数控系统误差补偿技术研究
在数控机床上对零件实现高精度加工和检测其关键是提高机床的定位精度，主要采取两种方法:误差预防和误差补偿。误差预防是在机床的设计制造阶段进行的，即提高工艺系统的设计精度以减少误差源和表现误差，但由于技术和资金的原因，总是存在一定的制造误差：误差补偿技术是在不改变机床结构和制造精度的基础上，通过对机床加工过程的误差源分析、建模，实时地计算出加工点的空间位置误差，将该误差量反馈到机床的控制系统中，改变坐标驱动量来实现误差修正，从而提高机床定位精度。采用误差补偿技术能使加工出的零件精度高于其加工所用工艺系统能达到的正常精度，具有高效率低成本的优点，由此可见，误差补偿技术是提高机床精度必要的和实际的方法。
笔者采用以486微机和运动控制板为核心，以光栅尺为检测元件，以交流伺服电机为驱动部件，由控制软件作支持的光栅测控系统，对数控试验台的运动误差进行了测量和补偿，并对补偿前后的误差进行了比较。该测控系统性能可靠，操作方便，通用性强，具有一定的工程实用价值。
1 光栅测控系统的构成及误差分析
1.1 光栅测控系统的构成
 本系统采用主从式控制方式，上位机采用一台486PC机，主要任务包括输入输出、显示、数据接收和处理等，其控制部分包括译码、刀具补偿、速度控制、插补运算、位置控制等程序。下位机采用GM400运动伺服控制器，主要完成实际运动的位置、速度、加速度控制以及I/O处理等。检测部分采用ES-6线位移光栅尺及配套的数显仪。执行部分为交流伺服电机。

测控系统
 
GM400运动控制器是一块以IBM-PC/XT/AT及其兼容机作为主机的ISA总线应用插板，它的主要特点是具有32bit的位置、速度和加速度分辨率，允许更为精细的电机伺服控制。本系统利用GM400中的两轴控制单元控制两套交流伺服电机。数控工作台通过连接件与光栅尺上的滑块相连，光栅尺的分辨率为5µm，与光栅尺相连的数显仪可显示工作台的精确位置，数显仪与计算机通过串口传递数据。具体连接如图1所示。
机床导轨和工作台的误差是机床运动的主要误差源。假定导轨副作刚体运动，由于制造及安装误差的存在，其运动有六个自由度，即运动轴向存在定位误差，其余五个自由度也有微量误差(两项直线度误差和三项转角误差)。这样，三轴数控机床的三个轴向运动共有18项误差，同时三轴之间还存在三项关系误差即垂直度误差(xy，yz，zx)，故机床实际上共有21项原始误差。
利用上述的测控系统，可测出数控工作台在X、Y两个方向的直线位移误差。
1.2 影响测量结果的因素及消除方法
影响测量结果的主要因素有:光栅尺与工作台的平行度、机械原点的确定、测量时的运动速度、数据处理中的舍入误差等。
光栅尺与数控工作台的平行度，是造成测量误差值偏大的主要原因，在测量前应细心调整。调整时将表架固定在工作台上，千分表的弹性触头靠在光栅尺的外表面(基准面)。当工作台运动时，根据指针的摆动情况来调整光栅尺的两端，直到指针摆动在±5µm之间，即可认为二者平行。
是否能精确地确定机械原点是影响测量结果的重要原因，因为系统的机械原点是整个测量过程的基准。本系统采用感应式限位开关作为粗定位，运动轴一旦越位，该轴的运动立即停止，使工作台不再朝越位区域运动。机械原点的精确定位采取寻找索引位置的方式，即将Index信号和限位开关信号组合，捕获轴的当前位置。计算机首先得到限位开关信号，再发出捕获Index信号的命令并控制电机正转或反转，GM400碰到编码器的第一个Index信号将作为位置捕获到的触发信号，捕获到的当前位置即可作为系统的机械原点。GM400捕获的原点位置是触发脉冲到来时刻运动轴的实际位置，捕获位置精度可达±1个脉冲，反映到数显仪上，可使原点定位误差控制在5µm以内。
测量时的运动速度实际上并不影响系统误差，它只是使测得误差的表现值偏大或偏小，一般来说，速度越大，测得的误差数值越小，反之越大(从下面的试验结果可看出)。
另外，由于误差值和补偿值都是极小的数，因此在数据处理时应尽量减小舍入误差。
2 误差补偿的实现
2.1 误差补偿原理
测出不同速度下的误差，根据速度与目标位置坐标，采用查表(数据表存于计算机中)法确定该目标位置的误差值，用软件产生一个大小相等、方向相反的补偿值直接加到控制程序的目标位置坐标上。误差补偿系统工作原理如图2所示。
2.2 误差补偿的软件实现
一个数控系统是由硬件、软件共同组成的，缺一不可。当硬件设计、组装完成后，系统能否按设计要求正常工作很大程度上取决于软件系统。
本系统软件主要由初始化、串行通信、数据处理、伺服电机控制等模块组成，软件误差补偿流程见图3。
3 试验验证
3.1 试验方法
工作台的进给速度分别为300mm/min、350mm/min、400mm/min。
误差测量按单方向进行并采用阶梯循环检测方式，即每测量一次，目标位置增加一个单位长度(可以是1mm，0.5mm等)，每次测量前要先回机械原点。本试验每测量一次，目标位置增加1mm。
整个行程误差测量完毕后，即可进入误差补偿程序，测试加入补偿后的定位误差。
3.2 试验结果
以X轴为例，由试验知，数控工作台在120mm的行程上，最大误差达到400µm，且误差变化呈波动状态，没有固定规律。但在实施误差补偿后，可将全行程误差控制在15µm以内，大大提高了数控工作台的精度。具体比较试验数据如图4～图6所示(Δmax、Δ'max分别表示补偿前、后的最大误差)。
 
Δmax=410µm，Δ'max=15µm
Δmax=400µm，Δ'max=15µm
Δmax=385µm，Δ'max=15µm
ΔL=0.5m，Δ'max=15µm
 

测出各个速度下的误差值后，这些数据被自动存入计算机中形成数据表，在以后的具体加工中，计算机会根据情况把补偿值自动加入工作台的运动中，使得加工精度大大提高。图6为在计算机中存有误差表的情况下，每目标位置增加ΔL=0.5m时测得的定位误差，其最大定位误差Δ'max仍可控制在15µm以内。
3.3 结果分析
系统的定位误差是由多方面因素造成的。首先，滚珠丝杠导程累计误差是影响工作台位置精度的主要因素。其次，结构部件的位置和尺寸误差及传动部件的间隙和变形也是造成定位误差的不可忽视的原因。另外，光栅尺安装不当、安装光栅尺的台面不平以及数据处理时的舍入误差也会产生影响。
4 结论
 从试验知，定位误差在实施补偿后大幅度减小，这说明补偿方法是正确有效的。误差补偿技术是先进制造系统中提高加工精度的关键技术，基于数据表的软件误差补偿方法，能以较小的投入在不改变系统硬件的条件下实现，的确是一种提高数控系统定位精度的经济可行的办法。