機(jī)床測(cè)頭測(cè)量滯后時(shí)間補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用研究

王旭, 賈聰聰

（武漢華中數(shù)控股份有限公司,武漢 430223）

0 引言

目前，數(shù)控機(jī)床在工件加工前、加工中和加工后應(yīng)用觸發(fā)式測(cè)頭進(jìn)行測(cè)量[1-4]。當(dāng)探針觸碰到測(cè)量點(diǎn)后，反饋以脈沖為單位的實(shí)際位置值，但由于系統(tǒng)誤差、測(cè)頭擺動(dòng)滯后和信號(hào)延遲等復(fù)雜因素影響，測(cè)量數(shù)據(jù)存在誤差。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)測(cè)量誤差的影響因素和如何降低該誤差進(jìn)行了深入研究，其中姜成偉[5]對(duì)測(cè)頭測(cè)量誤差進(jìn)行了采集，并加以參數(shù)補(bǔ)償；陳芳采[6]用了宏程序計(jì)算實(shí)際位置與雙向步距規(guī)的理論值，得到了測(cè)量誤差補(bǔ)償值。白克等[7]通過(guò)修改測(cè)量速度，校正給定方向上的測(cè)頭預(yù)行程降低了測(cè)量誤差。M. Jankowski等[8]建立了測(cè)量誤差的力學(xué)模型，并驗(yàn)證了系統(tǒng)誤差較隨機(jī)誤差對(duì)測(cè)量精度的影響大。

上述方案大多受插補(bǔ)周期影響，只能計(jì)算至毫秒級(jí)的位置值，且由于觸碰不僅發(fā)生在勻速階段，也可能發(fā)生在降速階段，大多數(shù)方案會(huì)將錯(cuò)誤數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)控制器進(jìn)行計(jì)算。因此，本文提出一種測(cè)量滯后時(shí)間補(bǔ)償?shù)男路椒ǎ鶕?jù)觸碰前和觸碰時(shí)的實(shí)際位置，以及高速I-O板卡反饋的鎖存時(shí)間戳信息，插值計(jì)算精確到微秒級(jí)的位置值，并緩存觸碰前50個(gè)周期的軸反饋脈沖增量，根據(jù)需要補(bǔ)償?shù)闹芷跀?shù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)脈沖增量補(bǔ)償。

1 測(cè)量滯后時(shí)間共性說(shuō)明

為驗(yàn)證機(jī)床測(cè)量時(shí)滯后時(shí)間普遍存在，分別采用Renishaw和Hexagon觸發(fā)式測(cè)頭對(duì)不同機(jī)床進(jìn)行測(cè)量分析，以不同進(jìn)給速度對(duì)X、Y、Z三軸進(jìn)行測(cè)量。在此僅列舉其中一臺(tái)機(jī)床X軸數(shù)據(jù)作為說(shuō)明。

由表1可知，以進(jìn)給速度10 mm/min為基準(zhǔn)時(shí)，隨著進(jìn)給速度的提高，位置偏差增大。根據(jù)每毫秒的移動(dòng)量計(jì)算位置偏差對(duì)應(yīng)的滯后時(shí)間，發(fā)現(xiàn)該臺(tái)機(jī)床存在10個(gè)插補(bǔ)周期的滯后時(shí)間。

表1 觸碰位置測(cè)量分析

2 滯后時(shí)間補(bǔ)償方法

2.1 實(shí)際位置插值計(jì)算

在HIO-1200板卡上開(kāi)發(fā)高速I-O功能，復(fù)用底板輸入信號(hào)作為高速I-O輸入信號(hào)，其占用兩個(gè)NCUC從站；增加高速I-O功能后，增加一個(gè)從站傳輸高速I-O的采集信息，規(guī)劃字節(jié)0～1為高速I-O上升沿鎖存時(shí)間，字節(jié)8為高速I-O狀態(tài)寄存器，其定義如表2所示。

表2 高速I-O狀態(tài)寄存器定義

基于觸碰時(shí)位置值P2與觸碰上周期的位置值P1，根據(jù)高速I-O反饋時(shí)間戳信息計(jì)算鎖存時(shí)間Δt（單位μs），進(jìn)行插值計(jì)算得到實(shí)際位置P3。

圖1 機(jī)床測(cè)量滯后時(shí)間補(bǔ)償流程

2.2 滯后時(shí)間補(bǔ)償方法

首先開(kāi)啟高速測(cè)量補(bǔ)償功能模塊，檢查觸發(fā)信號(hào)與G31跳段之間的實(shí)時(shí)性，以低進(jìn)給速度（不超過(guò)30 mm/min）觸碰，將其測(cè)量位置作為基準(zhǔn)值；然后以不同進(jìn)給速度和補(bǔ)償周期進(jìn)行觸碰測(cè)量，由于觸碰不僅發(fā)生在勻速階段，也可能發(fā)生在降速階段，故緩存觸碰前50個(gè)插補(bǔ)周期軸反饋的脈沖增量，且考慮編碼器翻轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)，根據(jù)需要補(bǔ)償?shù)闹芷跀?shù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)脈沖增量補(bǔ)償。

3 滯后時(shí)間補(bǔ)償效果分析

選取一臺(tái)配置華中8型的機(jī)床，使用Renishaw測(cè)頭對(duì)其X、Y軸進(jìn)行觸碰測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析如下。

由圖3可知，隨著進(jìn)給速度增大，實(shí)際位置對(duì)基準(zhǔn)位置的偏差增大，在0.05～0.35 mm左右；補(bǔ)償7～9個(gè)周期后，更接近基準(zhǔn)位置值，偏差接近標(biāo)準(zhǔn)0。對(duì)該補(bǔ)償段內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行列舉分析，如表3所示。

由表3可知，在補(bǔ)償周期7～9內(nèi)，對(duì)應(yīng)的位置偏差最大值從0.309 42 mm降至了0.009 66 mm，對(duì)應(yīng)滯后時(shí)間從10個(gè)周期降至了1個(gè)周期內(nèi)；補(bǔ)償后位置偏差最大值為0.009 66 mm，最小值為0.001 85 mm，且對(duì)應(yīng)不超過(guò)1個(gè)周期。

表3 X軸不同進(jìn)給速度下補(bǔ)償效果分析

由圖3可知，將低速10 mm/min作為基準(zhǔn)速度時(shí)，隨著進(jìn)給速度的增大，其對(duì)基準(zhǔn)值的位置偏差增大，在0.05～0.35 mm左右；補(bǔ)償8～10個(gè)周期后，位置偏差接近標(biāo)準(zhǔn)0。對(duì)該補(bǔ)償段內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行列舉分析，如表4所示。

圖2 X軸不同進(jìn)給速度下補(bǔ)償前后對(duì)比分析

圖3 Y軸不同進(jìn)給速度下補(bǔ)償前后對(duì)比分析

由表4可知，在補(bǔ)償周期8～10內(nèi)，對(duì)應(yīng)的位置偏差最大值為0.010 530 mm，最小值為0.001 87 mm，且對(duì)應(yīng)的滯后周期數(shù)均小于1。

表4 Y軸不同進(jìn)給速度下補(bǔ)償效果分析

4 結(jié)論

1）根據(jù)高速I-O板卡反饋的上升沿鎖存時(shí)間戳信息，以及觸碰前和觸碰時(shí)的實(shí)際位置，經(jīng)插值計(jì)算可得到精確至微秒級(jí)的位置值，提高了機(jī)床測(cè)量精度。

2）以進(jìn)給速度10 mm/min為觸碰基準(zhǔn)，隨著進(jìn)給速度增大，位置偏差增大，約0.05～0.35 mm，對(duì)應(yīng)滯后時(shí)間8～10個(gè)周期；補(bǔ)償后，偏差接近標(biāo)準(zhǔn)0，且對(duì)應(yīng)不到1個(gè)周期，從而顯著降低了測(cè)頭測(cè)量滯后時(shí)間。