基于FPGA的數控切割機床加工誤差補償系統研究

江西制造職業技術學院 機電工程系 郝 勇

在切割機加工過程中，數控切割機的刀具存在定位誤差，依照誤差補償方法，提出了基于FPGA的誤差補償系統，并設計了硬件模塊，該系統的硬件構架使用浮點型FPGA，該系統在數控切割機工作過程中能夠滿足高精度控制刀具的要求，同時在誤差補償的及時性方面也優于傳統誤差補償系統。使用該系統可使數控機床刀具誤差定位精度從0.9～1mm提升到0.6～0.8mm。

引言：近幾年，越來越多的企業逐漸認識到數控切割機的加工誤差實時補償的積極意義，尤其是在制造業如此發達的時代背景下，很多企業加大了數控切割機的加工誤差實時補償方法的研究以及逐步重視了在工程實施過程中運用現代化以及網絡化管理的思想。數控機床的定位精度主要是指機床的運行零部件在數控系統控制下不能達到準確的位置精度，對切削生產產生重要影響。為了降低誤差的影響，運用誤差補償方法對數控加工中存在的工件加工誤差進行準確預測，通過硬件與軟件使數控機床模擬一種誤差以達到誤差相互抵消的過程。

現階段國內工業領域中多數使用的是經濟型數控加工系統，其中大部分并不具備誤差補償功能，一些高端數控系統雖然具有誤差補償功能，但其補償功能單一。為此設計一種適用范圍廣、應用性強的誤差補償系統迫在眉睫。本文主要通過使用軟件硬化技術實現FPGA誤差補償系統，以發揮出系統中各模塊作用。

1 數控切割機硬件結構

隨著計算機技術迅速發展，人們正在研究以PC技術為基礎的各種數控系統，而誤差實時補償系統中最主要功能為收到程序編碼所反饋的主軸刀具所處具體位置代號，依據編碼顯示精確位置，經計算得出誤差數值，此種誤差數值會以脈沖形式反向疊加到已有的脈沖上，然后以信號的形式發出，數控系統接收到這一信息反饋結果。使用FPGA實現誤差補償系統最大優勢是其能夠進行最準確的邏輯運算，并能夠快速完成各電路接口的邏輯轉換功能，系統中FPGA芯片使用的是Spardan-6，此種芯片設計了反饋脈沖信號輸出的多個模塊，接口板可用于將編碼器反饋信號傳輸下去，其主要功能相當于一個擴展板。在數控切割系統中，若想保證切割機頭與鋼板之間的誤差可以降到最低，需加配自動調高設備，由于數控切割機的工作速度、控制精度與載荷要求都比較高，所以采用步進電機控制方式，控制系統硬件框圖如圖1所示：

圖1 控制系統硬件圖

2 FPGA模塊電路設計

（1）系統位置檢測模塊，系統中電機驅動器與步進電機主要是通過FPGA位置檢測板接收反饋信息，脈沖顯示頻率倍數為6倍，在所研究系統中電機運用的是增量式光電編碼器，脈沖信號的輸出需要依據數控切割刀具中心軸旋轉角度，進行脈沖計數。以其中兩路電路信號為例，當一路信號比另一路信號超前偏移90°時，增量式光電編碼器順時針旋轉，當一路信號滯后于另一路信號偏移90°時，增量式光電編碼器逆時針旋轉，數控系統輸出一個脈沖信號，表明增量式光電編碼器已旋轉360°。

為使誤差實時補償系統可以實現對增量式編碼器脈沖的正向與反向及六倍數顯示頻率計數，運用10個觸發器鎖傳輸脈沖信號，如圖2所示，經過倍頻的脈沖信號作為計數器的時鐘信號，由此完成正向與反向計數。

圖2 脈沖信號電路圖

（2）FPGA內脈沖發生模塊，該模塊的作用是接收位置檢測模塊所傳輸到的補償脈沖數，反向補償到已有的脈沖上，將此模塊與數控切削系統相連接，以實現誤差補償功能。在脈沖發生模塊中設定三種不同狀態，即無補償、正向補償、反向補償。首先我們將補償脈沖值進行正負補償，當補償值為負值時，可判定為正向補償，當補償值為0時，判定為不補償，當補償值為正值時，可判定為反向補償，補償過程完成后，將誤差信號進行傳輸給數控系統。

3 實驗論證分析

為了減少實驗過程中的隨機誤差，需要進行誤差數據測量，將數控機床x軸與y軸分別進行三次檢測，將測量的平均值作為測量結果，本文設計的誤差實時補償系統以數控機床的y軸定位誤差測量為例，在y軸行程范圍600mm范圍內每隔20mm作為一個測量點，傳統誤差測量系統與FPGA誤差測量系統對y軸的定位測量，結果如下表1所示。

表1 y軸定位測量數據

為保證本文設計FPGA數控切割機床加工誤差補償系統對于機器設備的有效性，進行實驗論證，實驗論證采用對同一加工誤差分別采用傳統補償系統與本文設計補償系統進行論證實驗。從補償的及時性和準確性方面進行對比分析，對于準確性的高低結果曲線如圖3所示。

圖3中數控切割機床誤差補償系統運行準確性以1作為最大值，準確性的數字越接近1則代表這種方法的補救更為準確和及時，也就是說更優異。則根據上圖分析可以得出，本文設計的數控切割機的加工誤差實時補償系統與傳統補償系統在多數情況下，FPGA數控切割機床加工誤差補償系統更具有節約資源性、一致性和準確性，數控切割機的加工誤差實時補償系統對于數控切割機不同的加工誤差也更具有說服力。從準確性上來說，本文設計的數控切割機加工誤差實時補償系統與傳統的補償方法相比準確性更高，更能節約人力資源。

圖3 實驗論證結果曲線

4 結束語

綜上所述，設計FPGA數控切割機床誤差補償系統能夠實現在線自動實時誤差補償，大幅度提高機床刀具誤差補償精度，而該系統的另一個優勢是實用性強，經濟型與高端型數控切割機都能夠適用，在機床主軸偏置中進行了實際補償驗證，具有良好的應用前景。