[發明專利]嵌入式數控機床熱誤差實時補償控制器

有效

• 申請號: 201410449861.8
• 申請日: 2014-09-04
• 公開（公告）號: CN104267667B
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 周祖德;胡建民;婁平;劉泉
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: G05B19/404
• 分類號: G05B19/404
• 代理公司: 武漢開元知識產權代理有限公司42104
• 代理人: 潘杰,劉琳

技術領域

本發明涉及數控機床加工技術領域，具體地指一種嵌入式數控機床熱誤差實時補償控制器。

背景技術

重型機床是制造領域的重要裝備，其加工性能是一個國家制造業發展水平的主要標志之一。隨著現代制造業不斷向高精度、高速度、高智能的發展，對數控機床等基礎制造裝備的性能指標要求也日益提高。諸如數控鉆床、數控銑床和切削中心等精密加工設備，由于自身材質、結構和加工環境的原因，在對零件加工過程中存在著幾何誤差、熱誤差、伺服誤差和定位夾緊誤差等影響加工精度穩定性的因素。數控機床在對零件加工過程中，主軸旋轉，刀具摩擦以及環境的熱傳遞會使數控機床的主要結構產生熱形變，即產生熱誤差。國內外研究表明，對于一些重型數控機床以及精密數控機床由于熱誤差引起的加工誤差約占總加工誤差的40％到70％左右，由此可見，開發有效的數控機床熱誤差補償裝置對提高數控機床加工精度有著重要意義。

目前，國內外眾多高校、研究機構以及加工設備制造廠商對數控機床的熱誤差補償進行研究。近幾年，對降低數控機床熱誤差的方法研究主要集中熱誤差補償方法上，該方法的具體實現時，首先通過測量裝置對數控機床關鍵構件的熱形變進行測量，獲得熱誤差補償量，然后將熱誤差補償量轉變為數控機床可以識別的補償信號，接著利用軟件或軟硬件結合的方法將補償信號送入數控機床的數控系統中，使數控機床的進給軸產生與熱形變反向的運動，最終實現熱誤差的補償。這種方法概括起來包含兩方面的工作：熱誤差值的獲取和熱誤差的修正。

為了獲取數控機床的熱誤差數據，人們做了大量的工作。上海交通大學的楊建國和薛秉源通過在機床上安裝激光測量器檢測到了數控機床所加工工件的熱誤差值(參看文獻“數控機床實時誤差補償技術及其應用”，來自期刊《上海交通大學學報》，1998年第5期)。該方法雖然直接有效，但是激光測量裝置價格昂貴，無法在大量的數控機床上安裝使用。專利號為201110128868.6的中國發明專利“基于超磁致伸縮驅動的高速機床熱誤差補償裝置”，采用超磁材料對數控機床的熱形變進行測量，雖然該方法能夠快速對數控機床的熱形變進行響應，但是該方法需要繁瑣的安裝過程，容易對數控機床引入新的誤差。專利號為201110001213.2的中國發明專利“用于高速精密加工的熱誤差實時補償系統及其補償方法”采用數字溫度傳感器對數控機床的主要構件溫度進行測量，通過數學模型間接獲取數控機床的熱誤差值。上述兩種方法實施簡單易行，但是數控機床惡劣的工作環境下，電類溫度傳感器容易受到電磁干擾，造成測量數據的不準確性。大連理工大學的薛林巧妙采用數控機床反饋脈沖疊加法成功的實現了數控機床的熱誤差值補償(參看文獻“基于DSP的數控機床熱誤差補償系統的研究”，來自大連理工大學碩士學位論文，2012年)，該方法采用DSP處理器產生與數控機床反饋脈沖具有相同特征的脈沖，其補償效率受到DSP處理器I/O接口速度的限制；并且依賴個人計算機對數控機床熱誤差預測模型進行運算獲取熱誤差值。

發明內容

本發明的目的是針對數控機床熱誤差補償中熱誤差數據的獲得和熱誤差值補償的不足，提出了一種基于ARM與FPGA的嵌入式數控機床熱誤差補償裝置，本發明利用光纖光柵溫度傳感器對數控機床進行溫度數據采集，通過內嵌于ARM中的模型預測數控機床的熱誤差值，最終通過FPGA芯片完成熱誤差值的補償。

為實現上述目的，本發明所設計的嵌入式數控機床熱誤差實時補償控制器，其特殊之處在于，所述熱誤差實時補償控制器包括光纖光柵溫度傳感器：安裝于數控機床上，通過光纖光柵解調儀將實時采集的光柵波長數據傳輸至嵌入式處理器；嵌入式處理器：用于根據所述光柵波長數據計算熱誤差值，并轉化為補償信號傳輸至FPGA芯片；FPGA芯片：用于將所述補償信號轉換為補償信號并傳輸至熱補償執行模塊；熱補償執行模塊：位于數控機床的位置反饋環中，用于將所述補償信號與數控機床的原始反饋信號進行疊加，并將疊加后的反饋信號傳輸至機床控制器以控制數控機床X、Y、Z三軸的運動方向；系統電源：用于給所述熱誤差實時補償控制器提供電源。

進一步地，所述熱補償執行模塊包括差分轉單端信號單元：用于將機床伺服系統反饋的差分脈沖信號轉換為單端脈沖信號；補償疊加單元：用于將從FPGA芯片接收的補償信號疊加到單端脈沖信號中；單端轉差分信號單元：用于將疊加后的單端脈沖信號轉換為差分反饋信號并傳輸至機床控制器。數控機床系統中的控制信號與反饋信號均采用差分形式，而嵌入式處理器無法直接對差分信號進行處理，因此在數控機床熱誤差實時補償控制器中需要包含差分信號與單端信號轉換模塊。