江西制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系 郝 勇

在切割機加工過程中，數(shù)控切割機的刀具存在定位誤差，依照誤差補償方法，提出了基于FPGA的誤差補償系統(tǒng)，并設(shè)計了硬件模塊，該系統(tǒng)的硬件構(gòu)架使用浮點型FPGA，該系統(tǒng)在數(shù)控切割機工作過程中能夠滿足高精度控制刀具的要求，同時在誤差補償?shù)募皶r性方面也優(yōu)于傳統(tǒng)誤差補償系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)可使數(shù)控機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)識到數(shù)控切割機的加工誤差實時補償?shù)姆e極意義，尤其是在制造業(yè)如此發(fā)達的時代背景下，很多企業(yè)加大了數(shù)控切割機的加工誤差實時補償方法的研究以及逐步重視了在工程實施過程中運用現(xiàn)代化以及網(wǎng)絡(luò)化管理的思想。數(shù)控機床的定位精度主要是指機床的運行零部件在數(shù)控系統(tǒng)控制下不能達到準(zhǔn)確的位置精度，對切削生產(chǎn)產(chǎn)生重要影響。為了降低誤差的影響，運用誤差補償方法對數(shù)控加工中存在的工件加工誤差進行準(zhǔn)確預(yù)測，通過硬件與軟件使數(shù)控機床模擬一種誤差以達到誤差相互抵消的過程。

現(xiàn)階段國內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域中多數(shù)使用的是經(jīng)濟型數(shù)控加工系統(tǒng)，其中大部分并不具備誤差補償功能，一些高端數(shù)控系統(tǒng)雖然具有誤差補償功能，但其補償功能單一。為此設(shè)計一種適用范圍廣、應(yīng)用性強的誤差補償系統(tǒng)迫在眉睫。本文主要通過使用軟件硬化技術(shù)實現(xiàn)FPGA誤差補償系統(tǒng)，以發(fā)揮出系統(tǒng)中各模塊作用。

1 數(shù)控切割機硬件結(jié)構(gòu)

隨著計算機技術(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)，而誤差實時補償系統(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，依據(jù)編碼顯示精確位置，經(jīng)計算得出誤差數(shù)值，此種誤差數(shù)值會以脈沖形式反向疊加到已有的脈沖上，然后以信號的形式發(fā)出，數(shù)控系統(tǒng)接收到這一信息反饋結(jié)果。使用FPGA實現(xiàn)誤差補償系統(tǒng)最大優(yōu)勢是其能夠進行最準(zhǔn)確的邏輯運算，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)計了反饋脈沖信號輸出的多個模塊，接口板可用于將編碼器反饋信號傳輸下去，其主要功能相當(dāng)于一個擴展板。在數(shù)控切割系統(tǒng)中，若想保證切割機頭與鋼板之間的誤差可以降到最低，需加配自動調(diào)高設(shè)備，由于數(shù)控切割機的工作速度、控制精度與載荷要求都比較高，所以采用步進電機控制方式，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

（1）系統(tǒng)位置檢測模塊，系統(tǒng)中電機驅(qū)動器與步進電機主要是通過FPGA位置檢測板接收反饋信息，脈沖顯示頻率倍數(shù)為6倍，在所研究系統(tǒng)中電機運用的是增量式光電編碼器，脈沖信號的輸出需要依據(jù)數(shù)控切割刀具中心軸旋轉(zhuǎn)角度，進行脈沖計數(shù)。以其中兩路電路信號為例，當(dāng)一路信號比另一路信號超前偏移90°時，增量式光電編碼器順時針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)一路信號滯后于另一路信號偏移90°時，增量式光電編碼器逆時針旋轉(zhuǎn)，數(shù)控系統(tǒng)輸出一個脈沖信號，表明增量式光電編碼器已旋轉(zhuǎn)360°。

為使誤差實時補償系統(tǒng)可以實現(xiàn)對增量式編碼器脈沖的正向與反向及六倍數(shù)顯示頻率計數(shù)，運用10個觸發(fā)器鎖傳輸脈沖信號，如圖2所示，經(jīng)過倍頻的脈沖信號作為計數(shù)器的時鐘信號，由此完成正向與反向計數(shù)。

圖2 脈沖信號電路圖

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

3 實驗論證分析

為了減少實驗過程中的隨機誤差，需要進行誤差數(shù)據(jù)測量，將數(shù)控機床x軸與y軸分別進行三次檢測，將測量的平均值作為測量結(jié)果，本文設(shè)計的誤差實時補償系統(tǒng)以數(shù)控機床的y軸定位誤差測量為例，在y軸行程范圍600mm范圍內(nèi)每隔20mm作為一個測量點，傳統(tǒng)誤差測量系統(tǒng)與FPGA誤差測量系統(tǒng)對y軸的定位測量，結(jié)果如下表1所示。

表1 y軸定位測量數(shù)據(jù)

為保證本文設(shè)計FPGA數(shù)控切割機床加工誤差補償系統(tǒng)對于機器設(shè)備的有效性，進行實驗論證，實驗論證采用對同一加工誤差分別采用傳統(tǒng)補償系統(tǒng)與本文設(shè)計補償系統(tǒng)進行論證實驗。從補償?shù)募皶r性和準(zhǔn)確性方面進行對比分析，對于準(zhǔn)確性的高低結(jié)果曲線如圖3所示。

圖3中數(shù)控切割機床誤差補償系統(tǒng)運行準(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救更為準(zhǔn)確和及時，也就是說更優(yōu)異。則根據(jù)上圖分析可以得出，本文設(shè)計的數(shù)控切割機的加工誤差實時補償系統(tǒng)與傳統(tǒng)補償系統(tǒng)在多數(shù)情況下，F(xiàn)PGA數(shù)控切割機床加工誤差補償系統(tǒng)更具有節(jié)約資源性、一致性和準(zhǔn)確性，數(shù)控切割機的加工誤差實時補償系統(tǒng)對于數(shù)控切割機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)計的數(shù)控切割機加工誤差實時補償系統(tǒng)與傳統(tǒng)的補償方法相比準(zhǔn)確性更高，更能節(jié)約人力資源。

圖3 實驗論證結(jié)果曲線

4 結(jié)束語

綜上所述，設(shè)計FPGA數(shù)控切割機床誤差補償系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在線自動實時誤差補償，大幅度提高機床刀具誤差補償精度，而該系統(tǒng)的另一個優(yōu)勢是實用性強，經(jīng)濟型與高端型數(shù)控切割機都能夠適用，在機床主軸偏置中進行了實際補償驗證，具有良好的應(yīng)用前景。