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。

图1 测控系统框图

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。

图2 误差补偿原理图

图3 软件误差补偿流程图

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(Δ_max、Δ'_max分别表示补偿前、后的最大误差)。

Δmax=410µm，Δ'max=15µm 图4 补偿前后定位精度比较(v=300mm/min)	Δmax=400µm，Δ'max=15µm 图5 补偿前后定位精度比较(v=350mm/min)
Δmax=385µm，Δ'max=15µm 图6 补偿前后定位精度比较(v=400mm/min)	ΔL=0.5m，Δ'max=15µm 图7 误差补偿效果图