一种曲线轮廓误差补偿的调节控制系统及误差补偿的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种机电一体化的数控插补及轮廓误差控制的领域，更具体的说，涉 及一种曲线轮廓误差补偿的调节控制系统及误差补偿的方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着制造业的迅速发展、多轴联动的CNC机床以其高速、高精度高质量加 工的优势，在航天、航海、精密模具等制造业的加工具领域有非常广泛的应用。但多轴联动 的CNC机床由于受机械传动、电气控制、伺服系统动态响应特性、轮廓误差协调各轴匹配各 轴的参数等，多轴联动的CNC机床加工时常常产生轮廓误差。
[0003] 以往的曲线轮廓误差补偿的调节控制系统和误差补偿的方法，存在很大的局限 性，主要表现在：
[0004] (1)以往的机床没有曲线轮廓误差补偿的装置，只依赖于一般的数控机床，通过数 控机床上的硬件和软件程序，只做微小量的补偿，没有较大范围的补偿，甚至没有专门的误 差补偿装置，误差补偿的效果很差；
[0005] (2)以往的曲线轮廓误差补偿装置没有内置曲线交叉耦合轮廓误差补偿器和曲线 交叉耦合补偿器，只是针对通用的曲线插补而设计，曲线插补算法的有效性有待进一步优 化；
[0006] (3)以往的曲线轮廓误差补偿没有采用交叉耦合轮廓误差补偿法，轮廓误差较低， 插补控制精度不高，没有最大限度地减小单轴方向的震动。
【发明内容】
[0007] 本发明是为了克服上述不足，给出了一种曲线交叉耦合轮廓误差补偿的调节控制 系统。
[0008] 本发明进一步限定的技术方案如下：
[0009] 为了解决以上技术问题，本发明提供一种曲线交叉耦合轮廓误差补偿的调节控制 系统，包括数控PC、曲线交叉耦合轮廓误差补偿调节运动控制卡、驱动器、伺服电机模块及 位置反馈检测模块。所述的数控PC包括数控PC机、显示器及PCI接口芯片；一端与显示器 相连实现人机对话，另一端通过PCI接口芯片与曲线交叉耦合轮廓误差补偿调节运动控制 卡相连接，实现曲线交叉耦合轮廓误差的补偿。
[0010] 所述的曲线交叉耦合轮廓误差补偿调节运动控制卡包括；所述的曲线交叉耦合轮 廓误差补偿调节运动控制卡、PCI9025芯片、CPLD、通讯模块、I/O接口电路模块及曲线交叉 耦合轮廓误差补偿器。
[0011] 具体地，所述的CPLD采用MAX7000E芯片，编程灵活、系统断电后编程信息不丢失。
[0012] 所述的通讯模块采用光纤电缆线和RS482通讯线，实现数据的传输及通讯。
[0013] 所述的D/A转化电路模块包括数模转换器和运算放大电路，实现由数字量到模拟 量的转化，达到数控机床曲线轮廓控制的要求；所述的数模转换器采用TI公司的32位单通 道串行电压为10V输入型数模转换器。
[0014]所述的驱动器包括x轴电机驱动器、y轴电机驱动器、z轴的电机驱动器。
[0015] 具体地，所述的X轴的电机驱动器采用6SL3210-5CB13-7AA0的驱动器，完成X轴 的电机驱动。
[0016] 所述的y轴的电机驱动器采用6SL3210-5CB12-0AA0的驱动器，完成y轴的电机驱 动。
[0017] 所述的Z轴的电机驱动器采用6SL3210-5CB11-1AA0的驱动器，完成Z轴的电机驱 动。
[0018] 所述的伺服电机模块包括x轴的伺服电机、y轴的伺服电机、z轴的伺服电机。
[0019] 具体地，所述的x轴伺服电机采用1FL4044-0AF21-0AA0的伺服驱动电机。
[0020] 所述的y轴伺服电机采用1FL4033-0AF21-0AA0的伺服驱动电机。
[0021] 所述的z轴伺服电机采用1FL4032-0AF21-0AA0的伺服驱动电机。
[0022] 所述的曲线交叉耦合轮廓误差补偿器包括DSP模块、D/A输出模块、I/O扩展功能 模块、交叉耦合轮廓补偿调节器。
[0023] 具体地，所述的DSP模块采用TI公司的32位DSP TMS320F2812CCS芯片，具有较 强的曲线轮廓插补运算能力和信号处理能力。
[0024] 所述的D/A输出模块具有数/模转换功能，可以将数字量转化为模拟量。
[0025] 所述的I/O扩展功能模块包括RAM，是外围存储模块，存储容量为16GB。
[0026] 所述的交叉耦合轮廓补偿调节器，通过交叉耦合电路及硬件装置，改变调节参数p 实现曲线轮廓误差补偿的调节。
[0027] 本发明还提供了另一种技术方案：
[0028] -种曲线交叉耦合轮廓误差补偿的调节控制的方法，该方法包括以下步骤：
[0029] 步骤一、建立单轴联动的机床及空间曲线模型；
[0030]1)、建立单轴联动的机床模型，得到二阶轮廓控制系统误差模型；
[0031] 以x轴为例建立伺服系统的模型，所述的单轴联动的机床模型包括插补控制器、 放大器、x轴伺服电机、齿轮变速箱、机床工作台、测速计、位置检测装置，所述的测速计用于 检测曲线的跟随误差。
[0032] 进一步地，放大器、x轴伺服电机及测速计构成速度环的闭环控制系统，便于分析 速度环的传递函数。
[0033] 建立单轴伺服驱动非耦合轮廓控制机床的模型：
[0034] 具体地，
[0036] 式中，&为位置环增益；KVS速度环增益；K m为伺服驱动电机增益；Sn为电机扭矩 系数，是常数；(s)是传递函数。
[0037] 具体地，
[0039]式中，I为阻尼系数，为固有频率。
[0041] 具体地，对于三坐标轮廓系统的特性分析：
[0042]当参数^、^11不相匹配时，产生曲线轮廓误差，插补曲线将发生严重的变形， 甚至失真，各个轴的参数匹配很困难，难免将产生轮廓误差。
[0043]2)、建立空间曲线轮廓误差补偿模型；
[0044] 步骤二、空间曲线轮廓误差和跟随误差分析：
[0045] St印1:建立空间曲线轮廓模型；
[0048] 式中：9为插补t时刻曲线运动的位置与x轴的夹角，炉为插补t时刻曲线运动 的位置与z轴的夹角為(Xi,y。zD，M2 (xi+1+m,yi+1+m,zi+1+m)曲线插补运动的坐标点；ekx、eky、 e ^分别表示x轴、y轴、z轴轮廓误差分量；e kx、eky、ekj别表示x轴、y轴、z轴跟随误差 分量。
[0049] 具体地，
[0051] 伺服系统运动要受到轮廓误差和跟随误差，一般情况要减少轮廓误差和跟随误 差，伺服系统的运动最终表现为轮廓误差。
[0052] Step2 :得到空间曲线轮廓误差的公式
[0054] 更进一步地，为使式（7)具有普遍意义，令
[0056] 式中，Ex、Ey、别表示x轴、y轴、z轴的跟随误差；C x、Cy、Cz分别表示x轴、y轴、 z轴的耦合器的增益。
[0057] 将式（7)及⑶代入式（6)得
[0058] 又，
[0059] e = -ExCx+EyCy+EzC z (9)
[0060] 步骤三：交叉耦合轮廓误差补偿的控制方法，确定耦合轮廓补偿控制方案：
[0061] 在充分考虑各轴之间耦合和协调控制的关系后，采用耦合交叉耦合轮廓误差补偿 法，引入各轴之间速度反馈信号，最大限度地消除轴间的轮廓误差，控制结构如图6所示。
[0062] 具体地，
[0064] 式中，U*x、U*y、匕分别表示x轴、y轴、z轴的增益耦合速度；E rx、Ery、民2分别表示 x轴、y轴、z轴的耦合位置误差值。
[0065] 又，
[0067] 式中，p为轮廓误差补偿调节的因子；Kpx、Kpy、K pz分别表示x轴、y轴、z轴的位置 增益。
[0068] 详细地，
[0070] 步骤四：得到交叉耦合轮廓补偿误差控制方法：
[0071] 详细地，将式（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，则轮廓