江西制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系 郝 勇

在切割機(jī)加工過程中，數(shù)控切割機(jī)的刀具存在定位誤差，依照誤差補(bǔ)償方法，提出了基于FPGA的誤差補(bǔ)償系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了硬件模塊，該系統(tǒng)的硬件構(gòu)架使用浮點(diǎn)型FPGA，該系統(tǒng)在數(shù)控切割機(jī)工作過程中能夠滿足高精度控制刀具的要求，同時(shí)在誤差補(bǔ)償?shù)募皶r(shí)性方面也優(yōu)于傳統(tǒng)誤差補(bǔ)償系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)可使數(shù)控機(jī)床刀具誤差定位精度從0.9～1mm提升到0.6～0.8mm。

引言：近幾年，越來越多的企業(yè)逐漸認(rèn)識(shí)到數(shù)控切割機(jī)的加工誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)姆e極意義，尤其是在制造業(yè)如此發(fā)達(dá)的時(shí)代背景下，很多企業(yè)加大了數(shù)控切割機(jī)的加工誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法的研究以及逐步重視了在工程實(shí)施過程中運(yùn)用現(xiàn)代化以及網(wǎng)絡(luò)化管理的思想。數(shù)控機(jī)床的定位精度主要是指機(jī)床的運(yùn)行零部件在數(shù)控系統(tǒng)控制下不能達(dá)到準(zhǔn)確的位置精度，對(duì)切削生產(chǎn)產(chǎn)生重要影響。為了降低誤差的影響，運(yùn)用誤差補(bǔ)償方法對(duì)數(shù)控加工中存在的工件加工誤差進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，通過硬件與軟件使數(shù)控機(jī)床模擬一種誤差以達(dá)到誤差相互抵消的過程。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域中多數(shù)使用的是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控加工系統(tǒng)，其中大部分并不具備誤差補(bǔ)償功能，一些高端數(shù)控系統(tǒng)雖然具有誤差補(bǔ)償功能，但其補(bǔ)償功能單一。為此設(shè)計(jì)一種適用范圍廣、應(yīng)用性強(qiáng)的誤差補(bǔ)償系統(tǒng)迫在眉睫。本文主要通過使用軟件硬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)FPGA誤差補(bǔ)償系統(tǒng)，以發(fā)揮出系統(tǒng)中各模塊作用。

1 數(shù)控切割機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，人們正在研究以PC技術(shù)為基礎(chǔ)的各種數(shù)控系統(tǒng)，而誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)中最主要功能為收到程序編碼所反饋的主軸刀具所處具體位置代號(hào)，依據(jù)編碼顯示精確位置，經(jīng)計(jì)算得出誤差數(shù)值，此種誤差數(shù)值會(huì)以脈沖形式反向疊加到已有的脈沖上，然后以信號(hào)的形式發(fā)出，數(shù)控系統(tǒng)接收到這一信息反饋結(jié)果。使用FPGA實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償系統(tǒng)最大優(yōu)勢(shì)是其能夠進(jìn)行最準(zhǔn)確的邏輯運(yùn)算，并能夠快速完成各電路接口的邏輯轉(zhuǎn)換功能，系統(tǒng)中FPGA芯片使用的是Spardan-6，此種芯片設(shè)計(jì)了反饋脈沖信號(hào)輸出的多個(gè)模塊，接口板可用于將編碼器反饋信號(hào)傳輸下去，其主要功能相當(dāng)于一個(gè)擴(kuò)展板。在數(shù)控切割系統(tǒng)中，若想保證切割機(jī)頭與鋼板之間的誤差可以降到最低，需加配自動(dòng)調(diào)高設(shè)備，由于數(shù)控切割機(jī)的工作速度、控制精度與載荷要求都比較高，所以采用步進(jìn)電機(jī)控制方式，控制系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示：

圖1 控制系統(tǒng)硬件圖

2 FPGA模塊電路設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)位置檢測(cè)模塊，系統(tǒng)中電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與步進(jìn)電機(jī)主要是通過FPGA位置檢測(cè)板接收反饋信息，脈沖顯示頻率倍數(shù)為6倍，在所研究系統(tǒng)中電機(jī)運(yùn)用的是增量式光電編碼器，脈沖信號(hào)的輸出需要依據(jù)數(shù)控切割刀具中心軸旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。以其中兩路電路信號(hào)為例，當(dāng)一路信號(hào)比另一路信號(hào)超前偏移90°時(shí)，增量式光電編碼器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)一路信號(hào)滯后于另一路信號(hào)偏移90°時(shí)，增量式光電編碼器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，數(shù)控系統(tǒng)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，表明增量式光電編碼器已旋轉(zhuǎn)360°。

為使誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)增量式編碼器脈沖的正向與反向及六倍數(shù)顯示頻率計(jì)數(shù)，運(yùn)用10個(gè)觸發(fā)器鎖傳輸脈沖信號(hào)，如圖2所示，經(jīng)過倍頻的脈沖信號(hào)作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)，由此完成正向與反向計(jì)數(shù)。

圖2 脈沖信號(hào)電路圖

（2）FPGA內(nèi)脈沖發(fā)生模塊，該模塊的作用是接收位置檢測(cè)模塊所傳輸?shù)降难a(bǔ)償脈沖數(shù)，反向補(bǔ)償?shù)揭延械拿}沖上，將此模塊與數(shù)控切削系統(tǒng)相連接，以實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償功能。在脈沖發(fā)生模塊中設(shè)定三種不同狀態(tài)，即無補(bǔ)償、正向補(bǔ)償、反向補(bǔ)償。首先我們將補(bǔ)償脈沖值進(jìn)行正負(fù)補(bǔ)償，當(dāng)補(bǔ)償值為負(fù)值時(shí)，可判定為正向補(bǔ)償，當(dāng)補(bǔ)償值為0時(shí)，判定為不補(bǔ)償，當(dāng)補(bǔ)償值為正值時(shí)，可判定為反向補(bǔ)償，補(bǔ)償過程完成后，將誤差信號(hào)進(jìn)行傳輸給數(shù)控系統(tǒng)。

3 實(shí)驗(yàn)論證分析

為了減少實(shí)驗(yàn)過程中的隨機(jī)誤差，需要進(jìn)行誤差數(shù)據(jù)測(cè)量，將數(shù)控機(jī)床x軸與y軸分別進(jìn)行三次檢測(cè)，將測(cè)量的平均值作為測(cè)量結(jié)果，本文設(shè)計(jì)的誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)以數(shù)控機(jī)床的y軸定位誤差測(cè)量為例，在y軸行程范圍600mm范圍內(nèi)每隔20mm作為一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，傳統(tǒng)誤差測(cè)量系統(tǒng)與FPGA誤差測(cè)量系統(tǒng)對(duì)y軸的定位測(cè)量，結(jié)果如下表1所示。

表1 y軸定位測(cè)量數(shù)據(jù)

為保證本文設(shè)計(jì)FPGA數(shù)控切割機(jī)床加工誤差補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)于機(jī)器設(shè)備的有效性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證，實(shí)驗(yàn)論證采用對(duì)同一加工誤差分別采用傳統(tǒng)補(bǔ)償系統(tǒng)與本文設(shè)計(jì)補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行論證實(shí)驗(yàn)。從補(bǔ)償?shù)募皶r(shí)性和準(zhǔn)確性方面進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)于準(zhǔn)確性的高低結(jié)果曲線如圖3所示。

圖3中數(shù)控切割機(jī)床誤差補(bǔ)償系統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)確性以1作為最大值，準(zhǔn)確性的數(shù)字越接近1則代表這種方法的補(bǔ)救更為準(zhǔn)確和及時(shí)，也就是說更優(yōu)異。則根據(jù)上圖分析可以得出，本文設(shè)計(jì)的數(shù)控切割機(jī)的加工誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)與傳統(tǒng)補(bǔ)償系統(tǒng)在多數(shù)情況下，F(xiàn)PGA數(shù)控切割機(jī)床加工誤差補(bǔ)償系統(tǒng)更具有節(jié)約資源性、一致性和準(zhǔn)確性，數(shù)控切割機(jī)的加工誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)于數(shù)控切割機(jī)不同的加工誤差也更具有說服力。從準(zhǔn)確性上來說，本文設(shè)計(jì)的數(shù)控切割機(jī)加工誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)與傳統(tǒng)的補(bǔ)償方法相比準(zhǔn)確性更高，更能節(jié)約人力資源。

圖3 實(shí)驗(yàn)論證結(jié)果曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，設(shè)計(jì)FPGA數(shù)控切割機(jī)床誤差補(bǔ)償系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在線自動(dòng)實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償，大幅度提高機(jī)床刀具誤差補(bǔ)償精度，而該系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是實(shí)用性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)型與高端型數(shù)控切割機(jī)都能夠適用，在機(jī)床主軸偏置中進(jìn)行了實(shí)際補(bǔ)償驗(yàn)證，具有良好的應(yīng)用前景。