（机械电子工程专业论文）数控机床误差补偿控制器的开发与研究.pdf

摘要 摘要 自上个世纪9 0 年代中期起，随着科研人员对软件误差补偿及其实施技术研 究的不断深入，以提高工件加工精度内容为主的相关文献和新技术不断涌出。研 究取得的明显成果，反映出软件误差补偿技术具有广阔的应用前景和很强的实用 性。目前，大部分c n c 机床的误差补偿多是通过一台外部p c 机，配以多种传 感器来完成数据采集及补偿任务的，而补偿值则通过总线接口反馈到机床的 c n c 系统。此种方法虽然能够完成补偿任务，满足客户的要求，但其对现场条 件要求较高、辅助实验设备需求量较大、调试较复杂、成本较高，最终导致该项 技术难于市场化、产品化。对于我国大部分生产企业而言，需要的是功能上满足 要求、安装、调试方便、易于操作和培训、可以适应不同环境、成本易于控制的 市场化产品。 基于上述原因，本课题针对三坐标数控机床，将软件误差补偿思想和硬件电 路结合起来，开发了一种由单片机控制的误差补偿器。误差补偿器通过固化在单 片机中的控制程序，取代p c 机来实现误差补偿，并通过r s 2 3 2 c 接口实现误差 补偿器与数控机床的通信。 首先，本文以多体系统理论为基础，通过对机床抽象、总结和运动模型的分 析，建立了考虑几何误差情况下的机床运动模型。针对实验对象z k 7 6 4 0 三坐标 立式铣床给出了具体的建模过程，推导了考虑几何误差情况下实现精密加工条件 的约束方程。同时，描述了机床几何误差源和运用九线法对机床误差参数的辨识 方法。 其次，阐述了误差补偿器的总体设计方案，包括硬件设计和软件设计的主要 思路。硬件设计中具体介绍了误差补偿器的各功能模块的划分、单片机和其他关 键芯片的功能及选型、各模块及辅助外围电路的原理图设计。在p c b 设计中，重 点对元器件的布局和布线进行了介绍，并针对不同的封装形式提出了不同的布局 方案。此外，对硬件电路设计中用到的抗干扰技术进行了总结。 软件部分详细阐述了与硬件功能相对应的系统软件的模块划分、各模块流程 图的绘制和系统基本定义。本文采用单片机的c 语言进行程序设计，并辅以汇 编语言。文中给出了本系统的主程序和各功能模块的程序代码。 最后，对误差补偿器进行调试，包括单片机硬件电路系统的静态调试、单片 机应用程序软件的仿真调试以及单片机与p c 机通信功能调试，从而验证本方法 的正确性和有效性。 关键词多体系统理论；几何误差补偿；数控机床；单片机；r s 2 3 2 c a b s t r a c t a b s t r a c t f r o mt h em i do f19 9 0 s w i t hf u r t h e rr e s e a r c ho ns o f t w a r ee r r o rc o m p e n s a t i o na n d i m p l e m e n t a t i o no ft h em e t h o db ym a n yr e s e a r c h e r s ，m a n yr e f e r e n c e sa n dt e c h n o l o g y a i m i n ga ti m p r o v i n gt h em a c h i n i n gp r e c i s i o nc a m eo u tc o n t i n u a l l y t h er e s u l to f r e s e a r c hs h o w e dag o o df u t u r ef o rs o f t w a r ee r r o rc o m p e n s a t i o nm e t h o d s o f t w a r e e r r o rc o m p e n s a t i o nd e p e n d so nv a r i o u sa l g o r i t h m sd e s i g n e db yd i f f e r e n ts c i e n t i s t s b e f o r es o f t w a r ee r r o rc o m p e n s a t i o nm e t h o d s c i e n t i s t su s e dt r a d i t i o n a lm e c h a n i c a l m e t h o d st oc o m p e n s a t et h ee r r o r a tp r e s e n t m a n yc n cm a c h i n et o o l sa r ec o m p e n s a t e db ya na d d i t i o n a lp ca n d s o m ea u x i l i a r ys e n s o r s a l t h o u g ht h i sm e t h o dc a nf u l f i l lc o m p e n s a t i o n ，i td e m a n d s s t r i c t e rw o r k i n gc o n d i t i o na n dm o r ea s s i s t a n te q u i p m e n t sa n di sc o m p l i c a t e dt od e b u g a n dc o s t sm o r e t h e s ed e f e c t sl c a dt ot h ef a i l u r eo fs o f t w a r ee r r o rc o m p e n s a t i o n m e t h o dt ob em a n u f a c t u r e da n dm a r k e t a b l e a c c o r d i n gt oi s s u e sm e n t i o n e da b o v e ， t h i sp a p e rd e v e l o p sa ne r r o rc o m p e n s a t i o nd e v i c ec o n t r o l l e db vm c u ( m i c r oc o n t r o l u n i t ) w h i c hc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fs o f t w a r ee r r o rc o m p e n s a t i o nm e t h o da n di c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) t h ed e v i c ec a nc o m p e n s a t et h ee r r o rw i t hp r o g r a m ss o l i d i f i e di n m c ua n dc o m m u n i c a t ew i t hc n cm a c h i n et o o l st h r o u g hr s 2 3 2 ci n t e r f a c e w i t ha s m a l ls i z e ，t h ed e v i c ew i l lb ev a l u a b l ef o ri t sf u n c t i o n ，f l e x i b i l i t ya n dm a r k e t a b i l i t y b a s e do nm u l t i b o d ys y s t e mt h e o r y , t h i sp a p e rf i r s t l ye s t a b l i s h e st h em o d e lo f z k 7 6 4 0w h i c hi n c l u d e sg e o m e t r i ce r r o rp a r a m e t e r s ，a n dt h ee q u a t i o n sf o rp r e c i s i o n m a c h i n i n ga r eg i v e i l b e s i d e s ，t h en i n e - l i n em e t h o dw i t hw h i e hc n cm a c h i n et o o l s e r r o rp a r a m e t e r si sd i s t i n g u i s h e da n dt h em e t h o do fe r r o rp a r a m e t e r sp r e p r o c e s s i n g a r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y , t h eg e n e r a ld e s i g nc o n c e p to fe r r o rc o m p e n s a t i o nd e v i c ei n c l u d i n g h a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sd e p i c t e db r i e f l y h a r d w a r ed e s i g nc o n t a i n sd i v i d eo f d i f f e r e n tm o d u l e s ，f u n c t i o na n dt y p es e l e c t i o no fm c ua n do t h e ri m p o r t a n tc h i p s ， s c h e m a t i cd e s i g no fm a j o ra n dp e r i p h e r a lc i r c u i ta n dp c bd e s i g n p c bd e s i g nd e a l s m o r ew i t ht h ep a c k a g eo fc h i p s ，m u t i n ga n da n t i - j a m m i n gd e s i g n t h e nt h ep a p e l p l a c e se m p h a s i so ns o f t w a r ed e s i g n s o f t w a r ei sc r u c i a lf o rt h e d e v i c ea n dd e t e r m i n e si t sp e r f o r m a n c e d i v i d i n gt h em o d u l e si na c c o r dw i t hh a r d w a r e d e s i g n ，f l o wc h a r td e s i g na n dd e f i n i t i o no fs y s t e mp a r a m e t e r sa r et h r e em a j o ra s p e c t s o fw o r k t h ep r o g r a mi sd e s i g n e dw i t hcl a n g u a g ew i t ha s s i s t a n c eo fa s s e m b l e l a n g u a g e ，a n ds o m ep a r t so fs o u r c ec o d ea r eg i v e n a tt h ee n do f p a p e r , d e b u g g i n gm e t h o d sa r ep r e s e n t e d h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h ed e v i c em u s tb ed e b u g g e ds e p a r a t e l y , a n da f t e rb o t hh a v en ob u g s ，t h ed e v i c ec a l l b ed e b u g g e do n l i n e t h er e s u l tf i n a l l ys h o w st h ev a l i d i t ya n da c c u r a c yo fg e o m e t r i c e r r o rc o m p e n s a t i o nc o n t r o l l e rd e v e l o p e di nt h i sp a p e r k e yw o r d sm u l t i b o d ys y s t e m ；g e o m e t r i ce r r o rc o m p e n s a t i o n ；c n cm a c h i n e ； m c u ；r s - 2 3 2 c 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：殛丕丝日期：坦2 ：堡：! 罗 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：丑鱼丑鉴：导师签名：蓝歪圭日期：毕1 汐 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的提出与意义 随着工厂和过程自动化的飞速发展和数控加工技术的广泛应用，对数控机床 加工精度的要求f 1 益提高。如何应对现代工业对数控机床精度要求的不断提高， 是我国制造业面临的十分重要的问题。对工厂而言，若维持现有设备成本，很可 能无法满足用户对机床精度的要求。另一方面，若从根本上提高数控机床的制造 精度，无疑将导致生产成本的大幅度上升，影响用户购买的积极性。对工厂来说， 提高产品质量在一定程度上意味着需要淘汰一批精度不足的现有机床，而这在我 国大多数数控机床用户来说都是一笔不小的投入。针对我国数控机床生产和应用 的具体情况，如何经济有效的提高数控机床的精度是一个极有研究价值的课题。 数控机床加工精度的提高可以采用误差防止和误差补偿两种措施【2 1 。误差 防止是通过合理的机床设计、零件加工、机床装配、环境控制和使用来消除或减 少可能的误差源，它是保障数控机床加工精度的最根本最有效的手段，但随着加 工精度的提高，单纯依靠提高机床零部件的质量、降低内部热源发热量、严格控 制加工环境和使用条件来减小机床加工误差，在技术上变得越来越困难，在经济 上变得越来越难以承受。误差补偿技术只针对机床最终出现的误差值进行自动修 正，而不需对机床的结构和制造做重大变更，所需费用低且便于调整，因而成为 提高机床加工精度的良策。 随着现代计算机技术、数控技术及测量技术的高速发展，数控机床软件误差 补偿技术实现了“不使用精密加工设备的精密加工 ，具有极高的性能价格比， 已逐步发展成为当今提高机床加工精度的主要方法【3 】，但是这种方法目前仍处于 实验阶段，难于获得普遍应用。目前大部分可获得的补偿系统是应用于c n c 机床 上，使用一台外部安装的计算机来完成补偿任务，而补偿值则通过接口被反馈到 机床的c n c 系统，p c 本身并不直接控制机床，补偿无法由单一的系统完成。由 于大多数c n c 系统自身并不具备误差补偿功能，因此执行补偿任务时，需要针对 具体机床专门设计接口电路，价格相对较高，目前，对于我国大部分生产企业而 言，需要的是功能上满足要求、安装、调试方便、易于操作和培训、可以适应不 同环境、成本易于控制的市场化产品。因此，本课题针对三坐标数控机床，将软 件误差补偿思想和硬件电路结合起来，开发了一种由单片机控制的误差补偿器。 误差补偿器通过固化在单片机中的控制程序，取代p c 机来实现误差补偿，并通 过r s 2 3 2 c 接口实现误差补偿器与数控机床的通信。 单片机作为微型计算机的一个很重要分支，以其极高的性能价格比，发展很 快。它是自动控制、仪器仪表、通讯、家用电器等领域中应用最广、性能价格 北京t 业大学t 学硕f j 学位论文 比最高的核心控制部件之一1 1 。在机电一体化迅速发展的今天，单片机技术已 经应用到机床控制系统的各个领域，从以单片机为核心的经济型数控机床、误差 补偿控制、位置跟踪控制、模糊控制到加工中心的测控系统等，都充分体现了单 片机的无穷魅力【l 引。 综上，本课题拟开发的基于单片机的误差补偿器，具有可行性，是提高数控 机床加工精度的一条切实可行的途径，适合我国国情，具有重要的现实意义。 1 2 国内外误差补偿技术现状 为了提高数控机床的加工精度，国内外学者做了大量深入的研究，提出了许 多切实可行的方法。纵观这些方法，可以分为两大类：误差防止法和误差补偿法。 误差补偿方法是通过分析影响加工精度的不同误差来源，建立空间误差数学模 型，经过对机械系统误差进行修正，从而提高机械加工精度。因此，该方法无需 对加工机械进行硬件改造，即可用一般精度的机床加工出高精度的产品。 自误差补偿技术问世以来，经历了传统误差补偿、硬件误差补偿和同趋成熟 的软件误差补偿。传统的误差补偿方法存在着设计周期长、结构复杂、笨拙、成 本高、柔性差等问题，难以满足单件、小批、灵活、多变的现代生产及市场竞争 要求。而传统的硬件补偿法对数控系统又有很大的依赖性，由于数控系统的多样 性和封闭性，并且开发的控制器和接口电路会影响机床的机电匹配特性等问题， 严重阻碍了该项技术的应用与推广。在这种背景下，人们逐渐开始重视软件误差 补偿法，该方法实现了“不使用精密加工设备的精密加工 ，具有极高的性能价 格比，已逐步发展成为当今提高机床加工精度的主要方法。 在理想情况下( 不含有误差的情况下) ，数控指令通过理想机床运动模型，得 到一个理想情况下工件坐标系内刀具中心点，此点与刀具坐标系下的刀具中心点 重合。 在实际情况下，由于机床存在各种误差，根据理想数控指令得到的工件坐标 系内的刀具中心点是含有误差的，和刀具坐标系下的刀具中心点并不重合。也可 理解为，欲控制机床到相同的一点，针对有误差的机床和理想机床分别所需的实 际数控指令值与理想数控指令是不相等的。误差补偿的目的就是求得实际数控指 令值，即精密数控指令。 实现数控机床精密加工的基本思路是：在所建立的描述模型中，引入能够表 达数控机床的安装误差、装配误差、导轨不垂直度、不平行度、不直度等的误差 参数项，并在计及误差的条件下，推导出各运动部件上任意点的位置及位置误差 表达方程。依据实际刀具中心必须与理论刀位中心相重合的条件，建立数控机床 精密加工闭环约束方程，即数控机床精密加工条件方程。再以该方程为出发点， 运用运动学求逆的方法，反求出保证精密加工方程得以实现的数控指令值。所以 最终用于实际加工的数控指令值并不仅仅是理论运动轨迹的数值，而是包含了误 2 第1 章绪论 差补偿值【1 3 】。 1 2 1 软件误差补偿技术研究现状 软件误差补偿是通过修改数控加工代码或者执行补偿指令来实现加工误差 的补偿。这样，采用软件补偿方法就可以在不对机床的机械部分做任何改变的情 况下，使其加工精度显著提高。国外软件补偿大体经历了以下的发展： 1 9 7 7 年，由h o c k e n t l 4 1 等人首先提出了以微机平台及数控指令修正算法为主 体的软件误差补偿思想，其着重应用于坐标测量机检测数据的误差修正，而在数 控机床加工领域的应用还不多见； 1 9 8 5 年，gz h a n 9 1 5 】成功的对三坐标测量机进行了误差补偿。测量了工作台 平面度误差，除在工作台边缘数值稍大，其它不超过1 岬，验证了刚体假设的可 靠性； 1 9 9 4 年末，k i r i d e n a 和p m f e r r e i r a t l 6 1 在其长期从事的误差补偿研究与实践 经验总结基础之上，再次强调了软件误差补偿的重要性，并进一步指出通过软件 误差补偿有可能获得很高的补偿精度； 1 9 9 8 1 9 9 9 年，有关重复加工中，检测已加工工件的误差，进而通过修正刀 具路线的方法，提高待加工工件加工精度为内容的软件误差补偿技术文献日益增 多，反映出软件误差补偿技术具有很强的发展趋势旧； 在2 0 0 0 年，美国m i c h i g a n 大学j u nn i 教授指导的博士生c h e ng u i q u a n t l 8 】 做了有意的尝试，运用球杆仪( t b b ) 对三轴数控机床不同温度下的几何误差进行 了测量，建立了快速的温度预报和误差补偿模型，进行了误差补偿。 在我国应用极其广泛的是中低档数控机床，几何误差约占机床总体误差的 7 0 左右，国内学者对机床几何误差也进行了深入研究： 1 9 8 6 年，北京机床研究所开展了机床热误差的补偿研究和坐标测量机的补 偿研究； 1 9 9 7 年，天津大学的李书和等进行了机床误差补偿的建模和热误差补偿的 研究； 1 9 9 8 年，天津大学的刘又午【1 9 】【2 0 】等采用多体系统建立了机床的误差模型， 给出了几何误差的2 2 线、1 4 线、9 线激光干涉仪测量方法，1 9 9 9 年他们还对数 控机床的误差补偿进行了全面的研究，取得了一定的成果； 1 9 9 8 年，上海交通大学的杨建国【2 1 】进行了车床热误差补偿的研究： 1 9 9 6 至t j 2 0 0 0 年，在国家自然科学基金和国家8 6 3 计划项目的支持下，华中科 技大学开展了对数控机床几何误差补偿以及基于切削力在线辫识的智能自适应 控制的研究，并取得了一些成果【2 2 1 ； 在2 0 0 2 年，北京工业大学范晋伟教授使用多体系统理论运动学推导出三坐 标数控机床通用几何误差补偿软件，该软件在北人印刷集团实地实验取得明显的 北京t 业人学t 学硕l ：学位论文 误差补偿效果f 3 1 ； 2 0 0 5 年，北京工业大学范晋伟、谷志敏等人针对s m a r t c n c 数控曲面磨床， 将误差补偿技术同计算机网络技术结合起来，建立了基于网络的误差补偿服务系 统【2 3 】。 l 误差源分析 u i 误差的数学模型建立 u i误差检沏4 辨识 i u l 误差的数据分析处理 疆 l 微机控制的误差补偿实施 图i - i 软件误差补偿技术流程图 f i g 1 1f l o wc h a r to fs o f t w a r ee l t o rc o m p e n s a t i o n 误差补偿技术可以修正由于机床运动所引起的误差，提高加工精度，当然机 床的力n - r _ 精度还受到其他因素的影响，如刀具磨损、载荷、温度、湿度等，但由 于这些因素产生的误差相对于机床的几何运动误差还是较小的，本文设计的误差 补偿器只考虑机床的几何误差，对于其他因素的影响没有考虑在内。 1 2 2 误差参数辨识技术研究现状 数控机床空间误差补偿技术的核心内容之一是数控机床误差源参数辨识技 术，由于存在着测量自动化水平低以及没有直接求解方法等问题，从而严重制约 着数控机床空间误差补偿技术发展。由于误差源参数辨识技术在数控机床空间误 差补偿的研究中占有重要的地位，国内外学者均投人了大量的精力对该技术进行 研究，并先后提出单项几何误差直接测量和综合误差测量参数辨识两类方法。 ( 1 ) 直接测量法 1 9 8 2 年由b r y a nj b 在美国国家实验室发明的磁性球杆仪( m a g n e t i cb a l l b 扪，可以快速地对机床进行二轴联动的精度测量，通过半径方向的误差，确定 机床的状况，并被国际机床检验标准i s o 一2 3 0 采用，拥有广泛的应用前景【2 4 】1 2 s 1 9 8 3 年，k n a p pw 使用标准的圆盘 占( 0 ) ；工件一机架分支第2 体最一 氍； 工件一机架分支第3 体占，一 ；工件一机架分支第4 体且一 w ； 刀具机架分支第1 体：且一 b ( o ) ；刀具机架分支第2 体：皿一 王； 刀具一机架分支第3 体：且一 t 。 目2 - 1 iz k 7 6 4 0 二坐标数控铣床拓扑结构圈 f i g2 1 lt h e t o p o l o g l c a i m o d e l o f z k 7 6 4 0 m i 1 i a g m a c h i n e 第2 章运用多体系统理论建矗机眯几何误差模型 相邻体间的相对位置关系描述方法，以“刀具机架 分支为例说明。主轴箱互 相对于b ( o ) 为z 向运动，其中q ，。固定在b ( o ) 上，为五的参考点，互体相对于岛 体的位置用固连在b ( 0 ) 体上的位置矢量q ，。和位置误差矢量g m 描述；互体相对 岛体的相对移动，用互的体参考坐标系相对于q 。的位移矢is ，。和位移误差矢量 s m 描述。刀具丁固定在主轴箱五上，相邻体间无位移，q ，表示丁和互体参考坐 标系间的初始位置矢量；c 为刀具中心点p 在刀具体坐标系中的位置列阵。 “工件一机架分支的描述方法同上。 2 4 2 z k 7 6 4 0 数控铣床精密加工方程的建立 从z k 7 6 4 0 三坐标数控铣床拓扑结构图我们可以看出，对于工件一机架运 动链( b w 运动链) 由2 个运动副串连而成，即刀= 2 ，均为移动副；对于刀 具一机架运动链( b t 运动链) 由1 个运动副串连而成，即m = 1 ，为移动副。 将其代入式( 2 2 2 ) 可得此三坐标数控铣床精密加工求解方程为如下形式： a o 哪彳w , w ：1 a 暖形】附r wb o 础么硎l ( 2 - 2 5 ) l 工 jl - j 展开如下式所示： a o w , p 彳d 】彤 彳d 彬 ， 彳d k 彳】p l a w , 】胆 彳嘭】，l a w , 】。 【aw 2 w p aw 2 w 胛【彳】，【彳】。 l ? i ： a o r , a o r , 胆 a o r , z o r , 。 a 石r p 【a 巧r 】胆 彳石r 】，【彳互r 】。l ：l l 1 jl j 代入具体参数，即得机床的约束方程。为便于各体变换矩阵的确定，下面介绍广 义坐标系的设定方法：首先选取机床的x 轴为系统坐标系的基准轴，在x ( 运动 轴) 与y ( 运动轴) 所确定的平面内，建立系统的x 坐标轴，方向与x 运动轴的方 向尽量取得一致，其间的角度误差反映了机床x ，y 运动轴之间的不垂直度误差， 用占。来表示，这样系统坐标系的方位便确定下来。在初始条件下，令床身立柱蜀 的运动参考坐标系的方位、溜板b ，的运动参考坐标系的方位均与系统坐标系的 方位取得一致；工作台晟的运动参考坐标系的x 坐标轴的方向与机床x 运动轴 的方向一致，y 坐标轴的方向由系统坐标系的y 轴转过占。，角度得到。 这样，在初始状态的所有坐标系的方位都确定下来，且通过运动参考坐标系 的三个误差参数便将机床导轨的不垂直度误差描述清楚，并可以在运动参考坐标 系内描述机床各运动部件沿运动轴运动时产生的误差。主轴箱体坐标系位于主轴 端面中心，同时在主轴端面中心设置刀具坐标系。在工件上设定工件坐标系，根 据具体情况可以决定其方位是否与工作台体坐标系绕z 轴反向转动1 8 0 0 相一致。 根据坐标系特性矩阵形成规律，建立相邻体间的变换矩阵。各变换矩阵如下： 2 l 北京f t 业人学t 学硕 j 学位论文 蚓 们】p5 ko 1o l l - o o o 1 j 1 oo o 慨l 2 ：o l 【0 00 1 j f _ 1 0 o o - 吼= ：。0l 1 0 00 1 j | oz - 彬阿乏1 ，= l ：三：i 1 0 0 01 j | - 1 o o q 。 【哪卜l ：毙w y 【0 0 01 - 1 o o o 【彳咧。= 一蚓 l - o oo l j | 1 o 阻。正】肛= i 一乏乏一 【- 0 00 f 1 t ( z 蛔l = 旧高意 l 00 f 1 0o 0 1 - 互丁l2 i 三三1 三莩i l 4 0 l 。= a w , w ：l 卯= q ( z ) 一占，( z ) l 0 蛔。匪 一t ( 少) l 占，( y ) o a w , w ：i 严= l 1 s ：( 工) 一占y ( 工) 0 一占：( x ) l s ，( x ) o f a 暇1 = l j 芦 阻d 互】，= a o r , 1 , = = f 1 阻互r 】= l ： l 10 占y ( y ) 一q ( y ) 1 o 一q 0 lo ol 0o 占j ，( 工) 一s ，( x ) 1 o 1o o1 oo o 0 o 0 1o o1 o 0 10 01 0 o o0 t ( y ) 万。( y ) t ( j ，) 1 o 1 0i l 0l i 1 j 瓯( x ) ( x ) 万：( x ) 1 0 0 o 1 o 0 l 0 0 1 o 0 、j y 。炒。 乞呵 。l o o 0 0 0 1 0 0 l 0 1j 工 y z m 帅 m g g g o 0 z 1 o 0 1 0 z z z 以t 1_li-_i_j 0 o o 1 0 0 1 o 0 1 0 0 第2 幸运用彩体系统理论建覆机床几何误差模型 幽互丁l = 1o ol 0 0 o 0 o o o 0 l0 01 - 互丁l = 1o ol o0 0o 0 0 0o 10 o1 设以) = o ，0 ，- h ，仉) = ，k ) ，将以上矩阵代入式( 2 2 5 ) 并略去单位 阵，得z k 7 6 4 0 铣床的精密力n - r _ 条件方程如式( 2 2 6 ) ： l001 01 0 j o 01i oo o： r - l x l 乞( z ) i 一勺( 力 lo i 1 l 0 i l 一 1 0 l 式中 弦1 - e i ( y ， q ( y ) 一q ( y ) 1 o o ) | - 1 ( 工) | l0 矧吕 6 。 6 ， 6 。 0 0 g 。 10 g w 01 q 。 o o1 k l 0 o石 loo ol0 o o1 00 g f i ， 10 g f l ， 0 1 吼l ： o o1 委一o i l l oo 0 1 | , 瓣- - e z ( g ，掣 ( 2 2 6 ) g 。，g 。，q 。工件坐标系在工作台中的位置参数。 ，k 工件坐标系中的理论加工点在工件坐标系的位置矢量。 q t i x , q t l yq m 主轴箱结构参数。 亿) 刀具中心点在刀具坐标系内的位置列阵。 数控机床考虑误差的精密加工条件方程式( 2 2 6 ) 是本文进行几何误差 补偿的出发点，也是误差补偿器软件设计中，误差补偿模块算法设计及实现的关 键。 2 5 本章小结 1 、对多体理论进行了概述，介绍了基于多体理论的数控机床误差补偿建模 的方法。 2 、要实现误差补偿算法，必须事先检测机床的结构参数和误差参数。结构 参数主要包括数控机床的轴数以及各个轴的次序和运动方向等，主要用作误差补 偿算法的初始化参数。机床误差参数主要用来确定误差补偿算法中的误差变换矩 阵，误差参数必须通过实验的方法确定。本章描述了三坐标数控机床存在的2 l 项几何误差参数并且介绍了9 线法误差参数辨识技术。 0 0 l 0 1 o o 0 岛o o 一 o o 丌oiijoj皿 力力力 0 0嘞 丌oooiooo卫 力力力 北京t 业人学t 学硕l j 学位论文 3 、针对本文的实验对象z k 7 6 4 0 三坐标铣床应用提出的数控机床通用精密 加工方程，给出了z k 7 6 4 0 三坐标铣床的建模过程，并推导了其实现精密加工的 条件约束方程。 第3 帝误差补偿器硬件设i t - j 调试 第3 章误差补偿器硬件设计与调试 3 1 误差补偿器总体设计 经过前期调研，本文设计的误差补偿控制器，其开发目标为：利用单片机体 积小、成本低、控制能力出色的特点，将软件误差补偿思想和硬件集成电路结合 起来，设计出能够替代p c 机完成误差补偿任务的新型控制器。 根据实验条件，通信方式采用上下位机通讯方式。工控机作为上位机，误差 补偿控制器作为下位机。通信协议采用自定义协议。误差补偿器的工作原理是： 通过r s 2 3 2 c 串行口接收来自上位机( 装有r e x r o t h 数控系统的工控机) 发来的 数控加工程序，利用单片机控制程序进行误差补偿后，将生成的精密加工代码通 过串行口返回给上位机，数控机床根据精密加工程序进行加工。 电源采用数控机床电柜中开关电源提供的2 4 v 直流电。误差补偿器还具有 状态指示功能，以显示其处于通信状态或报警状态，以及软件和硬件复位功能。 通讯调试的工具为串口调试助手。 为使误差补偿控制器工作稳定，提高其抗干扰能力，加强硬件和软件抗干扰 措施。 前期的任务需求分析： ( 1 ) 输入与输出信号：误差补偿器的输入部分有+ 2 4 v 和0 v 的电源输入以及数 控程序以字符的方式通过串口输入。输出部分为补偿后的精密加工代码通过串口 的输出。 ( 2 ) 系统结构：误差补偿器作为非标准产品进行设计，采用单c p u 结构，具备 r s 2 3 2 c 通信接口，构成双机通信。 ( 3 ) 系统接口：r s 2 3 2 c 串行接1 2 1 、电源接口和复位按键。 ( 4 ) 扩充设计：外扩数据存储器。 ( 5 ) 可靠性设计：通过硬件和软件抗干扰措施，确保现场稳定工作。 基于以上分析，误差补偿器采用m c s 5 1 系列单片机作为控制核心。该系列 芯片为8 位微处理器，具有集成度高、技术成熟、控制与扩展能力强、体积小、 性能可靠、开发成本较低等特点。因此，选择m c s 5 1 系列单片机既可以完成控 制功能，又能控制成本。 北京t 业大学t 学硕f ：学位论文 广 i 时钟电l l 路模块l 1一圆 r s 2 3 2 0 通信 a t 8 9 s 5 2 外扩数据存 及其接口电 电源线 信号线，较理想的信 号线宽度为1 2 m i l - - 2 0 m i l ，电源线为4 5 m i l - - 8 0 m i l 。 ( 2 ) 地线设计的原则是： 数字地与模拟地分开。若线路板上既有数字电路又有模拟电路，应使它们尽 量分开。低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分 串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而粗，高频元 件周围尽量用栅格状的大面积铜箔。 接地线应尽量加粗。若接地线用很细的线条，则接地电位随电流的变化而变 4 3 北京t 业人学t 学硕i j 学位论文 化，使抗噪性能降低。因此应将接地线加粗，使它能通过三倍于印制板上的 允许电流。如有可能，接地线应在2 3 m m 以上。 接地线构成闭环路。只有数字电路组成的印制板，其接地电路布成团环路大 多能提高抗噪声能力。 ( 3 ) 配置去耦电容：在印制电路板的各个芯片配置去耦电容为一项常规做 法。电路中尖峰电流的存在将会给系统带来不良影响，它将在电源内阻上产生压 降，在公共传输导线阻抗上产生压降，使供电电压跳动，从而形成一个干扰源。 因此在印制电路板的各个集成电路芯片的电源线和地线间直接接入0 1uf 的去 耦电容，在印制电路板入口处的电源线与地线之间并接一个1 0 0 uf 的限噪声用电 容器( 钽电容器) 和一个0 1uf 的非电解电容。去耦电容一方面提供和吸收该集成 电路开关门瞬间的充放电能量，另一方面旁路掉该器件的高频噪声。 3 4 3 电路板的制作 通过原理图的设计、网络表的生成、元器件封装的选择、电路板的规划、布 局、布线，经d r c 检验无误后，即可按照p c b 图制作电路板了。误差补偿器的元 器件列于下表： 表3 5 元器件列表 t a b 3 - 5c o m p o n e n tl i s t 标号元件类型封装形式 u l蹑8 9 s 5 2 d i p - 4 0 t q f p - 4 4 u 2m a x 3 2 3 2d m 1 6 u 37 4 l s l 3 8d i p 1 6 s o p l 6 u 47 4 h c 5 7 3d i p 2 0 s o p 2 0 u 56 2 6 4d i p 2 8 s o p 2 8 u 6b 2 4 0 5 s 1 ws p _ 4 y l1 1 0 5 9 2 mx t a l l s 1 s 、p bi d c 2 j ld b 9 fd b 9 f j 2c o n 2v h 3 9 6 2 d l 、d 2 l e dl e d r l 、r 27 5 0 1 2 0 6 r 31 0 k 1 2 0 6 c a 、c 9 、c 1 2 0 1 u f1 2 0 6 c 5 、c 6 、c 7 、c 8 l u f1 2 0 6 c 1 、c 2 2 2 p f 1 2 0 6 c l ol u fl o i j f c 3 l o i l f1 0 i j f * 3 章谨i 硬件计5 试 由于设计中芯片多是d i p 封装的，所以在此提出另一方案，即芯片均采用表 贴式封装。将得到的p c b 图与晟初设计的p c b 图进行对比，发现采用d i p 封装的 电路板面积( 9 5 m i n x 6 3 m m ) 比表贴式封装的电路板面积( 7 2 1 n l l l 5 2 r a m ) 大了 3 8 ，导线数量也超出很多( 4 1 7 7 对8 0 1 ) ，但过孔的数量较少。对于大规模生产 而言，采用表贴式封装产品的成本将会下降一部分而且朝着更精巧的方向发展。 误差补偿器的p c b 图如3 1 7 所示： 图3 1 7 元件采用d i p 封装的p c b 图 f i g3 1 7 d r a w i n go f p c b 啪血d i p p a c k a g e 北京丁业人学t 学硕i j 学位论文 3 5 单片机硬件电路的静态调试 硬件电路系统的静态调试是为了排除明显的硬件故障。首先在焊接各元器件 管脚之前，先目视或使用万用表检查线路板各处是否有明显短路、开路的地方， 重点检查系统总线( 地址总线、数据总线和控制总线) 是否存在相互之间短路或 与其他信号线短路，特别是要防止电源短路。这一步相当重要，如果未经检查就 焊上元件或管脚，待发现有短路、开路故障时，很难调整。 确认电路连线无误后，在印制板焊接上各元器件管脚。焊接完毕后，还要检 查元件面各元件之间裸露部分有无相互接触现象，焊接面的各焊点间、焊点与近 邻线有无连接，特别是对布线较密的地方更应该注意检查。完成第二步后，空载 上电( 不插芯片) ，先用万用表检查各集成电路芯片插座上的电压值和极性是否 正确。然后插入单片机，检查单片机最小系统能够正常工作，主要为时钟电路和 复位电路。 判断单片机芯片及时钟系统是否正常工作有一个简单的办法，就是用万用表 测量单片机晶振引脚( 1 8 、1 9 脚) 的对地电压，以正常工作的单片机用数字万用 表测量为例：1 8 脚对地约2 2 4 v ，1 9 脚对地约2 0 9 v 。对于怀疑是复位电路故障而 不能正常工作的单片机也可以采用模拟复位的方法来判断，单片机正常工作时第 9 脚对地电压为零，可以用导线短时间和+ 5 v 连接一下，模拟一下上电复位，如 果单片机能正常工作了，说明这个复位电路没有问题。 最后将芯片插入对应管脚，再次通电检查各点电压是否达到要求，逻辑电平 是否符合电路或器件的逻辑关系。如果发现异常，应重新检查线路，直至全部符 合要求为止。 3 6 本章小结 l 、本章介绍了误差补偿器的总体设计方案，对设计中选用的主要元器件进 行了简要的介绍。 2 、根据总体方案，详细介绍了各模块的硬件电路设计，最终构成误差补偿 器的原理图。 3 、在原理图的基础上，对制作电路板的前期准备工作，如电路板的规划、 元器件的封装、布局和布线等进行介绍。 4 、对p c b 设计中硬件抗干扰技术进行了总结。 第4 章议差补偿i 器软件设计 一调试 第4 章误差补偿器软件设计与调试 软件是单片机系统中的一个重要组成部分，在单片机应用系统研制过程中， 软件设计部分是工作量最大的，也是最困难的任务。一般计算机应用系统的软件 包括系统软件和用户软件，而单片机系统中的软件只有用户软件，即应用系统软 件。软件设计的关键是确定软件应完成的任务及选择相应的软件结构。 图4 _ l 单片机应用软件开发流程图 f i g 4 1f l o wc h a r to fm c u s o f t w a r ed e s i g n 软件设计通常分作系统定义、软件结构设计和程序设计三个步骤。下面，首 先介绍误差补偿器的系统定义。 4 1 系统定义 系统定义的目的是根据系统软、硬件的功能分工，确定出软件应完成什么功 4 7 北京t 业人学t 学硕f ：学位论文 能。对于本设计，则有： l 、对a t 8 9 s 5 2 编程时用到的各引脚进行定义： 表4 1a t 8 9 s 5 2 引脚定义 t a b 4 - 1f u n c t i o nd e f i n i t i o no f a t 8 9 s 5 2p i n s 引脚名称在误筹补偿器中的功能 p 1 2 、p 1 3系统状态指示灯d 1 、d 2 的信号输入端 p 3 6 ( w r )与外扩数据存储器6 2 6 4 的w e 相连，实现写外部r a m p 3 7 ( r d ) 与外扩数据存储器6 2 6 4 的o e 相