CN104181863A - 基于位置反馈信号的数控机床误差补偿系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于位置反馈信号的数控机床误差补偿系统，包括基于ARM的上位机模块、基于DSP的下位机模块、AD模块、DA模块，补偿参数设置模块、误差补偿模块、位置检测模块、补偿信号发生模块。补偿参数设置模块：通过人机用户界面的显示和交互，实现补偿器的参数设置，并与基于DSP的下位机模块实现通讯连接，将补偿参数下载到基于DSP的下位机模块中；位置检测模块：接收数控机床位置传感器的信号，实现机床位置的实时检测；误差补偿模块：根据上位机模块传下的补偿参数和机床位置信息，实时计算出机床各运动轴需要补偿的数值，通过补偿信号发生模块将补偿后的传感器信号发送到机床数控系统位置控制器，从而实现数控机床误差补偿。

Description

基于位置反馈信号的数控机床误差补偿系统

技术领域

本发明涉及一种的数控机床误差补偿系统，具体是一种基于位置反馈信号的数控机床误差的补偿系统。

背景技术

由于各种误差的存在，数控机床在加工零件时总会存在误差，这种误差使加工件的精度降低，因此这种误差应尽力避免或减小。为了降低各种机床误差的影响，可以采用“误差补偿法”，即在不提高机床本体零部件制造和装配精度的前提下，对数控加工中所存在误差或对加工工件造成的误差进行测量或预测，根据机床的结构和运动规律，通过软件或硬件使数控机床制造出一种误差来消除由于外部误差造成的影响。该方法成本低、效果明显。

目前，多数控系统特别是经济型的数控系统并不提供误差补偿功能，虽然已有高档的数控系统提供了通用的误差补偿功能，但补偿项目较少，功能单一，不能满足要求。在很多情况下，机床生产者或用户需要根据加工工件的特点开发专用的补偿模块，但一般数控系统并不支持开发功能，即使有数控系统支持二次开发功能，开发的模块只能应用于该种系统，通用性差，适用面窄。

因此，开发一种通用性强，适应面广且实施方便的误差补偿系统，是当前机床加工业提出的必然要求。

发明内容

本发明提出一种基于位置反馈信号的数控机床误差补偿系统，适合于采用正余弦信号或正交TTL电平的编码器或光栅尺为位置反馈元件的数控机床,该补偿器只需要接入到数控机床位置反馈电路,所有补偿功能均在补偿系统软件中设置完成，与机床所采用的数控系统无关，该补偿器具有通用性强，适应面广，与数控系统集成容易的特点。

为实现上述目的,本发明的技术方案是：一种基于位置反馈信号的数控机床误差补偿系统，包括基于ARM的上位机模块、基于DSP的下位机模块、AD模块、DA模块，上位机HMI管理模块、下位机实时补偿模块，上位机HMI管理模块运行于基于ARM的上位机模块，下位机实时补偿模块运行于基于DSP的下位机模块，其中信号的输入和输出分别利用多路的AD模块和DA模块，其特征在于：上位机HMI管理模块和下位机实时补偿模块还包括补偿参数设置模块、误差补偿模块、位置检测模块、补偿信号发生模块，其中：

补偿参数设置模块：通过人机用户界面的显示和交互，实现补偿器的参数设置，并与基于DSP的下位机模块实现通讯连接，将补偿参数下载到基于DSP的下位机模块中；

位置检测模块：接收数控机床位置传感器的信号，实现机床位置的实时检测；

误差补偿模块：根据基于ARM的上位机模块传下的补偿参数和机床位置信息，实时计算出机床各运动轴需要补偿的数值，通过补偿信号发生模块将补偿后的传感器信号发送到机床数控系统位置控制器，从而实现数控机床误差补偿。

误差补偿模块由单轴补偿模块、轴间补偿模块、用户模型补偿模块组成。

位置检测模块分别具有正余弦波信号、TTL数字电平正交电平信号接收通道，实现正余弦信号的精确计数、鉴相和细分，并通过正余弦波信号或TTL数字电平正交电平信号通道实现机床位置的精确检测，并为误差补偿模块提供误差补偿的位置参考。

补偿信号发生模块接收单轴补偿模块、轴间补偿模块、用户模型补偿模块的数学模型运算结果的命令数据，将这些数据转化成补偿信号添加到位置反馈信号，并将该位置反馈信号输入到数控机床位置控制器。

本发明的有益效果是：

该误差补偿系统通过补偿参数设置模块实现人机用户界面的显示和交互，实现补偿器的参数设置，并与下位机实现通讯，将补偿参数下载到下位机中。位置检测模块接入数控机床位置传感器的信号，实现机床位置的实时检测。单轴补偿模块、轴间补偿模块和用户模型补偿模块根据上位机传下的补偿参数和机床位置信息实时计算出各运动轴需要补偿的数值，最后通过补偿发生模块将补偿后的传感器信号发送到机床数控系统位置控制器。从而实现数控机床误差补偿的功能。

该补偿系统适合于采用正余弦信号或正交TTL电平的编码器或光栅尺为位置反馈元件的数控机床,该补偿器只需要接入到数控机床位置反馈电路,所有补偿功能均在补偿系统软件中设置完成，与机床所采用的数控系统无关，该补偿器具有通用性强，适应面广，与数控系统集成容易的特点。

附图说明

图1是本发明的补偿系统硬件模块原理图；

图2是本发明的补偿系统软件模块原理图；

图3是本发明的补偿系统的输入、输出信号图；

其中：（a）是位置传感器信号，（b）是补偿器输出无补偿信号，（c）是补偿器输出有补偿信号1，（d）补偿器输出有补偿信号2

图4是本发明的补偿系统在数控机床（以x轴为例）的接入方法示意图。

具体的实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1，2所示，一种基于位置反馈信号的数控机床误差补偿系统，硬件模块包括ARM模块（上位机）、DSP模块（下位机）、AD模块和DA模块。采用基于ARM（上位机）+DSP（下位机）双核心工业控制主板+AD模块+DA模块的结构。软件模块由上位机HMI管理模块和下位机实时补偿模块组成，具体包括：补偿参数设置模块、单轴补偿模块、轴间补偿模块、用户模型补偿模块、位置检测模块，补偿信号发生模块， 

补偿参数设置模块通过补偿参数设置模块实现人机用户界面的显示和交互，实现补偿器的参数设置。这些参数包括，单轴补偿参数，轴间补偿参数，用户模块型补偿参数，其中前两项的补偿参数数据的存放以TXT文本文件形式，如表1、表2所示。用户模型补偿模块则以高级语言动态链接库的形式提供。上位机HMI管理模块通过与下位机实现通讯，将补偿参数下载到下位机中。位置检测模块接入数控机床位置传感器的信号，实现机床位置的实时检测，并为三个误差补偿模块提供各运动轴的位置信息。单轴补偿模块、轴间补偿模块和用户模型补偿模块根据上位机传下的补偿参数和机床位置信息实时计算出各运动轴需要补偿的数值，最后通过补偿发生模块将补偿后的传感器信号发送到机床数控系统位置控制器。从而实现数控机床误差补偿的功能。

表1、以x轴补偿为例的数据补偿表示例

序号	X轴位置(mm)	X轴补偿值(um)
			1	-100	10
2	0	8
			3	150	15
4	189	9
			5	230	4
6	400	-1

表2、以Z轴位置相关的x轴补偿为例的轴间关系补偿表示例

序号	Z轴位置(mm)	X轴补偿值(um)
			1	-120	8
2	0	10
			3	140	15
4	170	12
			5	200	9
6	300	-1

其中上位机HMI管理模块运行于ARM硬件平台，下位机实时补偿模块运行于DSP硬件平台。信号的输入和输出分别利用多路的AD模块和DA模块。

本发明的基于位置反馈信号的数控机床误差补偿系统的补偿原理：

以X轴为例，当数控机床没有误差补偿系统时，根据伺服驱动器闭环（或半闭环）控制原理， 当CNC发出指令Xc，而X轴反馈位置为Xr，则机床位置控制器在误差Xc-Xr的驱动下使X轴产生移动，X轴在移动的同时带动光栅尺移动(或编码器旋转)，产生相应的位置信号反馈到控制器，使Xc-Xr逐渐变小，当反馈位置与指令位置相等，即为Xc时，位置控制器处于平衡，X轴不再移动。但由于误差的存在，X轴实际位置Xc’，产生误差Xe=Xc-Xc’。

为实现对Xe补偿，X轴位置反馈信号首先接入到误差补偿系统，误差补偿系统并不将完整的反馈信号发送到CNC，而是在X轴位置反馈信号的基础上多发（或少发，视误差Xe的正负性质而定）相当于移动Xe位置信号，当X轴处于平衡时，X轴不再位于Xc’，而是处于实际位置Xc= Xc’+Xe点，从而实现误差补偿的功能。

本发明的位置信号实现补偿功能的原理：

本发明适用采用正余弦波信号或TTL正交数字量信号的位置传感器。

对于采用正弦波信号的机床，其输出信号有三种，A相、B相、R相（或Z相），A相和B相均为幅值为1V的正弦波，相位差为90度，通过相位角的超前情况判断进给轴的运动方向。该误差补偿系统只针对A相和B相进行相同处理，并不改变相位差。因此，该补偿系统的原理说明只以系统对A相信号的处理方法为例。

设机床运动距离为L时，位置传感器A相信号输出m个正弦波，则一个正弦波对应的机床位移为L/m，因为一个正弦波对应的信号相位角为2π，即单位的相位角对应的机床位移为L/(2*π*m)。

当所需要补偿值为0，即数控机床不需要补偿时，误差补偿系统直接将输入信号输出，不作任何改变，机床无补偿功能，如图3（a)，图3（b)分别是补偿系统的输入和输出信号。

当需要补偿值为dx时，这时补偿器将除了将输入信号输出，还要多输出（或少输出）额外正弦波，额外正弦波数量为

n=dx/(L/m)

如图3（c)和（d)分别是分输出和多输出补偿信号的情况。

在实际的应用中，为使机床平稳运行，不允许位置反馈信号发生突变，补偿信号的加入是一个渐近平滑的过程，在机床的补偿区段内，补偿系统的补偿信号被均布到每一个正弦信号。

本补偿系统适用于采用正余弦波信号、TTL数字电平正交电平信号作为位置传感器反馈信号的数控机床，位置检测模块分别具有正余弦波信号、TTL数字电平正交电平信号接收通道，其中正余弦波信号通道的处理由软件来完成，位置检测模块具有正余弦信号的精确计数、鉴相和细分功能，位置检测模块的接收TTL电平信号通道部分由FPGA硬件完成，具有精确计数和4倍频细分功能。位置检测模块通过任一种信号通道实现机床位置的精确检测，并为误差补偿模块提供误差补偿的位置参考。

本补偿系统的补偿信号发生模块由软件完成，运行与DSP硬件平台。该模块的命令数据来源于单轴补偿模块、轴间补偿模块、用户模型补偿模块的数学模型运算结果。该模块将这些数据转化成补偿信号添加到位置反馈信号，产生的新的反馈信号输入到数控机床位置控制器。

本发明补偿系统在数控机床的接入示意图如图4所示，误差补偿器接入到位置控制单元的位置检测信号通路。接收来自光栅尺（全闭环）或编码器（半闭环）的位置信号。

Claims (4)

1.一种基于位置反馈信号的数控机床误差补偿系统，包括基于ARM的上位机模块、基于DSP的下位机模块、AD模块、DA模块，上位机HMI管理模块、下位机实时补偿模块，上位机HMI管理模块运行于ARM的上位机模块，下位机实时补偿模块运行于基于DSP的下位机模块，其中信号的输入和输出分别通过多路的AD模块和DA模块实现，其特征在于：所述上位机HMI管理模块和下位机实时补偿模块还包括补偿参数设置模块、误差补偿模块、位置检测模块、补偿信号发生模块，其中：

所述补偿参数设置模块：通过人机用户界面的显示和交互，实现补偿器的参数设置，并与基于DSP的下位机模块实现通讯连接，将补偿参数下载到基于DSP的下位机模块中；

所述位置检测模块：接收数控机床位置传感器的信号，实现机床位置的实时检测；

所述误差补偿模块：根据ARM的上位机模块传下的补偿参数和机床位置信息，实时计算出机床各运动轴需要补偿的数值，通过补偿信号发生模块将补偿后的传感器信号发送到机床数控系统位置控制器，从而实现数控机床误差补偿。

2.根据权利要求1所述的基于位置反馈信号的数控机床误差补偿系统，其特征在于：所述误差补偿模块由单轴补偿模块、轴间补偿模块、用户模型补偿模块组成。

3.根据权利要求1所述的基于位置反馈信号的数控机床误差补偿系统，其特征在于：所述位置检测模块分别具有正余弦波信号、TTL数字电平正交电平信号接收通道，实现正余弦信号的精确计数、鉴相和细分，并通过正余弦波信号或TTL数字电平正交电平信号通道实现机床位置的精确检测，并为误差补偿模块提供误差补偿的位置参考。

4.根据权利要求1或2所述的基于位置反馈信号的数控机床误差补偿系统，其特征在于：所述补偿信号发生模块接收单轴补偿模块、轴间补偿模块、用户模型补偿模块的数学模型运算结果的命令数据，将这些数据转化成补偿信号添加到位置反馈信号，并将该位置反馈信号输入到数控机床位置控制器。