嵌入式數(shù)控機(jī)床熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種嵌入式數(shù)控機(jī)床熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制器，包括光纖光柵溫度傳感器、嵌入式處理器、FPGA芯片、熱補(bǔ)償執(zhí)行模塊和系統(tǒng)電源。本發(fā)明采用熱誤差半閉環(huán)前饋補(bǔ)償方式和反饋脈沖疊加補(bǔ)償策略，在數(shù)控機(jī)床上安裝光纖光柵溫度傳感器，利用嵌入到嵌入式處理器中的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型對(duì)數(shù)控機(jī)床由于溫度變化造成的誤差值進(jìn)行預(yù)測(cè)；在數(shù)控機(jī)床的位置反饋環(huán)中插入熱誤差補(bǔ)償執(zhí)行模塊，通過在反饋脈沖中疊加補(bǔ)償脈沖實(shí)現(xiàn)熱誤差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。本發(fā)明采用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償脈沖的產(chǎn)生與補(bǔ)償實(shí)施，補(bǔ)償脈沖頻率能夠滿足數(shù)控機(jī)床高速加工狀態(tài)的需求，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
【專利說明】嵌入式數(shù)控機(jī)床熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及數(shù)控機(jī)床加工【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地指一種嵌入式數(shù)控機(jī)床熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制器。

【背景技術(shù)】
[0002]重型機(jī)床是制造領(lǐng)域的重要裝備，其加工性能是一個(gè)國家制造業(yè)發(fā)展水平的主要標(biāo)志之一。隨著現(xiàn)代制造業(yè)不斷向聞精度、聞速度、聞智能的發(fā)展，對(duì)數(shù)控機(jī)床等基礎(chǔ)制造裝備的性能指標(biāo)要求也日益提高。諸如數(shù)控鉆床、數(shù)控銑床和切削中心等精密加工設(shè)備，由于自身材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和加工環(huán)境的原因，在對(duì)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(wěn)定性的因素。數(shù)控機(jī)床在對(duì)零件加工過程中，主軸旋轉(zhuǎn)，刀具摩擦以及環(huán)境的熱傳遞會(huì)使數(shù)控機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱形變，即產(chǎn)生熱誤差。國內(nèi)外研究表明，對(duì)于一些重型數(shù)控機(jī)床以及精密數(shù)控機(jī)床由于熱誤差弓丨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(fā)有效的數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償裝置對(duì)提高數(shù)控機(jī)床加工精度有著重要意義。
[0003]目前，國內(nèi)外眾多高校、研究機(jī)構(gòu)以及加工設(shè)備制造廠商對(duì)數(shù)控機(jī)床的熱誤差補(bǔ)償進(jìn)行研究。近幾年，對(duì)降低數(shù)控機(jī)床熱誤差的方法研究主要集中熱誤差補(bǔ)償方法上，該方法的具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，首先通過測(cè)量裝置對(duì)數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵構(gòu)件的熱形變進(jìn)行測(cè)量，獲得熱誤差補(bǔ)償量，然后將熱誤差補(bǔ)償量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)控機(jī)床可以識(shí)別的補(bǔ)償信號(hào)，接著利用軟件或軟硬件結(jié)合的方法將補(bǔ)償信號(hào)送入數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)中，使數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給軸產(chǎn)生與熱形變反向的運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)熱誤差的補(bǔ)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。
[0004]為了獲取數(shù)控機(jī)床的熱誤差數(shù)據(jù)，人們做了大量的工作。上海交通大學(xué)的楊建國和薛秉源通過在機(jī)床上安裝激光測(cè)量器檢測(cè)到了數(shù)控機(jī)床所加工工件的熱誤差值(參看文獻(xiàn)“數(shù)控機(jī)床實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償技術(shù)及其應(yīng)用”，來自期刊《上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)》，1998年第5期)。該方法雖然直接有效，但是激光測(cè)量裝置價(jià)格昂貴，無法在大量的數(shù)控機(jī)床上安裝使用。專利號(hào)為201110128868.6的中國發(fā)明專利“基于超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)的高速機(jī)床熱誤差補(bǔ)償裝置”，采用超磁材料對(duì)數(shù)控機(jī)床的熱形變進(jìn)行測(cè)量，雖然該方法能夠快速對(duì)數(shù)控機(jī)床的熱形變進(jìn)行響應(yīng)，但是該方法需要繁瑣的安裝過程，容易對(duì)數(shù)控機(jī)床引入新的誤差。專利號(hào)為201110001213.2的中國發(fā)明專利“用于高速精密加工的熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)及其補(bǔ)償方法”采用數(shù)字溫度傳感器對(duì)數(shù)控機(jī)床的主要構(gòu)件溫度進(jìn)行測(cè)量，通過數(shù)學(xué)模型間接獲取數(shù)控機(jī)床的熱誤差值。上述兩種方法實(shí)施簡(jiǎn)單易行，但是數(shù)控機(jī)床惡劣的工作環(huán)境下，電類溫度傳感器容易受到電磁干擾，造成測(cè)量數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性。大連理工大學(xué)的薛林巧妙采用數(shù)控機(jī)床反饋脈沖疊加法成功的實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床的熱誤差值補(bǔ)償(參看文獻(xiàn)“基于DSP的數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償系統(tǒng)的研究”，來自大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012年)，該方法采用DSP處理器產(chǎn)生與數(shù)控機(jī)床反饋脈沖具有相同特征的脈沖，其補(bǔ)償效率受到DSP處理器I/O接口速度的限制；并且依賴個(gè)人計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)控機(jī)床熱誤差預(yù)測(cè)模型進(jìn)行運(yùn)算獲取熱誤差值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對(duì)數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償中熱誤差數(shù)據(jù)的獲得和熱誤差值補(bǔ)償?shù)牟蛔?，提出了一種基于ARM與FPGA的嵌入式數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償裝置，本發(fā)明利用光纖光柵溫度傳感器對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集，通過內(nèi)嵌于ARM中的模型預(yù)測(cè)數(shù)控機(jī)床的熱誤差值，最終通過FPGA芯片完成熱誤差值的補(bǔ)償。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的嵌入式數(shù)控機(jī)床熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制器，其特殊之處在于，所述熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制器包括光纖光柵溫度傳感器:安裝于數(shù)控機(jī)床上，通過光纖光柵解調(diào)儀將實(shí)時(shí)采集的光柵波長數(shù)據(jù)傳輸至嵌入式處理器；嵌入式處理器:用于根據(jù)所述光柵波長數(shù)據(jù)計(jì)算熱誤差值，并轉(zhuǎn)化為補(bǔ)償信號(hào)傳輸至FPGA芯片；FPGA芯片:用于將所述補(bǔ)償信號(hào)轉(zhuǎn)換為補(bǔ)償信號(hào)并傳輸至熱補(bǔ)償執(zhí)行模塊；熱補(bǔ)償執(zhí)行模塊:位于數(shù)控機(jī)床的位置反饋環(huán)中，用于將所述補(bǔ)償信號(hào)與數(shù)控機(jī)床的原始反饋信號(hào)進(jìn)行疊加，并將疊加后的反饋信號(hào)傳輸至機(jī)床控制器以控制數(shù)控機(jī)床X、Y、Z三軸的運(yùn)動(dòng)方向；系統(tǒng)電源:用于給所述熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制器提供電源。
[0007]進(jìn)一步地，所述熱補(bǔ)償執(zhí)行模塊包括差分轉(zhuǎn)單端信號(hào)單元:用于將機(jī)床伺服系統(tǒng)反饋的差分脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端脈沖信號(hào)；補(bǔ)償疊加單元:用于將從FPGA芯片接收的補(bǔ)償信號(hào)疊加到單端脈沖信號(hào)中；單端轉(zhuǎn)差分信號(hào)單元:用于將疊加后的單端脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分反饋信號(hào)并傳輸至機(jī)床控制器。數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)中的控制信號(hào)與反饋信號(hào)均采用差分形式，而嵌入式處理器無法直接對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行處理，因此在數(shù)控機(jī)床熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制器中需要包含差分信號(hào)與單端信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊。
[0008]更進(jìn)一步地，所述熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制器還包括辨向單元:用于接收所述差分轉(zhuǎn)單端信號(hào)單元輸出的單端脈沖信號(hào)并將獲取的進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)方向信息傳輸至嵌入式處理器，所述嵌入式處理器根據(jù)所述進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)方向信息確定補(bǔ)償信號(hào)的正交相位關(guān)系。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)有正負(fù)性，控制器在進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償時(shí)，需要根據(jù)當(dāng)前進(jìn)給軸所處運(yùn)動(dòng)方向來確定補(bǔ)償脈沖信號(hào)的相位關(guān)系，因此設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)辨向電路。辨向單元采用HCTL-2020芯片實(shí)現(xiàn)。
[0009]更進(jìn)一步地，所述熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制器還包括相位判斷單元:用于接收所述差分轉(zhuǎn)單端信號(hào)單元輸出的單端脈沖信號(hào)并將單端脈沖信號(hào)中兩路脈沖同低的1/4周期輸出低電平，其余3/4周期輸出高電平，所述FPGA芯片在相位判斷單元輸出為低電平時(shí)輸出補(bǔ)償信號(hào)、輸出為高電平時(shí)不輸出補(bǔ)償信號(hào)。由于，控制器需要將與進(jìn)給軸原始反饋脈沖具有相同特性的補(bǔ)償脈沖疊加到反饋回路，所以很容易對(duì)原始信號(hào)造成破壞，影響數(shù)控機(jī)床原有的穩(wěn)定性。相位判斷單元使控制器在原始正交反饋脈沖的同低的1/4周期內(nèi)完成補(bǔ)償脈沖的疊加，保證數(shù)控機(jī)床的穩(wěn)定性。
[0010]更進(jìn)一步地，所述FPGA芯片與補(bǔ)償疊加單元之間、所述辨向單元與差分轉(zhuǎn)單端信號(hào)單元之間均設(shè)置有光電隔離單元。為了避免引入數(shù)控機(jī)床的雜波信號(hào)，提高自身穩(wěn)定性，采用光電耦合器對(duì)兩側(cè)信號(hào)進(jìn)行光電隔離。
[0011]更進(jìn)一步地，所述光纖光柵溫度傳感器安裝于數(shù)控機(jī)床的刀架懸臂、主軸和工作臺(tái)，對(duì)加工過程中數(shù)控機(jī)床這些部位的溫度變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
[0012]本發(fā)明采用熱誤差半閉環(huán)前饋補(bǔ)償方式和反饋脈沖疊加補(bǔ)償策略，在數(shù)控機(jī)床上安裝光纖光柵溫度傳感器，對(duì)加工過程中數(shù)控機(jī)床溫度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用嵌入到嵌入式處理器中的經(jīng)過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型對(duì)數(shù)控機(jī)床由于溫度變化造成的誤差值進(jìn)行預(yù)測(cè)；在數(shù)控機(jī)床的位置反饋環(huán)中插入熱誤差補(bǔ)償執(zhí)行模塊，通過在反饋脈沖中疊加補(bǔ)償脈沖實(shí)現(xiàn)熱誤差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。
[0013]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下突出特點(diǎn):
[0014]1.采用嵌入式處理器作為系統(tǒng)的中央控制單元，將溫度數(shù)據(jù)處理，熱誤差預(yù)測(cè)以及系統(tǒng)的自動(dòng)控制功能全部集中在STM32芯片中，使得系統(tǒng)更加獨(dú)立，不需要依賴計(jì)算機(jī)或服務(wù)器。
[0015]2.利用光纖光柵對(duì)數(shù)控機(jī)床的主要構(gòu)件進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)測(cè)量，使得測(cè)量數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定，不受電磁干擾。
[0016]3.通過對(duì)測(cè)溫點(diǎn)的優(yōu)化，以及經(jīng)過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)數(shù)控機(jī)床的熱誤差值進(jìn)行預(yù)測(cè)，具有預(yù)測(cè)速遞快，魯棒性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。
[0017]4.采用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償脈沖的產(chǎn)生與補(bǔ)償實(shí)施，補(bǔ)償脈沖頻率能夠滿足數(shù)控機(jī)床高速加工狀態(tài)的需求，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。
[0019]圖2本發(fā)明的FPGA頂層設(shè)計(jì)圖。
[0020]圖3為本發(fā)明的系統(tǒng)信號(hào)流圖。
[0021]圖4為本發(fā)明的軟件流程圖。
[0022]其中:光柵溫度傳感器1，嵌入式處理器2，F(xiàn)PGA芯片3，熱補(bǔ)償執(zhí)行模塊4，系統(tǒng)電源5，機(jī)床控制器6，辨向單元7，相位判斷單元8，光電隔離單元9，以太網(wǎng)接口 10，伺服系統(tǒng)11。

【具體實(shí)施方式】
[0023]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0024]如圖1所示，本發(fā)明一種嵌入式數(shù)控機(jī)床熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制器，包括光纖光柵溫度傳感器1、嵌入式處理器2、FPGA芯片3、熱補(bǔ)償執(zhí)行模塊4、系統(tǒng)電源5、辨向單兀7、相位判斷單元8和光電隔離單元9。
[0025]光纖光柵溫度傳感器I安裝于數(shù)控機(jī)床的刀架懸臂、主軸和工作臺(tái)等部位，對(duì)加工過程中數(shù)控機(jī)床溫度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。光纖光柵溫度傳感器I通過光纖光柵解調(diào)儀實(shí)時(shí)獲取的光柵波長變化，光纖光柵解調(diào)儀將光柵波長變化的數(shù)據(jù)傳輸至以太網(wǎng)接口 10，以太網(wǎng)接口 10接收光柵波長數(shù)據(jù)并傳輸至嵌入式處理器2。
[0026]嵌入式處理器2用于根據(jù)光柵波長數(shù)據(jù)標(biāo)定量化為溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)溫度數(shù)據(jù)計(jì)算熱誤差值并傳輸至FPGA芯片3。嵌入式處理器2采用基于ARM的Cortex_M3核處理器STM32實(shí)現(xiàn)，完成溫度檢測(cè)、熱誤差值預(yù)測(cè)的功能。嵌入式處理器2對(duì)從以太網(wǎng)接口 10接收的光柵波長數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定和處理，轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟葦?shù)據(jù)，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)出溫升造成的熱誤差值。嵌入式處理器2還根據(jù)從辨向單元7獲取的進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)方向信息確定補(bǔ)償信號(hào)的正交相位關(guān)系。
[0027]FPGA芯片3用于將熱誤差值轉(zhuǎn)換為補(bǔ)償信號(hào)并傳輸至熱補(bǔ)償執(zhí)行模塊4。FPGA芯片3首先接收嵌入式處理器2傳送的補(bǔ)償脈沖個(gè)數(shù)、控制信號(hào)和進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)方向，然后依據(jù)相位判斷單元8送入的信號(hào)自行擇機(jī)送出補(bǔ)償脈沖。FPGA芯片3在相位判斷單元8輸出為低電平時(shí)輸出補(bǔ)償信號(hào)、輸出為高電平時(shí)不輸出補(bǔ)償信號(hào)。
[0028]熱補(bǔ)償執(zhí)行模塊4位于數(shù)控機(jī)床的位置反饋環(huán)中，用于將補(bǔ)償信號(hào)與數(shù)控機(jī)床的原始反饋信號(hào)進(jìn)行疊加，并將疊加后的反饋信號(hào)傳輸至機(jī)床控制器6以控制數(shù)控機(jī)床X、Y、Z三軸產(chǎn)生抵消熱誤差的附加運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)電源5用于提供電源。熱補(bǔ)償執(zhí)行模塊4包括差分轉(zhuǎn)單端信號(hào)單元4-1、補(bǔ)償疊加單元4-2和單端轉(zhuǎn)差分信號(hào)單元4-3，差分轉(zhuǎn)單端信號(hào)單元4-1用于將機(jī)床伺服系統(tǒng)11反饋的差分脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端脈沖信號(hào)，補(bǔ)償疊加單元4-2用三態(tài)門和反相器芯片完成疊加電路的設(shè)計(jì)。補(bǔ)償疊加單元4-2用于將從FPGA芯片3接收的補(bǔ)償信號(hào)疊加到單端脈沖信號(hào)中，單端轉(zhuǎn)差分信號(hào)單元4-3用于將疊加后的單端脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分反饋信號(hào)并傳輸至機(jī)床控制器6。
[0029]系統(tǒng)電源5包含大功率24V開關(guān)電源，該電源可以為熱誤差補(bǔ)償控制器提供電源輸入。在熱誤差補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)高效率隔離DC-DC變換器，由24V電壓逐級(jí)降壓獲得5V與
3.3V電壓，為系統(tǒng)電路提供能量供給。
[0030]辨向單元7接收差分轉(zhuǎn)單端信號(hào)單元4-1輸出的單端脈沖信號(hào)并將獲取的進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)方向信息傳輸至嵌入式處理器2，嵌入式處理器2根據(jù)進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)方向信息確定補(bǔ)償信號(hào)的正交相位關(guān)系。辨向單元7采用HCTL-2020芯片來實(shí)現(xiàn)，該芯片通過對(duì)輸入的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)給軸正交反饋脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)和相位判斷，獲取進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)方向，在通過管腳輸出相應(yīng)高低電平，將進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)方向傳遞給嵌入式處理器2。其電路圖如圖2所示。圖中HCLK、HSEL、H0E和HRST為嵌入式處理器2發(fā)出的控制信號(hào)，CHA和CHB為兩路正交脈沖信號(hào)輸入，HDIR為芯片輸出信號(hào)，該管腳為高時(shí)代表進(jìn)給軸正轉(zhuǎn)，為低時(shí)代表進(jìn)給軸反轉(zhuǎn)。[0031 ] 相位判斷單元8接收差分轉(zhuǎn)單端信號(hào)單元4-1輸出的單端脈沖信號(hào)并將單端脈沖信號(hào)中兩路脈沖同低的1/4周期輸出低電平，其余3/4周期輸出高電平，F(xiàn)PGA芯片3在相位判斷單元8輸出為低電平時(shí)輸出補(bǔ)償信號(hào)、輸出為高電平時(shí)不輸出補(bǔ)償信號(hào)。
[0032]FPGA芯片3與補(bǔ)償疊加單元4_2之間、辨向單元7與差分轉(zhuǎn)單端信號(hào)單元4_1之間均設(shè)置有光電隔離單元9。這是由于控制器既需要接收數(shù)控機(jī)床內(nèi)部信號(hào)進(jìn)行處理，同時(shí)又需要將自身信號(hào)輸入到數(shù)控機(jī)床中，然而數(shù)控機(jī)床內(nèi)部具有多路電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)和動(dòng)力線，其內(nèi)部具有強(qiáng)電磁干擾雜波，如果控制器與數(shù)控機(jī)床直接進(jìn)行電氣連接，勢(shì)必會(huì)降低控制器的穩(wěn)定性。為了避免引入數(shù)控機(jī)床的雜波信號(hào)，提供自身穩(wěn)定性，控制器采用光電耦合器對(duì)兩側(cè)信號(hào)進(jìn)行光電隔離。
[0033]本發(fā)明設(shè)計(jì)預(yù)留串口及USB 口，從而具備與上位機(jī)通信功能，可以將數(shù)控機(jī)床的工作狀態(tài)傳送至上位機(jī)監(jiān)控軟件；也可以接收上位機(jī)發(fā)送的配置信息，實(shí)現(xiàn)熱誤差補(bǔ)償?shù)倪h(yuǎn)程管理功能。
[0034]數(shù)控機(jī)床熱誤差的補(bǔ)償不能對(duì)機(jī)床造成二次誤差，但是本發(fā)明采取的反饋疊加法是對(duì)數(shù)控機(jī)床的原始反饋信號(hào)進(jìn)行疊加處理，該方法極易破壞數(shù)控機(jī)床的原始反饋信號(hào)，從而引入新的誤差，所以熱誤差的補(bǔ)償需要選擇恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)。實(shí)施補(bǔ)償?shù)臅r(shí)機(jī)應(yīng)選取數(shù)控系統(tǒng)正交編碼反饋脈沖A、B兩相處于同低狀態(tài)的時(shí)間段。為獲得數(shù)控系統(tǒng)反饋脈沖的同低狀態(tài)，本發(fā)明利用或門設(shè)計(jì)補(bǔ)償時(shí)機(jī)判斷電路。當(dāng)A、B兩相同為低時(shí)判斷電路輸出低電平，當(dāng)A、B兩相有任意一相為高時(shí)，判斷電路輸出高電平。由于數(shù)控機(jī)床X、Y、Z三個(gè)進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)具有正負(fù)方向性，在進(jìn)行補(bǔ)償操作時(shí)，熱誤差補(bǔ)償控制器需要檢測(cè)進(jìn)給軸當(dāng)前的進(jìn)給方向，從而確定補(bǔ)償脈沖的相位。本發(fā)明通過HCTL-2020芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)方向判斷。
[0035]國內(nèi)外現(xiàn)有的采用反饋脈沖疊加補(bǔ)償法實(shí)現(xiàn)的數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償控制器的研究中，補(bǔ)償脈沖全部是采用嵌入式處理器單片機(jī)、ARM或DSP產(chǎn)生。該方法雖然簡(jiǎn)便易行，但是由于嵌入式處理器主頻的限制，所產(chǎn)生的補(bǔ)償脈沖最高頻率也只有百千級(jí)。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，補(bǔ)償脈沖可以準(zhǔn)確疊加到原始反饋信號(hào)中，一旦數(shù)控機(jī)床高速運(yùn)動(dòng)時(shí)反饋脈沖的1/4周期接近或小于補(bǔ)償脈沖的3/4周期時(shí)，即補(bǔ)償脈沖的周期超過了原始反饋脈沖的同低狀態(tài)保持時(shí)間，補(bǔ)償脈沖就會(huì)對(duì)原始反饋脈沖造成干擾，無法實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償。
[0036]本發(fā)明的工作流程如下:嵌入式處理器2通過辨向電路7獲取數(shù)控機(jī)床伺服位置反饋裝置的反饋信號(hào)，對(duì)光纖光柵解調(diào)儀發(fā)送的光柵波長數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定和處理，轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟葦?shù)據(jù)，利用熱誤差預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型獲得溫升造成的熱誤差值，并與FPGA相配合將具有原始反饋脈沖特征的補(bǔ)償脈沖信號(hào)添加到伺服系統(tǒng)11的反饋環(huán)中，從而使數(shù)控系統(tǒng)接收到的脈沖計(jì)數(shù)與實(shí)際的位置值不符，繼續(xù)增加或減少進(jìn)給值來實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償?shù)哪康?。如果無需補(bǔ)償，嵌入式處理器2則不對(duì)數(shù)據(jù)做處理，并直接將原始反饋脈沖送還數(shù)控系統(tǒng)。系統(tǒng)信號(hào)流圖如圖3所示，系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。
[0037]本發(fā)明主要用于對(duì)數(shù)控機(jī)床在加工過程中產(chǎn)生的熱誤差實(shí)施補(bǔ)償，提高加工精度。數(shù)控機(jī)床內(nèi)部的信號(hào)傳輸采用的是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)控機(jī)床熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制器在與數(shù)控機(jī)床內(nèi)部的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)交換時(shí)需要進(jìn)行信號(hào)匹配變換。為了減少工業(yè)環(huán)境對(duì)數(shù)控機(jī)床信號(hào)質(zhì)量的干擾，提高工作的可靠性，數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)中的控制信號(hào)與反饋信號(hào)均采用差分形式。本發(fā)明的補(bǔ)償脈沖的產(chǎn)生與執(zhí)行采用FPGA實(shí)現(xiàn)，通過VHDL語言，在FPGA中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能邏輯硬件電路。FPGA的運(yùn)行速度最高可以達(dá)到G級(jí)主頻，故可以有效的提高熱誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)性。
[0038]本說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種嵌入式數(shù)控機(jī)床熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制器，其特征在于:所述熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制器包括 光纖光柵溫度傳感器(1):安裝于數(shù)控機(jī)床上，通過光纖光柵解調(diào)儀將實(shí)時(shí)采集的光柵波長數(shù)據(jù)傳輸至嵌入式處理器(2); 嵌入式處理器(2):用于根據(jù)所述光柵波長數(shù)據(jù)計(jì)算熱誤差值，并轉(zhuǎn)化為補(bǔ)償信號(hào)傳輸至FPGA芯片(3)； FPGA芯片(3):用于將所述補(bǔ)償信號(hào)轉(zhuǎn)換為補(bǔ)償信號(hào)并傳輸至熱補(bǔ)償執(zhí)行模塊(4)； 熱補(bǔ)償執(zhí)行模塊(4):位于數(shù)控機(jī)床的位置反饋環(huán)中，用于將所述補(bǔ)償信號(hào)與數(shù)控機(jī)床的原始反饋信號(hào)進(jìn)行疊加，并將疊加后的反饋信號(hào)傳輸至機(jī)床控制器(6)以控制數(shù)控機(jī)床X、Y、Z三軸的運(yùn)動(dòng)方向； 系統(tǒng)電源(5):用于給所述熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制器提供電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式數(shù)控機(jī)床熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制器，其特征在于:所述熱補(bǔ)償執(zhí)行模塊(4)包括 差分轉(zhuǎn)單端信號(hào)單元(4-1):用于將機(jī)床伺服系統(tǒng)(11)反饋的差分脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端脈沖信號(hào)； 補(bǔ)償疊加單元(4-2):用于將從FPGA芯片(3)接收的補(bǔ)償信號(hào)疊加到單端脈沖信號(hào)中； 單端轉(zhuǎn)差分信號(hào)單元(4-3):用于將疊加后的單端脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分反饋信號(hào)并傳輸至機(jī)床控制器(6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的嵌入式數(shù)控機(jī)床熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制器，其特征在于:所述熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制器還包括 辨向單元(7):用于接收所述差分轉(zhuǎn)單端信號(hào)單元(4-1)輸出的單端脈沖信號(hào)并將獲取的進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)方向信息傳輸至嵌入式處理器(2)，所述嵌入式處理器(2)根據(jù)所述進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)方向信息確定補(bǔ)償信號(hào)的正交相位關(guān)系。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的嵌入式數(shù)控機(jī)床熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制器，其特征在于:所述FPGA芯片(3)與補(bǔ)償疊加單元(4-2)之間還設(shè)置有光電隔離單元(9)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的嵌入式數(shù)控機(jī)床熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制器，其特征在于:所述熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制器還包括 相位判斷單元(8):用于接收所述差分轉(zhuǎn)單端信號(hào)單元(4-1)輸出的單端脈沖信號(hào)并將單端脈沖信號(hào)中兩路脈沖同低的1/4周期輸出低電平，其余3/4周期輸出高電平，所述FPGA芯片(3)在相位判斷單元⑶輸出為低電平時(shí)輸出補(bǔ)償信號(hào)、輸出為高電平時(shí)不輸出補(bǔ)償信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的嵌入式數(shù)控機(jī)床熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制器，其特征在于:所述辨向單元(7)與差分轉(zhuǎn)單端信號(hào)單元(4-1)之間還設(shè)置有光電隔離單元(9)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的嵌入式數(shù)控機(jī)床熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制器，其特征在于:所述辨向單元(7)采用HCTL-2020芯片實(shí)現(xiàn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式數(shù)控機(jī)床熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制器，其特征在于:所述光纖光柵溫度傳感器(1)安裝于數(shù)控機(jī)床的刀架懸臂、主軸和工作臺(tái)。
【文檔編號(hào)】G05B19/404GK104267667SQ201410449861
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月4日
【發(fā)明者】周祖德, 胡建民, 婁平, 劉泉 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)