CN102133720B - 一种用于数控机床滑枕热变形补偿的控制方法以及实施此方法的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于数控机床滑枕热变形补偿的控制方法以及实施此方法的装置。主要解决数控机床的滑枕随温度变化产生伸缩变形所导致的加工误差问题。其特征在于：采用一种固定在滑枕上具有低热膨胀系数的微位移检测装置，其中的位移基准测量杆的一端自由伸展与微位移传感器构成热位移测量要素，由此微位移检测装置测得的滑枕热变形伸缩信号经过嵌入式补偿器处理和转换后生成两路正交脉冲信号，该信号利用控制信号四分之一周期的方法生成，通过数控机床的手持单元接口输入给数控系统，系统自动调用微动差分解析功能进行实时补偿。本发明所述方法应用后，能够将数控机床的滑枕由于热变形而导致的加工误差大大降低，具有良好的经济效益和社会效益。

Description

一种用于数控机床滑枕热变形补偿的控制方法以及实施此方法的装置

技术领域

 本发明涉及一种用于机械加工领域中数控机床上的动态误差补偿控制方法，具体地说，是涉及一种用于数控机床上进行滑枕热变形补偿的控制方法以及为实施这一方法而专门设计的装置。

背景技术

机床在运行过程中，因为部件受到摩擦热、切削热和环境温度等因素的影响而使得温度发生变化，从而发生热变形，直接导致部件之间的相对位置发生改变，破坏了其相对运动的正确性，最终迫使机床的加工精度被降低。研究表明：在精密加工中热变形引起的加工误差占总加工误差的40~70%。尤其对于重型数控机床，因其体积、重量的庞大，热变形误差的影响尤为显著，目前各机床厂家虽通过诸如改进机床结构设计及液压润滑系统温控等方式给予解决，但效果依然有限。滑枕是重型数控落地铣镗床中的一个重要部件，其运动过程中由于镗铣轴的高速旋转产生的热量会传递给滑枕，使滑枕产生线膨胀，将影响到加工工件的平面度。目前针对滑枕温度变化导致伸缩变形的补偿还没有采取有效的解决措施，究其原因，主要是温度变化的不确定性。目前机床用户主要是通过增加冷却套的方法降低滑枕温度，或者是通过加工前用空行程预热的方式加以改善。但针对重型机床而言，由于冷却套装置对滑枕的伸缩量难以控制，不能彻底解决偏差问题，而预热到热稳态又需要很长的时间。因此，在当前高精度重型数控机床需求日益增大的前提下，研究滑枕热误差补偿技术，进行合理的滑枕热误差补偿已经势在必行。

发明内容

为了解决背景技术中所提出的现有技术问题，本发明提供了一种专门用于数控机床滑枕热变形补偿的控制方法以及为实施此方法而专门设计出的一些配套装置，该方法实施后，能够将数控机床由于滑枕的热变形而导致的加工误差大大降低，确保实现机床预定的控制精度。

本发明的技术方案是：该种用于数控机床滑枕热变形补偿的控制方法主要包括如下步骤：

首先，通过固定安装在滑枕上的微位移传感装置获得滑枕热伸缩变形量；

其次，通过设置一台嵌入式补偿器，将所获得的滑枕热伸缩变形量，按照数控机床预先设定的机床进给轴运动比率关系，转变为在数控机床的一个检测控制周期内所产生的补偿脉冲的个数，输出补偿脉冲信号，所述补偿脉冲信号为两路正交脉冲信号，所述补偿脉冲信号的周期范围在1ms～3ms内；

再次，通过设置一个接口单元，将所述补偿脉冲信号经光藕器件隔离、非门器件整形后送入差分驱动器转变为四路差分信号；

最后，将所述四路差分信号经数控机床的手持单元接口传至数控机床的控制系统，所述控制系统自动调用微动差分解析功能模块，以实现将所述滑枕热伸缩变形量作为零点偏移量，作用到选定的进给轴上实现滑枕的热变形补偿；

当然，前述步骤的实现有赖于操作人员需要预先在数控机床操作系统的操作界面上开启微动解析控制功能。

为实现上述控制方法而专门设计的微位移传感装置，其组成如下：所述微位移传感装置由刚性连接架、中部滑动支撑架、尾部滑动支撑架、热位移基准测量杆以及带有传感器伸出端的微位移传感器构成。其中，所述刚性连接架用于实现所述热位移基准测量杆的首部与数控机床滑枕之间的刚性连接，所述中部滑动支撑架和尾部滑动支撑架用于实现所述热位移基准测量杆的尾部与数控机床滑枕之间的滑动连接；所述刚性连接架、中部滑动支撑架、尾部滑动支撑架、热位移基准测量杆以及带有传感器伸出端的微位移传感器均位于数控机床滑枕上，且具有相同的中心轴线。所述热位移基准测量杆的一端固定在数控机床滑枕上，另一端沿滑动支撑架自由伸展，并且其端面与传感器伸出端相触。具体实施时，优化的微位移传感器可以选择为100DC-SE型微位移传感器，所述热位移基准测量杆需要为镍钢合金杆。

为实现上述控制方法而专门设计的嵌入式补偿器，其组成如下：所述嵌入式补偿器由模拟电压调整单元和信号实时采集处理单元构成。其中，所述模拟电压调整单元主要由双运算放大器构成的正反馈放大电路和由二极管构成的限幅电路组成，所述双运算放大器接收来自于微位移传感器输出的电压信号，经放大并限幅后向所述信号实时采集处理单元输出；所述信号实时采集处理单元即微处理器单元MCU，采用具有12位采样分辨率的TMS320F28335处理器，所述微处理器单元MCU的两个I/O口作为补偿脉冲信号的输出端口；所述微处理器单元MCU内置程序，以实现将所获得的滑枕热伸缩变形量按照数控机床预先设定的机床进给轴运动比率关系，转变为在数控机床的一个检测控制周期内所产生的补偿脉冲的个数，输出补偿脉冲信号。

为实现上述控制方法而专门设计的接口单元，其组成如下：所述接口单元由光藕器件、非门器件以及差分驱动器构成。其中，由所述光藕器件输出的隔离信号经过所述非门器件整形后送入差分驱动器，所述差分驱动器输出四路差分信号作为与数控机床手持单元接口的连接端。具体实施时，优化的光藕器件可以选择为TLP521芯片，所述非门器件可以选择为74F04芯片，所述差分驱动器可以选择为MC3487芯片。

本发明具有如下有益效果：按照此种方法对数控机床滑枕的热变形进行控制后，由于所述的热位移基准测量杆为安装固定在滑枕上的低热膨胀系数的形状规则杆件，微位移检测元件为固定安装在滑枕上的微位移传感器，位移基准测量杆一端固定在滑枕上，另一端自由伸展且其端面与微位移检测元件构成热位移测量要素。当滑枕受热引起端部轴向伸长量为Δ时，滑枕带动热位移基准测杆一起移动，热位移基准测杆的另一端在理想情况下也会在轴向移动Δ长度，此时微位移传感器感知到的滑枕与热位移基准测杆之间的相对位移量Δ，即为滑枕热伸缩量的大小。该热伸缩量被微位移传感器输入至嵌入式补偿器中，由此嵌入式补偿器将实时测得的微位移传感器的位移数据经过转换后形成补偿脉冲信号，通过数控机床自带的手轮接口，传递给数控系统作为零点偏移量，最终作用到选定的进给轴上实现补偿动作。本种方法实现了数控机床滑枕热变形的动态误差补偿，其巧妙地调用了数控机床原有的手持单元的微动解析功能，能够将数控机床由于滑枕的热变形而导致的加工误差大大降低，具有取得良好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本发明中所涉及的数控机床滑枕的外观示意图。

图2是本发明中所涉及的微位移传感装置的机构示意图。

图3是图2中A-A向的剖面图。

图4是图2中B-B向的剖面图。

图5是本发明中所述嵌入式补偿器和接口单元的电气原理图。

图6是嵌入式补偿器输出的补偿脉冲信号示意图。

图7补偿脉冲信号的处理过程示意图。

图中1-数控机床滑枕，2-嵌入式补偿器，3-微位移传感器，4-传感器伸出端，5-尾部滑动支撑架，6-中部滑动支撑架，7-热位移基准测量杆，8-刚性连接架，S1-模拟电压调整单元，S2-信号实时采集处理单元，S3-接口单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本发明中所述方法在实施时，需要调用数控机床控制系统中手持单元的微动解析功能来完成，例如西门子840D数控系统中的微动解析功能，即DRF功能。所述微动解析功能是在机床工作方式为“AUTO”模式下，依靠手轮脉冲的作用，使机床产生一个附加的增量零点偏移，从而实现实时控制机床运动的目的。本发明中所提出的方法即是将微位移传感装置实时获取的滑枕热伸缩变形量通过手轮接口，传递给数控系统作为零点偏移量，最终作用到选定的进给轴上实现补偿动作，本发明详述如下：

此种用于数控机床滑枕热变形补偿的控制方法，包括如下步骤：

首先，通过固定安装在滑枕上的微位移传感装置获得滑枕热伸缩变形量；

其次，通过设置一台嵌入式补偿器，将所获得的滑枕热伸缩变形量，按照数控机床预先设定的机床进给轴运动比率关系，转变为在数控机床的一个检测控制周期内所产生的补偿脉冲的个数，输出补偿脉冲信号，所述补偿脉冲信号为两路正交脉冲信号，所述补偿脉冲信号的周期范围在1ms～3ms内；

再次，通过设置一个接口单元，将所述补偿脉冲信号经光藕器件隔离、非门器件整形后送入差分驱动器转变为四路差分信号；

最后，所述四路差分信号经数控机床的手持单元接口传至数控机床的控制系统，所述控制系统自动调用微动差分解析功能模块，以实现将所述滑枕热伸缩变形量作为零点偏移量，作用到选定的进给轴上实现滑枕的热变形补偿；

当然，前述步骤的实现有赖于在数控机床操作系统的操作界面上开启微动解析控制功能。

下面详细给出为实施上述方法而必须应用的一些装置：

首先，是实施前述控制方法时应用的微位移传感装置，其组成如图2结合图3、图4所示。所述微位移传感装置由刚性连接架8、中部滑动支撑架6、尾部滑动支撑架5、热位移基准测量杆7以及带有传感器伸出端4的微位移传感器3构成。其中，所述刚性连接架8用于实现所述热位移基准测量杆7的首部与数控机床滑枕1之间的刚性连接，所述中部滑动支撑架5和尾部滑动支撑架5用于实现所述热位移基准测量杆7的尾部与数控机床滑枕1之间的滑动连接；所述刚性连接架8、中部滑动支撑架6、尾部滑动支撑架5、热位移基准测量杆7以及带有传感器伸出端4的微位移传感器3均位于数控机床滑枕1上，且具有相同的中心轴线；所述热位移基准测量杆7的一端固定在数控机床滑枕1上，另一端的端面与传感器伸出端4相触。本方案优选的微位移传感器为100DC-SE型微位移传感器，所述热位移基准测量杆则为镍钢合金杆。在这里优选镍钢合金杆的原因在于：镍钢合金杆的热膨胀系数极小，相对于滑枕材料--铸铁HT300的热膨胀系数而言，几乎可以忽略不计，因此才是优选的作为测量基准的材料。本单元具体使用时，将热位移基准测量杆7的一端利用刚性连接架8固定在滑枕上，另一端用中部滑动支撑架6、尾部滑动支撑架5支撑，将型号为100DC-SE的微位移传感器3亦刚性连接固定在滑枕上。当滑枕受热引起端部轴向伸长量为Δ时，滑枕带动热位移基准测量杆一起移动，热位移基准测量杆的另一端在理想情况下也会在轴向移动Δ长度，此时微位移传感器感知到的滑枕与热位移基准测量杆之间的相对位移量Δ，即为滑枕热伸长量的大小，此微位移传感器输出信号的电压范围为0～5V。

其次，是实施所述控制方法的嵌入式补偿器，亦即对微位移传感器输出信号进行处理转换的单元。其组成如图5所示，所述嵌入式补偿器由模拟电压调整单元S1和信号实时采集处理单元S2构成。其中，所述模拟电压调整单元S1主要由双运算放大器IC1构成的正反馈放大电路和由二极管构成的限幅电路组成，所述双运算放大器IC1接收来自于微位移传感器输出的电压信号，经放大并限幅后向所述信号实时采集处理单元S2输出；所述信号实时采集处理单元S2即微处理器单元MCU，采用具有12位采样分辨率的TMS320F28335处理器，所述微处理器单元MCU的两个I/O口作为补偿脉冲信号的输出端口；所述微处理器单元MCU内置程序，以实现将所获得的滑枕热伸缩变形量按照数控机床预先设定的机床进给轴运动比率关系，转变为在数控机床的一个检测控制周期内所产生的补偿脉冲的个数，输出补偿脉冲信号。

下面对所述微处理器单元MCU内置程序需要完成的控制工作进行详细分析：

具体操作时，嵌入式补偿器外挂在数控系统上，通过数控系统的手持单元接口与数控系统相连接，电源采用与数控系统同一电源。数控系统启动后，补偿器随之通电。首先在数控系统的操作界面上开启微动解析控制功能，步骤是：在“AUTO”模式下，进入程序控制界面，勾选微动解析控制选项后返回即可，该功能在数控系统不掉电的情况下将一直有效；然后在机床操作面板上通过进给轴倍率选择按钮设定脉冲当量，选择固定步长为1，即每个脉冲代表1μm的进给步长，选择滑枕所在的运动轴，启动进给使能。将图5中开关K1拨向热位移输入信号端，热位移输入信号在输入MCU前首先经模拟电压调整单元S1进行预处理，以适应MCU的0~3V电压输入范围要求。由于，模拟电压调整单元S1主要由双运放IC1构成正反馈放大电路和由二极管D1和D2组成的限幅电路组成，位移传感器输出信号电压范围为0-5V，经调整单元后变换为1.5-3V。信号实时采集处理单元S2获取调整后的电压值，根据线性对应关系转化为传感器输出电压，再根据传感器的线性输出特性将其换算为相应的位移值，此位移值即为滑枕的热伸缩量，将其取反后即为对应的补偿值，该补偿值的正负代表着补偿脉冲的超前、滞后关系，决定着滑枕轴的补偿方向。信号实时采集处理单元S2将补偿值依据机床操作面板上通过进给轴倍率选择按钮设定的脉冲当量转换为补偿脉冲数。例如，本补偿器设定脉冲当量为1，即数控系统每检测到补偿脉冲信号出现一个由上升沿到下降沿的跳变，数控系统立刻发出使补偿轴产生1μm进给的动作指令，在数控系统的检测控制周期内若出现N次跳变，即出现补偿信号的N个脉冲，则需发出补偿轴Nμm的动作指令。本补偿器主要根据滑枕的热变形量产生对应的补偿脉冲个数发至数控系统即可，补偿脉冲信号的周期控制在1-3ms范围内，最后所产生的补偿脉冲信号经MCU的两个IO口输出给补偿控制信号与数控系统的接口单元S3。由于此嵌入式补偿器应具有产生替代手持单元脉冲发生器的功能，因此输出的补偿脉冲信号应为正交脉冲信号，如图6所示，由于正交信号为判断运动方向用，因此计算跳变个数只需对一路计数。单元S2输出时，使用控制脉冲信号1/4周期间隔时间内高低电平的变化实现。由于两路补偿脉冲信号正交，即相位角必须相差90度，而90度的相角差表现为脉冲信号1/4周期处的高低电平变化。因此，单元S2利用MCU的两个IO口，IO1和IO2，在程序执行的一个周期内，同时经这两个IO口输出两路脉冲信号，将每一路脉冲周期分为四个部分，每个部分为1/4周期，依据补偿脉冲的超前、滞后关系控制这四个部分的高低电平变化，采用这种输出脉冲的方法，能够满足补偿脉冲所需要的正交性，能够被数控系统识别并接收。

此外，由于数控机床的控制系统接收的是差分信号，所以作为补偿脉冲的A、B两路信号需要经过差分处理，才能被数控系统所接受，补偿脉冲信号的处理过程如图7所示。为实施本发明所述控制方法还需要一个特制的接口单元以实现这种差分处理，如图5所示，所述接口单元S3由光藕器件IC2、非门器件IC3以及差分驱动器IC4构成，其中，由所述光藕器件IC2输出的隔离信号经过所述非门器件IC3整形后送入差分驱动器IC4，所述差分驱动器IC4输出四路差分信号作为与数控机床手持单元接口的连接端。

具体实施时，所述光藕器件IC2可以选用TLP521芯片，所述非门器件IC3可以选用74F04芯片，所述差分驱动器IC4可以选用MC3487芯片。这样配置后，差分驱动器IC4不但能够保证补偿脉冲信号与数控系统可接受信号的特性匹配，此外还能够使得补偿器输出的A、B两路正交信号在传至数控系统之前，能够更好地抑制信号传输过程中的共模干扰。

本发明所述方法首先巧妙的利用了一个众所周知的常识，那就是，材料的种类和性质不同，其热膨胀系数有很大差别。对于滑枕热变形的测量而言，可以使用一种比滑枕材料的热膨胀系数小很多的材料作为测量的基准。本发明采用的是镍钢合金杆作为标准测量杆，其热膨胀系数极小，相对于滑枕材料--铸铁HT300的热膨胀系数几乎可以忽略不计。其次，本发明所述方法利用了数控机床自身的一项功能，即微动解析功能，将这两点进行结合后提出了一套对数控机床系统热变形误差进行实时检测与补偿的控制方法，主要用于检测并补偿数控机床滑枕受热变形而导致的加工误差，以达到提高机床加工精度的目的。本发明所述方法经过大量的试验结果证明，该套实时检测与补偿控制方法能够将数控机床的滑枕由于热变形而导致的加工误差降低为原来的百分之十以内，能够取得良好的经济效益与社会效益。

Claims (1)

1.一种用于数控机床滑枕热变形补偿的控制方法，该方法包括如下步骤：

通过固定安装在滑枕上的微位移传感装置获得滑枕热伸缩变形量；

通过设置一台嵌入式补偿器，将所获得的滑枕热伸缩变形量，按照数控机床预先设定的机床进给轴运动比率关系，转变为在数控机床的一个检测控制周期内所产生的补偿脉冲的个数，输出补偿脉冲信号，所述补偿脉冲信号为两路正交脉冲信号，所述补偿脉冲信号的周期范围在1ms～3ms内；

通过设置一个接口单元，将所述补偿脉冲信号经光藕器件隔离、非门器件整形后送入差分驱动器转变为四路差分信号；

所述四路差分信号经数控机床的手持单元接口传至数控机床的控制系统，所述控制系统自动调用微动差分解析功能模块，以实现将所述滑枕热伸缩变形量作为零点偏移量，作用到选定的进给轴上实现滑枕的热变形补偿；

前述步骤的实现有赖于在数控机床操作系统的操作界面上开启微动解析控制功能；

实施所述控制方法的微位移传感装置，由刚性连接架（8）、中部滑动支撑架（6）、尾部滑动支撑架（5）、热位移基准测量杆（7）以及带有传感器伸出端（4）的微位移传感器（3）构成；其中，所述刚性连接架（8）用于实现所述热位移基准测量杆（7）的首部与数控机床滑枕（1）之间的刚性连接，所述中部滑动支撑架（6）和尾部滑动支撑架（5）用于实现所述热位移基准测量杆（7）的尾部与数控机床滑枕（1）之间的滑动连接；所述刚性连接架（8）、中部滑动支撑架（6）、尾部滑动支撑架（5）、热位移基准测量杆（7）以及带有传感器伸出端（4）的微位移传感器（3）均位于数控机床滑枕（1）上，且具有相同的中心轴线；所述热位移基准测量杆（7）的一端固定在数控机床滑枕（1）上，另一端的端面与传感器伸出端（4）相触；所述微位移传感器（3）为100DC-SE型微位移传感器，所述热位移基准测量杆（7）为镍钢合金杆；

实施所述控制方法的嵌入式补偿器，由模拟电压调整单元（S1）和信号实时采集处理单元（S2）构成；其中，所述模拟电压调整单元（S1）主要由双运算放大器（IC1）构成的正反馈放大电路和由二极管构成的限幅电路组成，所述双运算放大器（IC1）接收来自于微位移传感器输出的电压信号，经放大并限幅后向所述信号实时采集处理单元（S2）输出；所述信号实时采集处理单元（S2）即微处理器单元MCU，采用具有12位采样分辨率的TMS320F28335处理器，所述微处理器单元MCU的两个I/O口作为补偿脉冲信号的输出端口；所述微处理器单元MCU内置程序，以实现将所获得的滑枕热伸缩变形量按照数控机床预先设定的机床进给轴运动比率关系，转变为在数控机床的一个检测控制周期内所产生的补偿脉冲的个数，输出补偿脉冲信号；

实施所述控制方法的接口单元（S3）由光藕器件（IC2）、非门器件（IC3）以及差分驱动器（IC4）构成，其中，由所述光藕器件（IC2）输出的隔离信号经过所述非门器件（IC3）整形后送入差分驱动器（IC4），所述差分驱动器（IC4）输出四路差分信号作为与数控机床手持单元接口的连接端；所述光藕器件（IC2）为TLP521芯片，所述非门器件（IC3）为74F04芯片，所述差分驱动器（IC4）为MC3487芯片。

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