[发明专利]嵌入式数控机床热误差实时补偿控制器

说明书

技术领域

本发明涉及数控机床加工技术领域，具体地指一种嵌入式数控机床热误差实时补偿控制器。

背景技术

重型机床是制造领域的重要装备，其加工性能是一个国家制造业发展水平的主要标志之一。随着现代制造业不断向高精度、高速度、高智能的发展，对数控机床等基础制造装备的性能指标要求也日益提高。诸如数控钻床、数控铣床和切削中心等精密加工设备，由于自身材质、结构和加工环境的原因，在对零件加工过程中存在着几何误差、热误差、伺服误差和定位夹紧误差等影响加工精度稳定性的因素。数控机床在对零件加工过程中，主轴旋转，刀具摩擦以及环境的热传递会使数控机床的主要结构产生热形变，即产生热误差。国内外研究表明，对于一些重型数控机床以及精密数控机床由于热误差引起的加工误差约占总加工误差的40％到70％左右，由此可见，开发有效的数控机床热误差补偿装置对提高数控机床加工精度有着重要意义。

目前，国内外众多高校、研究机构以及加工设备制造厂商对数控机床的热误差补偿进行研究。近几年，对降低数控机床热误差的方法研究主要集中热误差补偿方法上，该方法的具体实现时，首先通过测量装置对数控机床关键构件的热形变进行测量，获得热误差补偿量，然后将热误差补偿量转变为数控机床可以识别的补偿信号，接着利用软件或软硬件结合的方法将补偿信号送入数控机床的数控系统中，使数控机床的进给轴产生与热形变反向的运动，最终实现热误差的补偿。这种方法概括起来包含两方面的工作：热误差值的获取和热误差的修正。

为了获取数控机床的热误差数据，人们做了大量的工作。上海交通大学的杨建国和薛秉源通过在机床上安装激光测量器检测到了数控机床所加工工件的热误差值(参看文献“数控机床实时误差补偿技术及其应用”，来自期刊《上海交通大学学报》，1998年第5期)。该方法虽然直接有效，但是激光测量装置价格昂贵，无法在大量的数控机床上安装使用。专利号为201110128868.6的中国发明专利“基于超磁致伸缩驱动的高速机床热误差补偿装置”，采用超磁材料对数控机床的热形变进行测量，虽然该方法能够快速对数控机床的热形变进行响应，但是该方法需要繁琐的安装过程，容易对数控机床引入新的误差。专利号为201110001213.2的中国发明专利“用于高速精密加工的热误差实时补偿系统及其补偿方法”采用数字温度传感器对数控机床的主要构件温度进行测量，通过数学模型间接获取数控机床的热误差值。上述两种方法实施简单易行，但是数控机床恶劣的工作环境下，电类温度传感器容易受到电磁干扰，造成测量数据的不准确性。大连理工大学的薛林巧妙采用数控机床反馈脉冲叠加法成功的实现了数控机床的热误差值补偿(参看文献“基于DSP的数控机床热误差补偿系统的研究”，来自大连理工大学硕士学位论文，2012年)，该方法采用DSP处理器产生与数控机床反馈脉冲具有相同特征的脉冲，其补偿效率受到DSP处理器I/O接口速度的限制；并且依赖个人计算机对数控机床热误差预测模型进行运算获取热误差值。

发明内容

本发明的目的是针对数控机床热误差补偿中热误差数据的获得和热误差值补偿的不足，提出了一种基于ARM与FPGA的嵌入式数控机床热误差补偿装置，本发明利用光纤光栅温度传感器对数控机床进行温度数据采集，通过内嵌于ARM中的模型预测数控机床的热误差值，最终通过FPGA芯片完成热误差值的补偿。

为实现上述目的，本发明所设计的嵌入式数控机床热误差实时补偿控制器，其特殊之处在于，所述热误差实时补偿控制器包括光纤光栅温度传感器：安装于数控机床上，通过光纤光栅解调仪将实时采集的光栅波长数据传输至嵌入式处理器；嵌入式处理器：用于根据所述光栅波长数据计算热误差值，并转化为补偿信号传输至FPGA芯片；FPGA芯片：用于将所述补偿信号转换为补偿信号并传输至热补偿执行模块；热补偿执行模块：位于数控机床的位置反馈环中，用于将所述补偿信号与数控机床的原始反馈信号进行叠加，并将叠加后的反馈信号传输至机床控制器以控制数控机床X、Y、Z三轴的运动方向；系统电源：用于给所述热误差实时补偿控制器提供电源。

进一步地，所述热补偿执行模块包括差分转单端信号单元：用于将机床伺服系统反馈的差分脉冲信号转换为单端脉冲信号；补偿叠加单元：用于将从FPGA芯片接收的补偿信号叠加到单端脉冲信号中；单端转差分信号单元：用于将叠加后的单端脉冲信号转换为差分反馈信号并传输至机床控制器。数控机床系统中的控制信号与反馈信号均采用差分形式，而嵌入式处理器无法直接对差分信号进行处理，因此在数控机床热误差实时补偿控制器中需要包含差分信号与单端信号转换模块。