CN102081377A

CN102081377A - 一种基于数控工作台的热误差补偿装置

Info

Publication number: CN102081377A
Application number: CN 201010559131
Authority: CN
Inventors: 黄大贵; 吴献钢; 葛森; 余文正
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2010-11-25
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2011-06-01

Abstract

本发明涉及一种基于数控工作台的热误差补偿装置。包括分布于数控工作台上的串行温度传感单元，与串行温度传感单元连接的温度采集控制单元和与温度采集控制单元连接的误差计算补偿单元，其特征在于，所述温度传感单元包括至少两个温度传感器，所述温度传感器通过串行方式连接成至少一组后与温度采集控制单元连接，并且以数字量的形式分时向温度采集控制单元分别传递各自的温度信息。本发明的有益效果是：具有结构简单、连接方便、占用接口少等优点。

Description

一种基于数控工作台的热误差补偿装置

技术领域

本发明属于热误差补偿技术领域，尤其涉及数控工作台的热误差补偿技术领域。

背景技术

随着精密及超精密加工技术的发展及加工制造的自动化程度不断提高，人们对数控工作台的加工精度提出了更高的要求。大量研究表明，热误差已成为数控加工装置的最大误差源，因此对热误差的控制成了高精度数控加工装置提高加工精度的关键技术。现在，我们利用许多方式来减小数控加工装置的热误差，大体可分为两种方法：误差防止法和误差补偿法。误差防止法依赖改进数控加工装置结构设计等改良硬件的方法或者直接实现对温度的控制来减少热误差，这种方法在一定程度上能够降低热源温升、均衡温升和减少数控加工装置热变形是有效的，但它会增加结构设计和制造的成本。误差补偿法就是通过分析建模获得数控加工装置的误差估算，然后利用不同的方法适当的补偿，消除或者降低系统的误差，是一种既有效又经济的提高数控加工装置加工精度的手段。所以，当前普遍采用了方便、经济而有效的建立热误差模型进行热误差补偿的方法。误差补偿法是提高数控加工装置加工精度的一种既有效又经济的手段，目前已成为国内外现代精密工程的重要技术支柱之一。

现在运用在生产实际中热误差补偿系统的串行温度传感单元中的温度传感器多数为模拟量传感器，且都通过并行的形式与温度采集控制单元相连接。这种连接方式存在如下不足：(1)首先，由于现有的热误差补偿技术其温度传感器采用并行的方式进行排列，每个温度传感器必须通过单独的连线与温度采集控制器连接，因此多个温度传感器与温度采集控制单元相连接后的布线复杂。(2)其次，由于现有的热误差补偿技术其温度传感器采用模拟量进行传输，从而导致热误差补偿装置的抗干扰能力下降，误差补偿模型的鲁棒性和通用性不够好；(3)再次，由于现有的热误差补偿装置采用串口与数控系统连接，且通过数控系统中的PLC模块间接修改系统的参数，由于串口本身的数据传输速度较慢，加上热误差补偿装置的温度检测和辨识时间消耗，使补偿产生滞后现象，不能理想的完成补偿。

发明内容

本发明的目的在于为了简化现有的热误差补偿装置中串行温度传感单元的布线复杂度，提出了一种基于数控工作台的热误差补偿装置。

为了实现上述目的，本发明的技术方案提供了一种基于数控工作台的热误差补偿装置，包括分布于数控工作台上的串行温度传感单元，与串行温度传感单元连接的温度采集控制单元和与温度采集控制单元连接的误差计算补偿单元，其特征在于，所述温度传感单元包括至少两个温度传感器，所述温度传感器通过串行方式连接成至少一组后与温度采集控制单元连接，并且以数字量的形式分时向温度采集控制单元分别传递各自的温度信息。

上述温度传感器连接后的多组结构通过转接头进行连接。

本发明的有益效果是：(1)本发明是采用串行方式连接多个串行温度传感单元，可以通过一组线缆将多个串行温度传感单元的温度信息的数字量直接传输到温度采集控制单元，因此简化布线的复杂度，并且很容易增加测温点，当数控工作台测温点个数变化时，只需要重新设定温度采集控制单元中的温度采集点的个数就可以完成不同情况的温度检测，因此本发明具有结构简单、连接方便、占用接口少等优点。(2)本发明的串行温度传感单元采用数字量进行传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量。(3)本发明是基于单轴数控工作台开发的热误差补偿装置，而机床可以看作规格不同的工作台的组合，所以该系统可以适用于各种高精度的运动机构，因此，本发明的使用通用性好。(4)本发明的误差计算补偿单元与数控系统的通信采用以太网方式通信，与现有技术中通过单片机或PLC完成数据处理的方式相比，本发明的通信能力更强，并且误差计算补偿单元可以通过以太网通讯的方式来直接访问并且修改数控系统的相关参数，这样操作更加可靠、快捷。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图。

图2是本发明具体实施例中数控工作台测温点的分布示意图。

图3是本发明实施例1的串行温度传感单元与温度采集控制单元连接结构示意图。

图4是本发明实施例2的串行温度传感单元与温度采集控制单元连接结构示意图。

附图标记说明：串行温度传感单元1、接地引脚11、电源电压引脚12、数据线引脚13、温度传感器14、温度采集控制单元2、数据封装模块21、第一串行通信接口22、第二串行通信接口23、误差计算补偿单元3、串行通信接口31、以太网接口32、热误差补偿计算模块33、误差补偿执行模块34、数控工作台4、滑块41、滑块42、滑块43、滑块44、丝杠轴承45、丝杠轴承46、丝杠螺母47、工作台面48、导轨49、工作台支撑架410、位移传感器411、数控系统5、以太网接口51、第一测控点61、第二测控点62、第三测控点63、第四测控点64、第五测控点65、第六测控点66、第七测控点67、转接头7。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1：如图1所示，一种基于数控工作台的热误差补偿装置，包括分布于数控工作台4上的串行温度传感单元1，与串行温度传感单元1连接的温度采集控制单元2和与温度采集控制单元2连接的误差计算补偿单元3，温度传感单元1包括七个温度传感器14，温度传感器14通过串行方式连接成一组后与温度采集控制单元2连接，并且以数字量的形式分时向温度采集控制单元2分别传递各自的温度信息。

如图2所示为本发明所具体应用的一种场景，图中数控工作台4包括滑块41、42、43、44，丝杠轴承45、46，丝杠螺母47，工作台面48(图中虚线所示)，导轨49和工作台支撑架410。可以把滑块41、42、43、44，丝杠轴承45、46和丝杠螺母47这些构件分别作为测控点61-67(由于这些测控点与构件41-47的位置相同，因此图中未标出)，并在构件上安装温度传感器14，先将接地线、电源导线和数据线分别与温度传感器14对应的接地引脚11、电源引脚12和数据线引脚13连接，并对连接点进行绝缘处理，然后将温度传感器14粘接在各个测控点表面。这些测控点是支撑数控工作台4的关键点。当数控工作台运转时，在两丝杠轴承45、46和丝杠螺母47的联合作用下，丝杠(图中未画出)温度上升，从而使丝杠发生弯曲；再由于滑块41、42、43、44的温升可能不同而导致各个滑块形变不同，使得工作台面48可能发生偏斜；同时由于丝杠螺母47与丝杠在啮合时摩擦产生热量使温度上升，发生膨胀从而增大摩擦；综合可知数控工作台4热误差有三个坐标方向上的平动误差和三个转动误差。

本实施例中，测温点61、62、…、67处的温度传感器14通过串行接口的方式连接在一组数据总线上。通过一组数据总线与温度采集控制单元2进行数据信息通讯，温度采集控制单元2通过特定的协议访问某个或者某些温度传感器14，从而实现对温度信号的采集。温度传感器14具有三个引脚，分别为接地引脚11、电源引脚12和数据线引脚13，每个引脚分别对应连接到线缆的接地线、电源线和数据线上。每个温度传感器14内部分为四个部分：序列号、片内RAM、数据转换和温度传感部分。由于每个温度传感器14都有一个独一的序列号，因此可以在一组数据总线上连接多个温度传感器14，从而实现多个温度点的实时采集与信号传输。片内的RAM用于温度数据的暂时存储，即用于内部计算和数据存取，数据将在掉电或者上电复位时丢失。数据转换用于在温度传感器14得到转换信号后将得到数字量的温度信号。

本实施例中，温度传感器14以总线方式通过温度采集控制单元2的第一串行通信接口22与温度采集控制单元2连接，温度采集控制单元2采用AT91SAM7的控制器，误差计算补偿单元3通过以太网通讯的方式读取数控系统5中当前数控工作台4的位置，工作台4的位置由位移传感器411得到。

下面以实施例1来说明本发明的工作过程：在数据采集过程中，由温度采集控制单元2控制实现对各个测控点上的温度传感器14实时监控，然后将温度传感器14获得的温度信号运用总线通过第一串行通信接口22输入温度采集控制单元2。在补偿过程中，由温度采集控制单元2中数据封装模块21封装好数据，以RS232串行方式通过第二串行通信接口23和串行通信接口31输送到误差计算补偿单元3的热误差补偿计算模块33中，热误差补偿计算模块33通过温度数据和数控工作台4位置信号计算得补偿量；同时误差计算补偿单元3以以太网的方式通过以太网接口32和以太网接口51读取数控系统5中数控工作台4当前的位置值，然后在误差计算补偿单元3中完成数控工作台4的位置误差补偿计算；再将补偿后的数值通过以太网通讯的方式写入数控系统5，最终实现了对数控工作台4热误差的实时补偿。

上述温度传感器14的数量可以根据需要任意布置，一般为了达到使用效果，至少要布置两个，通常将温度传感器14布置在摩擦面处或热变形关键点处。

实施例2：如图4所示，本实施例与实施例1的不同之处在于温度传感器14连接成两组后再通过转接头进行连接。本实施例中，第一测控点61、第二测控点62、第三测控点63通过数据总线连接成一组，然后将第四测控点64、第五测控点65、第六测控点66通过另一数据总线连接另外一组，再通过转接头7把两组数据总线连接起来，最后再连接到控制器上。这样就可以通过一个温度采集控制单元2实现对多个数控工作台4的实时控制。上述转接头7具有一个输入接头，其中包含用于连接接地线、电源线和数据线的三个线端；具有一个或多个输出接头，每个输出接头包含用于连接接地线、电源线和数据线连接的三个线端。

因此可以通过转接头的多个输出头实现对多个数控工作台4的同时温度采集，这样可以简化布线的复杂度，并且很容易增加测温点或者数控工作台4的个数，当数控工作台4个数变化时，只需要通过转接头来连接多组数据总线，然后重新设定温度采集控制单元2中的采集程序就可以完成不同情况的温度检测，这样就使得结构简单、连接方便、占用接口少。同时分组的数量可以根据需要任意设定。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种基于数控工作台的热误差补偿装置，包括分布于数控工作台上的串行温度传感单元，与串行温度传感单元连接的温度采集控制单元和与温度采集控制单元连接的误差计算补偿单元，其特征在于，所述温度传感单元包括至少两个温度传感器，所述温度传感器通过串行方式连接成至少一组后与温度采集控制单元连接，并且以数字量的形式分时向温度采集控制单元分别传递各自的温度信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于数控工作台的热误差补偿装置，其特征在于，温度传感器连接后的多组结构通过转接头进行连接。