基于误差补偿技术的GALIL型数控机床受控性研究

（陕西工业职业技术学院 航空工程学院，咸阳 712000）

0 引言

当今制造业正在向高精度、高品质、高集成度和智能化的方向发展，需要采用高精密制造工艺技术，GALIL型数控机床作为主要的制造设备，其应用十分广泛，该机床便于安装，已经成为提高制造业水平的重要设备[1]。使用GALIL型数控机床时，容易受到外界影响，出现机床加工精度低的问题，因此，对机床受控性分析是具有必要性的。受控性大致包括机床启停、主轴启停、旋转方向变换、进给运动方向、刀具更换、冷却液使用与停止[2]。目前，大都使用基于二维图形交互式的伺服进给系统作为机床最原始的控制系统，在机床的稳定性、响应性方面有良好的作用，高效率、稳定性好的伺服进给系统能提高机床性能[3]。但是伺服送料系统比较复杂，后期维护比较困难，受到二维图形大量参数影响，导致控制效果较差。针对一些问题，结合误差补偿技术，对GALIL型数控机床受控性进行了详细的研究。

1 数控机床受控特性分析

1.1 GALIL型数控机床

为了使机床能够达到数控化要求，需对机床机械主体部分优化设计，利用滚珠丝杠螺母更换原滑动丝杠副，减少静摩擦，提高平稳性。

GALIL型数控机床结构如图1所示。

图1 GALIL型数控机床结构

由图1可知，控制GALIL型数控机床运动的是轴运动控制器，PDMC-95424轴运动控制器是北京宝伦公司根据中国广大用户对低价格、高质量运动控制器的需求，开发的一种新产品[4]。对于多数应用开发程序来说，使用点位置控制和多轴插入字符命令，就可实现机床控制；对逻辑控制、主轴控制和限位开关控制来说，该机床提供了强大的软件开发工具，允许用户使用 VB、VC进行二次开发，以满足机床自身高精度控制需求[5]。

GALIL型数控机床具有四轴联动控制功能，在机床运行模拟过程中，通过数控机床的主轴控制输出接口，执行模拟指令，能够实现机床多齿轮的同步转动。通过互联模块，对X轴、Y轴和Z轴的切线跟踪，以此控制机床运行轮廓，保证数控机床的螺旋插补功能得以实现。GALIL型数控机床适合高性价比的制造业项目，该机床内部包含的运动控制器，是有一个总线四轴运动控制卡，除四轴模拟指令输出外，所有其他软硬件资源（包括互连模块，高密度屏蔽线）均可共享[6]。

1.2 受控特性分析

为了提高GALIL型数控机床加工质量，除削弱或消除振动来源外，从机床动态特性角度出发，在一定激振力作用下，机床振幅特性与振动频率有关。由于GALIL型数控机床受控特性主要包括机床启停、主轴启停、旋转方向变换、进给运动方向、刀具更换、冷却液使用与停止，在这些受控特性下，需要以固有频率、阻尼比、静刚度、动刚度、动态柔度为标准，各个计算公式如下所示：

1）设固有频率fn、固有角频率ωn，固有频率计算公式为：

2）设阻尼系数r、最大阻尼系数为rc，阻尼比计算公式为：

3）设激振力为F、共振振幅为Amax，静刚度计算公式为：

4）设频率比为λ、激振频率为ω，动刚度计算公式为：

5）动态柔度计算公式为：

根据上述动态特性参数可知，GALIL型数控机床启停和主轴启停，主要受固有频率影响，如果频率过大，那么机床启停和主轴启停速度变快，容易使机床运作过快发热而损坏；GALIL型数控机床刀具更换，主要受阻尼比影响，如果刀具摩擦系数较大，受到阻尼比也就越大，机床刀具更换次数变少；GALIL型数控机床旋转方向变换，主要受动刚度影响，依据动刚度数值，分析机床抵抗变形程度，如果机床变形程度较大，则容易发生机床损坏现象；GALIL型数控机床冷却液使用与停止，主要受静刚度影响，如果机床静置时间较长，则需使用冷却液，防止机床长时间不运作而使散热器胀裂而导致发动机损坏现象发生；GALIL型数控机床进给运动方向，主要受动态柔度影响，如果机床柔度大，则说明机床产生的形变就越大，机床稳定性较差。

在该特性指标下，分析GALIL型数控机床的抗振动能力，该能力可从抗振特性和切削特性两个角度出发，其中抗振特性与机床及结构有关，在同一激励下，机床产生的振动越小，抗振性能越好。而切削特性与机床抗振特性能力有关，切得越宽，力越不均匀，越容易振动。所以，切削极限宽度越大，机床越能抵抗自激振动，即越稳定。

2 基于误差补偿技术受控性研究

2.1 数控机床误差产生原因分析

就数控机床的构成而言，由于机械制造方面的原因，机床一般由床身、立柱、主轴、导轨等组成，每个零件都有一定的加工误差。基于错误的原因，机床产生的误差在很大程度上可分为以下几类：

1）加工振动

切削力是产生加工振动的主要原因，在切削过程中产生的振动会引起机床零件产生力的变化，出现零件变形问题。在该问题作用下，引发机床主轴出现移动，从而导致加工误差。

2）机床装配误差

因为机床在加工过程中有几何误差，或在使用过程中产生应力，由于机床零件与理想尺寸不一致，容易产生机件尺寸误差。另外，机床自身装配，也会引起机床零件安装不精准，导致装配误差。

3）受热不均匀

切削时，由于切削热的作用或电机等电器部件的加热，使机床产生高温，由于机床不同部位受热不均，导致热变形和工件加工误差。

4）伺服系统位置和速度测量误差

伺服控制系统在机床上会产生一定的误差，通常情况下，伺服运动系统采用闭环控制方式。通过闭环控制，可对伺服系统的位置和速度进行测量，从而导致工件的加工误差。

5）插补过程误差

机床运行过程中的复杂曲线是导致插值误差的主要原因，机床在控制过程中会出现两种插补误差，一种是由于机床多轴共同运动而引起的插补误差，另一种是机床运行过程中无法控制复杂曲线，此时需要借助直线或者圆弧带代替曲线，由此引起了插补误差。

6）速度误差

把GALIL型数控机床结构简化成一阶系统的标准模型，并采用单元反馈的方法得到系统的开环增益，其特点是对步进位置信号输入无稳态误差，而对步进速度信号输入无稳态误差，又称速度误差。该误差主要是由圆弧加工过程产生的，对于该误差做了如下分析：

设定了圆弧加工轨迹：

如果使y轴的速度分别为：

那么合成的轮廓加工速度为：

结合上述速度，在不同轴送料增益一致情况下，插补误差最小，此时的受力情况如图2所示。

图2 数控机床动力分析

如图2所示，指令位置为A，实际位置为A'，三角形OAA'可近似看作直角三角形，那么：

由于双轴进给器的增益为圆心，所以确定了双轴速度误差。

2.2 机床激振频率受控性误差补偿

机床激振频率受控性误差补偿原理，如图3所示。

由图3可知，测量设备测得的误差是以负数形式存在的，通过使用误差补偿技术，对机床加工程序启动后进行补偿，并由插补器对其进行插补处理，通过伺服驱动电机，完成对坐标轴的误差补偿。

2.3 机床振幅受控性误差补偿

机床振幅受控性误差补偿原理，如图4所示。

图3 机床激振频率受控性误差补偿原理

图4 机床振幅受控性误差补偿原理

由图4可知，利用机床关键点温度信息进行热误差补偿。在系统输入参数和启动补偿功能后，数控系统将补偿当前机床的温度信息。倾角概率计根据当前温度的倾斜率和热误差，自动更新热误差补偿公式。热误差补偿在插值周期结束后进行。为避免机床负载过大，在计算热误差补偿值后，通过监控程序调整补偿值，设置补偿值，并插值叠加输出指令的位置。

3 实验

3.1 实验数据采集和预处理

整机38台测点仪，轴头45台，整机各38台。为确保激励信号对机床主轴的各个方向都有很好的响应，应选择中间位置附近应答点的机床主轴，避免在测试频率范围内出现振动节点。

采集数据时，每组测量点要进行多次测试，采用平均法去噪，提高噪声比。示意图5所示“1”测点布置简图。

由图5可知，频率响应函数是模态试验中参数识别的基础。对不符合要求的测点，测试每个测点的传递函数的相关系数，然后进行模态分析。测试数据都有效，如表1所示。

图5 测点布置简图

表1 机床某测点实际数值

3.2 实验结果与分析

为了验证基于二维图形交互式方法和基于误差补偿技术对上述测试到的数据进行分析，如果与实际数据一致，则说明该方法检测结果是精准度，否则存在一定误差，检测结果不可用。两种技术检测结果如图6所示。

图6 两种技术检测结果对比分析

由图6(a)可知，使用基于二维图形交互式方法在不同频率下的传递函数幅值，最高为60m/s，最低为0m/s；使用基于误差补偿技术在不同频率下的传递函数幅值，最高为38m/s，最低为0m/s，与实际情况一致。

由图6(b)可知，使用基于二维图形交互式方法在不同频率下的传递函数相位，最高为160m/s，最低为-110 m/s；使用基于误差补偿技术在不同频率下的传递函数相位，最高为185m/s，最低为-80m/s，与实际情况一致。

由图6(c)可知，使用基于二维图形交互式方法在不同频率下的相干系数，最高为0.6，最低为0.4m/s；使用基于误差补偿技术在不同频率下的相干系数，最高为0.96，最低为0.6m/s，与实际情况一致。

4 结语

根据GALIL型数控机床结构，分析机床在激振力作用下的受控特性，确定受控特性指标，并通过实验验证该方法的可行性。虽然使用该方法具有精准分析结果，但在GALIL型数控机床受控特性误差补偿过程中，应以温度变化作为分析误差的重点。通过分析机床热误差，机床本体的补偿误差等问题，以GALIL型数控机床为主要模型，进行相关受控性研究，通过分析机床的动态特性以及通过误差补偿技术进行的控制特性，达到研究目的，提高机床制造能力和精度。