[發明專利]數控機床熱誤差反饋截斷補償脈沖發送控制電路及方法

有效

• 申請號: 201410853114.0
• 申請日: 2014-12-31
• 公開（公告）號: CN104714481A
• 公開（公告）日: 2015-06-17
• 發明（設計）人: 劉泉;劉艾明;胡建民;婁平
• 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熱誤差補償技術領域，具體地指一種數控機床熱誤差反饋截斷補償脈沖發送控制電路及方法。

背景技術

數控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。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做了充分研究，并取得了顯著成果?，F有降低數控機床熱誤差影響的方法主要有：主動方法(如溫度控制法、預防法等)以及被動的方法(如熱誤差補償法等)。熱誤差補償法主要包含數控系統內嵌誤差補償模塊、反饋截斷補償法和原點平移補償法三種補償實現方式。

數控系統內嵌誤差補償模塊需要由數控系統開發廠商提供，并提供外部的補償接口，供用戶修改誤差補償模型，數控系統根據修改后的數據在一個粗插補周期內修正誤差，從而最終實現其補償。目前主流的數控系統廠商僅提供一些簡單的單維補償功能，并且其誤差補償接口不具有通用性。原點平移補償法也是通過誤差補償控制器計算當前時刻機床的誤差，和數控系統通訊，將該誤差信號疊加到整個工件加工坐標上，使得加工零件的工件坐標整體偏移以最終實現其誤差補償。由于該方法是把將要加工的若干段軌跡進行整體偏移，其誤差補償的有效性是建立在輪廓各處的熱誤差都相同的基礎上的。這時如果軌跡兩端的熱誤差相差比較大，會導致最終的補償效果很差，甚至引入新的誤差。由于上述兩種方式存在明顯的缺陷，反饋截斷補償法已成為數控機床熱誤差補償的重要方式。

反饋截斷法是通過將熱誤差模型的計算數值直接插入到伺服系統的位置反饋環中而實現的。熱誤差補償控制器獲取進給驅動伺服電機的編碼器反饋正交脈沖信號，同時，該補償控制器還計算機床的熱誤差，且將等同于熱誤差的正交脈沖信號與編碼器正交脈沖信號相加減，伺服系統據此實時調節機床的進給位置。為了避免補償脈沖影響數控機床的正常工作，補償控制器需在反饋正交脈沖的同低1/4周期內完成補償脈沖的發送。

大連理工大學高玉平與大連理工大學薛林均采用數控機床反饋截斷法成功的實現了數控機床的熱誤差值補償(參看文獻“數控機床熱誤差的反饋截斷式補償研究”，來自大連理工大學碩士學位論文，2009年；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)，前者采用PIC單片機產生與數控機床反饋脈沖具有相同特征的補償脈沖，后者用DSP處理器產生補償脈沖。上述兩種方法由于受到單片機和DSP處理器自身處理速度和IO口翻轉速度的影響，無法對高速運動的數控機床進行有效補償，存在一定的局限性。

發明內容

本發明針對現有技術中的數控機床熱誤差補償方法中，反饋截斷式補償法補償脈沖發送頻率低，無法對高速數控機床進行快速有效補償的不足，提出了一種基于FPGA的數控機床熱誤差反饋截斷補償脈沖發送控制電路及方法。

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，所述控制電路基于FPGA芯片和外部脈沖疊加電路實現，所述FPGA芯片包括：

外部信號接收端口：接收從外部信號處理電路獲取的補償觸發信號和從外部處理器獲取的補償脈沖控制信號并將所述補償觸發信號和補償脈沖控制信號發送至內部功能時序邏輯電路；

內部時鐘分頻電路：對從系統硬件電路獲取的高頻時鐘信號進行分頻處理為分頻時鐘信號并發送至內部功能時序邏輯電路；

內部功能時序邏輯電路：對所述補償觸發信號和補償脈沖控制信號進行處理，并通過所述分頻時鐘信號產生正交補償脈沖發送至補償脈沖輸出端口；

補償脈沖輸出端口：將所述正交補償脈沖發送至外部脈沖疊加電路；

系統硬件電路：為FPGA芯片工作提供輔助電路支持；

所述外部脈沖疊加電路將FPGA芯片產生的正交補償脈沖和數控機床原始正交反饋脈沖進行疊加，形成補償脈沖發送控制信號。