CN104267667A - 嵌入式数控机床热误差实时补偿控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌入式数控机床热误差实时补偿控制器，包括光纤光栅温度传感器、嵌入式处理器、FPGA芯片、热补偿执行模块和系统电源。本发明采用热误差半闭环前馈补偿方式和反馈脉冲叠加补偿策略，在数控机床上安装光纤光栅温度传感器，利用嵌入到嵌入式处理器中的BP神经网络数学模型对数控机床由于温度变化造成的误差值进行预测；在数控机床的位置反馈环中插入热误差补偿执行模块，通过在反馈脉冲中叠加补偿脉冲实现热误差的实时补偿。本发明采用FPGA芯片实现补偿脉冲的产生与补偿实施，补偿脉冲频率能够满足数控机床高速加工状态的需求，提高了系统的实时性。

Description

嵌入式数控机床热误差实时补偿控制器

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。

更进一步地，所述热误差实时补偿控制器还包括辨向单元：用于接收所述差分转单端信号单元输出的单端脉冲信号并将获取的进给轴运动方向信息传输至嵌入式处理器，所述嵌入式处理器根据所述进给轴运动方向信息确定补偿信号的正交相位关系。数控机床进给轴的运动有正负性，控制器在进行热误差补偿时，需要根据当前进给轴所处运动方向来确定补偿脉冲信号的相位关系，因此设计实现了进给轴运动辨向电路。辨向单元采用HCTL-2020芯片实现。

更进一步地，所述热误差实时补偿控制器还包括相位判断单元：用于接收所述差分转单端信号单元输出的单端脉冲信号并将单端脉冲信号中两路脉冲同低的1/4周期输出低电平，其余3/4周期输出高电平，所述FPGA芯片在相位判断单元输出为低电平时输出补偿信号、输出为高电平时不输出补偿信号。由于，控制器需要将与进给轴原始反馈脉冲具有相同特性的补偿脉冲叠加到反馈回路，所以很容易对原始信号造成破坏，影响数控机床原有的稳定性。相位判断单元使控制器在原始正交反馈脉冲的同低的1/4周期内完成补偿脉冲的叠加，保证数控机床的稳定性。

更进一步地，所述FPGA芯片与补偿叠加单元之间、所述辨向单元与差分转单端信号单元之间均设置有光电隔离单元。为了避免引入数控机床的杂波信号，提高自身稳定性，采用光电耦合器对两侧信号进行光电隔离。

更进一步地，所述光纤光栅温度传感器安装于数控机床的刀架悬臂、主轴和工作台，对加工过程中数控机床这些部位的温度变化情况进行实时监测。

本发明采用热误差半闭环前馈补偿方式和反馈脉冲叠加补偿策略，在数控机床上安装光纤光栅温度传感器，对加工过程中数控机床温度变化进行实时监测，利用嵌入到嵌入式处理器中的经过BP神经网络数学模型对数控机床由于温度变化造成的误差值进行预测；在数控机床的位置反馈环中插入热误差补偿执行模块，通过在反馈脉冲中叠加补偿脉冲实现热误差的实时补偿。

本发明与现有技术相比具有如下突出特点：

1.采用嵌入式处理器作为系统的中央控制单元，将温度数据处理，热误差预测以及系统的自动控制功能全部集中在STM32芯片中，使得系统更加独立，不需要依赖计算机或服务器。

2.利用光纤光栅对数控机床的主要构件进行温度数据测量，使得测量数据更加稳定，不受电磁干扰。

3.通过对测温点的优化，以及经过BP神经网络模型对数控机床的热误差值进行预测，具有预测速递快，鲁棒性强的优势。

4.采用FPGA芯片实现补偿脉冲的产生与补偿实施，补偿脉冲频率能够满足数控机床高速加工状态的需求，提高了系统的实时性。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2本发明的FPGA顶层设计图。

图3为本发明的系统信号流图。

图4为本发明的软件流程图。

其中：光栅温度传感器1，嵌入式处理器2，FPGA芯片3，热补偿执行模块4，系统电源5，机床控制器6，辨向单元7，相位判断单元8，光电隔离单元9，以太网接口10，伺服系统11。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明一种嵌入式数控机床热误差实时补偿控制器，包括光纤光栅温度传感器1、嵌入式处理器2、FPGA芯片3、热补偿执行模块4、系统电源5、辨向单元7、相位判断单元8和光电隔离单元9。

光纤光栅温度传感器1安装于数控机床的刀架悬臂、主轴和工作台等部位，对加工过程中数控机床温度变化进行实时监测。光纤光栅温度传感器1通过光纤光栅解调仪实时获取的光栅波长变化，光纤光栅解调仪将光栅波长变化的数据传输至以太网接口10，以太网接口10接收光栅波长数据并传输至嵌入式处理器2。

嵌入式处理器2用于根据光栅波长数据标定量化为温度数据，根据温度数据计算热误差值并传输至FPGA芯片3。嵌入式处理器2采用基于ARM的Cortex-M3核处理器STM32实现，完成温度检测、热误差值预测的功能。嵌入式处理器2对从以太网接口10接收的光栅波长数据进行标定和处理，转变为温度数据，利用BP神经网络模型预测出温升造成的热误差值。嵌入式处理器2还根据从辨向单元7获取的进给轴运动方向信息确定补偿信号的正交相位关系。

FPGA芯片3用于将热误差值转换为补偿信号并传输至热补偿执行模块4。FPGA芯片3首先接收嵌入式处理器2传送的补偿脉冲个数、控制信号和进给轴运动方向，然后依据相位判断单元8送入的信号自行择机送出补偿脉冲。FPGA芯片3在相位判断单元8输出为低电平时输出补偿信号、输出为高电平时不输出补偿信号。

热补偿执行模块4位于数控机床的位置反馈环中，用于将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6以控制数控机床X、Y、Z三轴产生抵消热误差的附加运动，系统电源5用于提供电源。热补偿执行模块4包括差分转单端信号单元4-1、补偿叠加单元4-2和单端转差分信号单元4-3，差分转单端信号单元4-1用于将机床伺服系统11反馈的差分脉冲信号转换为单端脉冲信号，补偿叠加单元4-2用三态门和反相器芯片完成叠加电路的设计。补偿叠加单元4-2用于将从FPGA芯片3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4-3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6。

系统电源5包含大功率24V开关电源，该电源可以为热误差补偿控制器提供电源输入。在热误差补偿控制器设计高效率隔离DC-DC变换器，由24V电压逐级降压获得5V与3.3V电压，为系统电路提供能量供给。

辨向单元7接收差分转单端信号单元4-1输出的单端脉冲信号并将获取的进给轴运动方向信息传输至嵌入式处理器2，嵌入式处理器2根据进给轴运动方向信息确定补偿信号的正交相位关系。辨向单元7采用HCTL-2020芯片来实现，该芯片通过对输入的数控系统进给轴正交反馈脉冲信号进行计数和相位判断，获取进给轴的运动方向，在通过管脚输出相应高低电平，将进给轴运动方向传递给嵌入式处理器2。其电路图如图2所示。图中HCLK、HSEL、HOE和HRST为嵌入式处理器2发出的控制信号，CHA和CHB为两路正交脉冲信号输入，HDIR为芯片输出信号，该管脚为高时代表进给轴正转，为低时代表进给轴反转。

相位判断单元8接收差分转单端信号单元4-1输出的单端脉冲信号并将单端脉冲信号中两路脉冲同低的1/4周期输出低电平，其余3/4周期输出高电平，FPGA芯片3在相位判断单元8输出为低电平时输出补偿信号、输出为高电平时不输出补偿信号。

FPGA芯片3与补偿叠加单元4-2之间、辨向单元7与差分转单端信号单元4-1之间均设置有光电隔离单元9。这是由于控制器既需要接收数控机床内部信号进行处理，同时又需要将自身信号输入到数控机床中，然而数控机床内部具有多路电机驱动控制信号和动力线，其内部具有强电磁干扰杂波，如果控制器与数控机床直接进行电气连接，势必会降低控制器的稳定性。为了避免引入数控机床的杂波信号，提供自身稳定性，控制器采用光电耦合器对两侧信号进行光电隔离。

本发明设计预留串口及USB口，从而具备与上位机通信功能，可以将数控机床的工作状态传送至上位机监控软件；也可以接收上位机发送的配置信息，实现热误差补偿的远程管理功能。

数控机床热误差的补偿不能对机床造成二次误差，但是本发明采取的反馈叠加法是对数控机床的原始反馈信号进行叠加处理，该方法极易破坏数控机床的原始反馈信号，从而引入新的误差，所以热误差的补偿需要选择恰当的时机。实施补偿的时机应选取数控系统正交编码反馈脉冲A、B两相处于同低状态的时间段。为获得数控系统反馈脉冲的同低状态，本发明利用或门设计补偿时机判断电路。当A、B两相同为低时判断电路输出低电平，当A、B两相有任意一相为高时，判断电路输出高电平。由于数控机床X、Y、Z三个进给轴的运动具有正负方向性，在进行补偿操作时，热误差补偿控制器需要检测进给轴当前的进给方向，从而确定补偿脉冲的相位。本发明通过HCTL-2020芯片实现数控机床进给轴运动方向判断。

国内外现有的采用反馈脉冲叠加补偿法实现的数控机床热误差补偿控制器的研究中，补偿脉冲全部是采用嵌入式处理器单片机、ARM或DSP产生。该方法虽然简便易行，但是由于嵌入式处理器主频的限制，所产生的补偿脉冲最高频率也只有百千级。当数控系统低速运动时，补偿脉冲可以准确叠加到原始反馈信号中，一旦数控机床高速运动时反馈脉冲的1/4周期接近或小于补偿脉冲的3/4周期时，即补偿脉冲的周期超过了原始反馈脉冲的同低状态保持时间，补偿脉冲就会对原始反馈脉冲造成干扰，无法实时对数控机床进行热误差补偿。

本发明的工作流程如下：嵌入式处理器2通过辨向电路7获取数控机床伺服位置反馈装置的反馈信号，对光纤光栅解调仪发送的光栅波长数据进行标定和处理，转变为温度数据，利用热误差预测数学模型获得温升造成的热误差值，并与FPGA相配合将具有原始反馈脉冲特征的补偿脉冲信号添加到伺服系统11的反馈环中，从而使数控系统接收到的脉冲计数与实际的位置值不符，继续增加或减少进给值来实现误差补偿的目的。如果无需补偿，嵌入式处理器2则不对数据做处理，并直接将原始反馈脉冲送还数控系统。系统信号流图如图3所示，系统软件流程图如图4所示。

本发明主要用于对数控机床在加工过程中产生的热误差实施补偿，提高加工精度。数控机床内部的信号传输采用的是工业标准，数控机床热误差实时补偿控制器在与数控机床内部的数控系统进行信号交换时需要进行信号匹配变换。为了减少工业环境对数控机床信号质量的干扰，提高工作的可靠性，数控机床系统中的控制信号与反馈信号均采用差分形式。本发明的补偿脉冲的产生与执行采用FPGA实现，通过VHDL语言，在FPGA中设计实现功能逻辑硬件电路。FPGA的运行速度最高可以达到G级主频，故可以有效的提高热误差补偿的实时性。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种嵌入式数控机床热误差实时补偿控制器，其特征在于：所述热误差实时补偿控制器包括

光纤光栅温度传感器(1)：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(2)；

嵌入式处理器(2)：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(3)；

FPGA芯片(3)：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(4)；

热补偿执行模块(4)：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(6)以控制数控机床X、Y、Z三轴的运动方向；

系统电源(5)：用于给所述热误差实时补偿控制器提供电源。

2.根据权利要求1所述的嵌入式数控机床热误差实时补偿控制器，其特征在于：所述热补偿执行模块(4)包括

差分转单端信号单元(4-1)：用于将机床伺服系统(11)反馈的差分脉冲信号转换为单端脉冲信号；

补偿叠加单元(4-2)：用于将从FPGA芯片(3)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(4-3)：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(6)。

3.根据权利要求2所述的嵌入式数控机床热误差实时补偿控制器，其特征在于：所述热误差实时补偿控制器还包括

辨向单元(7)：用于接收所述差分转单端信号单元(4-1)输出的单端脉冲信号并将获取的进给轴运动方向信息传输至嵌入式处理器(2)，所述嵌入式处理器(2)根据所述进给轴运动方向信息确定补偿信号的正交相位关系。

4.根据权利要求2所述的嵌入式数控机床热误差实时补偿控制器，其特征在于：所述FPGA芯片(3)与补偿叠加单元(4-2)之间还设置有光电隔离单元(9)。

5.根据权利要求2所述的嵌入式数控机床热误差实时补偿控制器，其特征在于：所述热误差实时补偿控制器还包括

相位判断单元(8)：用于接收所述差分转单端信号单元(4-1)输出的单端脉冲信号并将单端脉冲信号中两路脉冲同低的1/4周期输出低电平，其余3/4周期输出高电平，所述FPGA芯片(3)在相位判断单元(8)输出为低电平时输出补偿信号、输出为高电平时不输出补偿信号。

6.根据权利要求3所述的嵌入式数控机床热误差实时补偿控制器，其特征在于：所述辨向单元(7)与差分转单端信号单元(4-1)之间还设置有光电隔离单元(9)。

7.根据权利要求3所述的嵌入式数控机床热误差实时补偿控制器，其特征在于：所述辨向单元(7)采用HCTL-2020芯片实现。

8.根据权利要求1所述的嵌入式数控机床热误差实时补偿控制器，其特征在于：所述光纤光栅温度传感器(1)安装于数控机床的刀架悬臂、主轴和工作台。