后置处理电路产生的数控机床工作台的实际位移。前者是位置半闭环控制方式情况下机床的实际位移，后者是位置全闭环方式下机床工作台的实际位移。

以上两种在同一个位置控制周期中的实际位移的差值，就是数控机床实际控制过程中采用位置半闭环和位置全闭环控制由于控制方式不同所产生的实际位移误差值。

              ε(k)＝x_s(k)+x_m(k)               (5)

x_s(k)---第k个控制周期由直线感应同步器测量得到的机床工作台实际位移

x_m(k)---第k个控制周期由增量式光电编码器测量得到的机床工作台实际位移

ε(k)---第k个控制周期的对应机床工作台位移的机床工作台实际误差

公式(5)中的实际位移误差ε(k)是当前伺服周期的误差值，为实现误差的实时补偿，在每个采样周期中要对误差进行观测及预测，得到下一指令点的误差预补偿值。采用易于实时计算容易的指数加权平滑预测。这种预测方法无需建模，直接利用采集的数据进行预测，指数加权平滑预测的递推计算式为：

$\widehat{\mathrm{\ϵ}}(k+1)=\widehat{\mathrm{\ϵ}}\left(k\right)+w[\mathrm{\ϵ}\left(k\right)-\widehat{\mathrm{\ϵ}}\left(k\right)]--\left(6\right)$

---第k+1个控制周期机床工作台实际控制误差预测值

---第k个控制周期机床工作台实际控制误差预测值

ε(k)---第k个控制周期的对应机床工作台位移的机床工作台实际误差

w---权系数，工程中常取0＜w＜＝0.3，以保证得到较高的预测精度。

8.在数控装置中，基于对应于NC代码的旋转伺服电机角位移指令和上面第5个发明内容与第6个发明内容中生成的位置误差值信息来生成补偿后的机床坐标轴的实际位置控制指令的方法。

本次发明的数控装置，位置控制的主体结构仍然是半闭环的位置控制方式，这样既可以充分发挥半闭环位置控制方式的优点，同时又能针对目前大多数的数控机床都采用半闭环位置控制这一现实。数控装置中生成的位移控制指令实际上是针对伺服电机的角位移指令，只是在该位移指令生成的时候，同时也加入了发明内容6以及发明内容7的位移误差信息，得到机床坐标轴的实际位移控制指令，以此来提高数控机床坐标轴的位置控制精度。

$r={\mathrm{\Δ}}_{n}x\left(k\right)=[{\mathrm{\Δx}}_m\left(k\right)+\mathrm{\ω}\×{\mathrm{\ϵ}}_n\left(k\right)+(1-\mathrm{\ω})\×\widehat{\mathrm{\ϵ}}\left(k\right)]/\mathrm{\δ}--\left(7\right)$

Δx_n(k)---第k个控制周期机床坐标轴的实际位移控制指令

Δx_m(k)---第k个控制周期基于旋转伺服电机角位移的机床工作台直线位移控制指令

ε_n(k)---第k个控制周期的对应机床工作台位移的机床工作台理论误差

δ-----数控机床控制系统的脉冲当量

ω-----机床工作台理论误差补偿权值，0≤ω≤1

---第k个控制周期机床工作台实际控制误差预测值

r---第k个控制周期机床坐标轴的实际位移控制指令(伺服控制指令值)

9.在数控装置中，基于发明内容8中生成的机床位置控制指令，以伺服电机为主要控制对象的位置控制方法。

数控装置生成的位置控制指令中包含有本发明内容4和发明内容5所生成的位移误差信息，而数控装置实际的控制对象是伺服电机，控制的目标是数控机床工作台坐标轴的位置控制精度，因此本发明的半闭环位置控制器结构及算法和常规的半闭环位置控制器结构及算法相比有特殊性，常规的半闭环位置控制指令中不包含本发明内容6和发明内容7的误差信息。

本发明结构及工作过程如图1～图4所示，以下对本发明装置实施方式结合图形进行说明。

图1为本发明的数控机床误差补偿装置组成图，该数控装置采用工业PC机1作为主控机，基于RT-Linux实时多任务操作系统。数控装置2的硬件由插入PC机中的位置控制卡3和测量接口卡4组成，通过配套的控制软件来实现对数控机床的控制和误差补偿。位置控制卡通3的作用是将数控装置软件计算得到的控制信号进行转换，送到伺服驱动器上，完成对机床的位置伺服功能，同时它还要从伺服驱动器上获取伺服电机增量式光电编码器7的信号，提供给数控装置2作反馈信息。数控装置2的测量接口卡4将感应同步器后置处理器6送过来的机床工作台7的实际位置信息进行解算，供数控装置作为误差补偿信息源。伺服驱动器5将数控装置2的位置控制卡3送过来的控制信号进行处理，完成对数控机床的半闭环控制。

图2是图1中感应同步器后置处理6的结构及工作原理图，感应同步器后置处理器6中的信号放大装置13将本发明装置中的直线感应同步器9送过来的信号进行放大，然后经过整形及滤波装置14进行处理，送入信号转换器15进行信号转换。信号转换器15将整形及滤波装置14和感应同步器参考信号发生器16送进来的信号进行解算，生成和增量式光电编码器输出信号兼容的TTL电平信号。该信号提供给本发明数控装置2的测量接口卡4，由测量接口卡4进行信号的解算，获取数控机床工作台10的实际位移，供数控装置作为误差补偿信息源。

图3是本发明的数控装置2的误差补偿控制方块图，也是本发明装置的核心和特色之一。数控装置2的半闭环位置调节器17通过获取数控装置2的机床实际位置误差计算单元20以及数控装置2的机床理论位置误差计算单元21的误差信息，解算出数控装置2在该位置伺服周期的数控机床工作台10的实际位移误差补偿值，将该补偿值和数控装置2接收到的位置控制指令r以及伺服电机编码器7通过位置控制卡3的位置控制卡反馈输入接口18得到的半闭环反馈信息通过半闭环位置调节器17进行位置伺服调节，调节运算后的结果通过位置控制卡3的位置控制卡输出接口19送到伺服驱动器5进行速度和电流的调节，完成对伺服电机8的位置伺服控制，同时也完成对数控机床的半闭环位置控制。该半闭环位置控制过程中的调节信息中包含有机床全闭环控制的信息，即通过本发明的误差补偿方法，利用数控机床工作台10运动过程的理论误差信息和实际误差信息，对机床工作台10的运动误差进行实时动态补偿，提高数控机床工作台10的运动精度。

计算机的程序流程框图见图4

通过本发明，可以提高以半闭环位置控制的数控机床进给系统的定位精度和轨迹跟踪精度。而且，当数控机床定位误差随时间发生变化时，定位误差的误差补偿量能够实时的更新和修正。

Claims (2)

1、数控机床的误差补偿方法，其特征在于，它是一种以半闭环位置控制为主，全闭环位置控制为辅的双位置闭环控制的误差补偿方法，它基于PC平台，依以下步骤实现：

(1)初始化以下参数要存入PC机：

机床工作台理论误差补偿权值ω：0≤ω≤0.3；

数控机床控制系统的脉冲当量δ；

机床工作台理轮控制误差测量次数n，选取n在10～20之间；

机床工作台控制误差测量点个数j，一般以测量点间距10～20mm来确定测量点个数j；

第j个测量点第i次基于旋转伺服电机角位移的机床工作台位移控制指令值x(i，j)；

第k个控制周期，基于旋转伺服电机角位移的机床工作台直线位移控制指令值Δx_m(k)，误差预补偿的初始值ε(k_o)；

(2)PC机根据下式计算，第i个测量点机床坐标轴的实际位移误差的均值Δ(j)：

$\mathrm{\Δ}\left(j\right)=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left((x_s(i,j)-x(i,j))-(x_m(i,j)-x(i,j))\right)$

其中，

x_s(i，j)：第j个测量点第i次由机床工作台上直线感应同步测量得到的机床工作台实际位置；

x_m(i，j)：第j个测量点第i次由旋转伺服电机上增量式光电编码器测量得到的机床工作台的实际位置；

x(i，j)：第j个测量点第i次基于旋转伺服电机角位移的机床工作台的控制指令值；

(3)把Δ(j)值存入PC机中，再重复步骤(2)，判断循环测量次数是否大于N，若大于N，则执行以下步骤；

(4)PC机按下式计算第k个控制周期机床坐标轴的理论位移控制指令Δx_s(k)：

${\mathrm{\Δx}}_s\left(k\right)={\mathrm{\Δx}}_m\left(k\right)+\frac{\mathrm{\Δ}(j+1)-\mathrm{\Δ}\left(j\right)}{x(j+1)-x\left(j\right)}{\mathrm{\Δx}}_m\left(k\right)$

其中，

Δx_m(k)：第k个控制周期基于旋转伺服电机角位移的机床工作台直线位移控制指令

Δ(j+1)：第j+1个测量点机床坐标轴的实际值的误差；

Δ(j)：第j个测量点机床坐标轴的实际值的误差；

x(j+1)：第j+1个测量点机床坐标系的实际位置；

x(j)：第j个测量点机床坐标系的实际位置；

(5)PC机按下式计算第k个控制周期的对应机床工作台位移的理论误差ε_n(k)：

     ε_n(k)＝Δx_m(k)-Δx_s(k)

(6)PC机按下式计算第k个控制周期的机床坐标轴的实际位移控制指令Δx(k)：

      Δx(k)＝(Δx_m(k)+ω×ε_n(k))/δ

(7)PC机按下式计算第k个控制周期的对应机床工作台位移的实际误差ε(k)：

      ε(k)＝x_s(k)+x_m(k)

其中，

Δx_s(k)：第k个控制周期由直线感应同步器测量得到的机床工作台实际位移，

Δx_m(k)：第k个控制周期旋转伺服电机从上增量式光电编码器测量得到的机床工作台实际位移，

(8)PC机按下式计算第k+1个控制周期的对应机床工作台实际控制误差预补偿值

$\widehat{\mathrm{\ϵ}}(k+1)=\widehat{\mathrm{\ϵ}}\left(k\right)+w[\mathrm{\ϵ}\left(k\right)-\widehat{\mathrm{\ϵ}}\left(k\right)]$

其中，

第k个控制周期的机床工作台实际控制误差补偿值；

ε(k)：第k个控制周期的对应机床工作台位移的实际误差；

(9)PC机按下式计算第k个控制周期的机床位置控制指令即伺服控制指令值r：

$r={\mathrm{\Δ}}_{n}x\left(k\right)=[{\mathrm{\Δx}}_m\left(k\right)+\mathrm{\ω}\×{\mathrm{\ϵ}}_n\left(k\right)+(1-\mathrm{\ω})\×\widehat{\mathrm{\ϵ}}\left(k\right)]/\mathrm{\δ}$

2、数控机床误差补偿系统，其特征在于，它含有：

内置位置控制卡、测量接口卡的工业PC机、伺服驱动器，工业PC机和伺服驱动器分别与上述位置控制卡的两个接口互联，工业PC机又和测量接口卡输出端相连；

感应同步器后处理电路，它依次由信号放大电路、整形及滤波电路、信号转换电路串连而成，而信号转换电路的输出端与上述测量接口卡输入端相连；

增量式光电编码器，它们与伺服驱动器同轴相连，它们输出端与上述伺服驱动器输入端相连；

伺服电机，它与机床工作台经丝杠-螺母机构相连；它的输入端与上述伺服驱动器输出端相连；

感应同步器，它固定在机床工作台上，它的信号输出端与上述感应同步器处理电路中的信号放大电路输入端相连。

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