一種曲線輪廓誤差補(bǔ)償?shù)恼{(diào)節(jié)控制系統(tǒng)及誤差補(bǔ)償?shù)姆椒?br>【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種機(jī)電一體化的數(shù)控插補(bǔ)及輪廓誤差控制的領(lǐng)域，更具體的說，涉 及一種曲線輪廓誤差補(bǔ)償?shù)恼{(diào)節(jié)控制系統(tǒng)及誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ā?br>【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著制造業(yè)的迅速發(fā)展、多軸聯(lián)動的CNC機(jī)床以其高速、高精度高質(zhì)量加 工的優(yōu)勢，在航天、航海、精密模具等制造業(yè)的加工具領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用。但多軸聯(lián)動 的CNC機(jī)床由于受機(jī)械傳動、電氣控制、伺服系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性、輪廓誤差協(xié)調(diào)各軸匹配各 軸的參數(shù)等，多軸聯(lián)動的CNC機(jī)床加工時常常產(chǎn)生輪廓誤差。
[0003] 以往的曲線輪廓誤差補(bǔ)償?shù)恼{(diào)節(jié)控制系統(tǒng)和誤差補(bǔ)償?shù)姆椒?，存在很大的局?性，主要表現(xiàn)在：
[0004] (1)以往的機(jī)床沒有曲線輪廓誤差補(bǔ)償?shù)难b置，只依賴于一般的數(shù)控機(jī)床，通過數(shù) 控機(jī)床上的硬件和軟件程序，只做微小量的補(bǔ)償，沒有較大范圍的補(bǔ)償，甚至沒有專門的誤 差補(bǔ)償裝置，誤差補(bǔ)償?shù)男Ч懿睿?br>[0005] (2)以往的曲線輪廓誤差補(bǔ)償裝置沒有內(nèi)置曲線交叉耦合輪廓誤差補(bǔ)償器和曲線 交叉耦合補(bǔ)償器，只是針對通用的曲線插補(bǔ)而設(shè)計，曲線插補(bǔ)算法的有效性有待進(jìn)一步優(yōu) 化；
[0006] (3)以往的曲線輪廓誤差補(bǔ)償沒有采用交叉耦合輪廓誤差補(bǔ)償法，輪廓誤差較低， 插補(bǔ)控制精度不高，沒有最大限度地減小單軸方向的震動。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明是為了克服上述不足，給出了一種曲線交叉耦合輪廓誤差補(bǔ)償?shù)恼{(diào)節(jié)控制 系統(tǒng)。
[0008] 本發(fā)明進(jìn)一步限定的技術(shù)方案如下：
[0009] 為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種曲線交叉耦合輪廓誤差補(bǔ)償?shù)恼{(diào)節(jié)控制 系統(tǒng)，包括數(shù)控PC、曲線交叉耦合輪廓誤差補(bǔ)償調(diào)節(jié)運(yùn)動控制卡、驅(qū)動器、伺服電機(jī)模塊及 位置反饋檢測模塊。所述的數(shù)控PC包括數(shù)控PC機(jī)、顯示器及PCI接口芯片；一端與顯示器 相連實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話，另一端通過PCI接口芯片與曲線交叉耦合輪廓誤差補(bǔ)償調(diào)節(jié)運(yùn)動控制 卡相連接，實(shí)現(xiàn)曲線交叉耦合輪廓誤差的補(bǔ)償。
[0010] 所述的曲線交叉耦合輪廓誤差補(bǔ)償調(diào)節(jié)運(yùn)動控制卡包括；所述的曲線交叉耦合輪 廓誤差補(bǔ)償調(diào)節(jié)運(yùn)動控制卡、PCI9025芯片、CPLD、通訊模塊、I/O接口電路模塊及曲線交叉 耦合輪廓誤差補(bǔ)償器。
[0011] 具體地，所述的CPLD采用MAX7000E芯片，編程靈活、系統(tǒng)斷電后編程信息不丟失。
[0012] 所述的通訊模塊采用光纖電纜線和RS482通訊線，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸及通訊。
[0013] 所述的D/A轉(zhuǎn)化電路模塊包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器和運(yùn)算放大電路，實(shí)現(xiàn)由數(shù)字量到模擬 量的轉(zhuǎn)化，達(dá)到數(shù)控機(jī)床曲線輪廓控制的要求；所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用TI公司的32位單通 道串行電壓為10V輸入型數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
[0014]所述的驅(qū)動器包括x軸電機(jī)驅(qū)動器、y軸電機(jī)驅(qū)動器、z軸的電機(jī)驅(qū)動器。
[0015] 具體地，所述的X軸的電機(jī)驅(qū)動器采用6SL3210-5CB13-7AA0的驅(qū)動器，完成X軸 的電機(jī)驅(qū)動。
[0016] 所述的y軸的電機(jī)驅(qū)動器采用6SL3210-5CB12-0AA0的驅(qū)動器，完成y軸的電機(jī)驅(qū) 動。
[0017] 所述的Z軸的電機(jī)驅(qū)動器采用6SL3210-5CB11-1AA0的驅(qū)動器，完成Z軸的電機(jī)驅(qū) 動。
[0018] 所述的伺服電機(jī)模塊包括x軸的伺服電機(jī)、y軸的伺服電機(jī)、z軸的伺服電機(jī)。
[0019] 具體地，所述的x軸伺服電機(jī)采用1FL4044-0AF21-0AA0的伺服驅(qū)動電機(jī)。
[0020] 所述的y軸伺服電機(jī)采用1FL4033-0AF21-0AA0的伺服驅(qū)動電機(jī)。
[0021] 所述的z軸伺服電機(jī)采用1FL4032-0AF21-0AA0的伺服驅(qū)動電機(jī)。
[0022] 所述的曲線交叉耦合輪廓誤差補(bǔ)償器包括DSP模塊、D/A輸出模塊、I/O擴(kuò)展功能 模塊、交叉耦合輪廓補(bǔ)償調(diào)節(jié)器。
[0023] 具體地，所述的DSP模塊采用TI公司的32位DSP TMS320F2812CCS芯片，具有較 強(qiáng)的曲線輪廓插補(bǔ)運(yùn)算能力和信號處理能力。
[0024] 所述的D/A輸出模塊具有數(shù)/模轉(zhuǎn)換功能，可以將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量。
[0025] 所述的I/O擴(kuò)展功能模塊包括RAM，是外圍存儲模塊，存儲容量為16GB。
[0026] 所述的交叉耦合輪廓補(bǔ)償調(diào)節(jié)器，通過交叉耦合電路及硬件裝置，改變調(diào)節(jié)參數(shù)p 實(shí)現(xiàn)曲線輪廓誤差補(bǔ)償?shù)恼{(diào)節(jié)。
[0027] 本發(fā)明還提供了另一種技術(shù)方案：
[0028] -種曲線交叉耦合輪廓誤差補(bǔ)償?shù)恼{(diào)節(jié)控制的方法，該方法包括以下步驟：
[0029] 步驟一、建立單軸聯(lián)動的機(jī)床及空間曲線模型；
[0030]1)、建立單軸聯(lián)動的機(jī)床模型，得到二階輪廓控制系統(tǒng)誤差模型；
[0031] 以x軸為例建立伺服系統(tǒng)的模型，所述的單軸聯(lián)動的機(jī)床模型包括插補(bǔ)控制器、 放大器、x軸伺服電機(jī)、齒輪變速箱、機(jī)床工作臺、測速計、位置檢測裝置，所述的測速計用于 檢測曲線的跟隨誤差。
[0032] 進(jìn)一步地，放大器、x軸伺服電機(jī)及測速計構(gòu)成速度環(huán)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，便于分析 速度環(huán)的傳遞函數(shù)。
[0033] 建立單軸伺服驅(qū)動非耦合輪廓控制機(jī)床的模型：
[0034] 具體地，
[0036] 式中，&為位置環(huán)增益；KVS速度環(huán)增益；K m為伺服驅(qū)動電機(jī)增益；Sn為電機(jī)扭矩 系數(shù)，是常數(shù)；(s)是傳遞函數(shù)。
[0037] 具體地，
[0039]式中，I為阻尼系數(shù)，為固有頻率。
[0041] 具體地，對于三坐標(biāo)輪廓系統(tǒng)的特性分析：
[0042]當(dāng)參數(shù)^、^11不相匹配時，產(chǎn)生曲線輪廓誤差，插補(bǔ)曲線將發(fā)生嚴(yán)重的變形， 甚至失真，各個軸的參數(shù)匹配很困難，難免將產(chǎn)生輪廓誤差。
[0043]2)、建立空間曲線輪廓誤差補(bǔ)償模型；
[0044] 步驟二、空間曲線輪廓誤差和跟隨誤差分析：
[0045] St印1:建立空間曲線輪廓模型；
[0048] 式中：9為插補(bǔ)t時刻曲線運(yùn)動的位置與x軸的夾角，爐為插補(bǔ)t時刻曲線運(yùn)動 的位置與z軸的夾角為(Xi,y。zD，M2 (xi+1+m,yi+1+m,zi+1+m)曲線插補(bǔ)運(yùn)動的坐標(biāo)點(diǎn)；ekx、eky、 e ^分別表示x軸、y軸、z軸輪廓誤差分量；e kx、eky、ekj別表示x軸、y軸、z軸跟隨誤差 分量。
[0049] 具體地，
[0051] 伺服系統(tǒng)運(yùn)動要受到輪廓誤差和跟隨誤差，一般情況要減少輪廓誤差和跟隨誤 差，伺服系統(tǒng)的運(yùn)動最終表現(xiàn)為輪廓誤差。
[0052] Step2 :得到空間曲線輪廓誤差的公式
[0054] 更進(jìn)一步地，為使式（7)具有普遍意義，令
[0056] 式中，Ex、Ey、別表示x軸、y軸、z軸的跟隨誤差；C x、Cy、Cz分別表示x軸、y軸、 z軸的耦合器的增益。
[0057] 將式（7)及⑶代入式（6)得
[0058] 又，
[0059] e = -ExCx+EyCy+EzC z (9)
[0060] 步驟三：交叉耦合輪廓誤差補(bǔ)償?shù)目刂品椒?，確定耦合輪廓補(bǔ)償控制方案：
[0061] 在充分考慮各軸之間耦合和協(xié)調(diào)控制的關(guān)系后，采用耦合交叉耦合輪廓誤差補(bǔ)償 法，引入各軸之間速度反饋信號，最大限度地消除軸間的輪廓誤差，控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。
[0062] 具體地，
[0064] 式中，U*x、U*y、匕分別表示x軸、y軸、z軸的增益耦合速度；E rx、Ery、民2分別表示 x軸、y軸、z軸的耦合位置誤差值。
[0065] 又，
[0067] 式中，p為輪廓誤差補(bǔ)償調(diào)節(jié)的因子；Kpx、Kpy、K pz分別表示x軸、y軸、z軸的位置 增益。
[0068] 詳細(xì)地，
[0070] 步驟四：得到交叉耦合輪廓補(bǔ)償誤差控制方法：
[0071] 詳細(xì)地，將式（12)代入式（3)
[0072] e = Kpx (Ex+pErx) +Kpy (Ey+pEry) +Kpz (Ez+pErz) (13)
[0073] 由式（13)可知，若p越大，則輪廓