一种基于方波脉冲编码器反馈信号的误差补偿器及方法与流程

本发明涉及一种数控机床的误差补偿技术，具体涉及一种基于方波脉冲编码器反馈信号的误差补偿器及补偿方法。

背景技术：

近年来我国十分重视制造业的发展，已经提出要实施“中国制造2025”，力争在2025年左右成为制造强国，进一步推动产业结构迈向中高端，将工业智能化作为未来产业发展的重要方向。发展智能制造，提高工业化自动化水平，必须依靠先进的数控机床。而机床性能的提高，离不开先进数字化控制系统的开发。

数控机床的加工精度很大程度上决定了该套数控系统的优劣，提高机床精度有两种基本方法：误差防止法和误差补偿法。误差防止法试图通过设计和制造途径消除或减少可能的误差源，该方法虽能减少原始误差，但相对高精密加工具有局限性，且成本较高。误差补偿法指人为的造出一种新的误差去抵消或大大减弱当前成为问题的原始误差，通过分析、统计、归纳及掌握原始误差的特点和规律，建立误差数学模型，尽量使人为造出的误差和原始误差两者的数值相等、方向相反，从而减少加工误差，提高零件尺寸精度。对于精度较高的高端机床，其开发投入的费用与误差防止法相比较，价格要低得多,同时也没误差防止法存在的所谓“天花板效应”，可进一步提升加工精度。因此，误差补偿技术是提高机床精密度的最佳方案，具有显著的经济价值。

然而，经对现有技术的检索及市场调研发现，当前的国内数控误差补偿技术领域仍然存在以下问题：首先，绝大多数的补偿将几何误差和热误差分开补偿，由于机床误差的复杂性，如定位误差等实质上既是几何误差又是热误差，一般将这些误差作为几何误差进行补偿，但实际上，这些误差在不同的温度下是变化的，故对这种既是几何误差又是热误差的复合误差需要进行综合建模和动态补偿。其次，目前国内外现有的大多数控系统中，尤其是经济型数控系统，并不具备误差补偿功能。而高端数控系统，如发那科和西门子所开发的数控系统，提供了补偿功能开发，但前者需要外置补偿器和pc协助才能完成误差补偿，成本较高，且实施过程复杂，而后者需要依赖于该公司提供的收费开发包才能进行误差补偿，不具备通用性。

目前数控误差实时补偿技术及其补偿器在国外市场并不多见，未达到商业化程度；而国内则主要处于实验室研发阶段，尽管相关文献有所提补偿器的开发，但实施复杂，适用性低，难以推广到实际应用。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于方波脉冲编码器反馈信号的误差补偿器及补偿方法。

本发明提供了一种基于方波脉冲编码器反馈信号的误差补偿器，用于对数控机床的加工误差进行实时补偿，具有这样的特征，包括：fpga模块，用于接收方波脉冲编码器输出的反馈脉冲，包括用于通过反馈脉冲来得到数控机床位置信息的位置检测单元以及用于对反馈脉冲进行补偿的补偿信号发生单元；以及dsp模块，包括与位置检测单元通信连接的用于存放补偿误差表并根据数控机床位置信息在补偿误差表中寻找对应的误差补偿值的补偿误差表存放单元以及与补偿信号发生单元通信连接的用于将误差补偿值转化为所需补偿脉冲个数的补偿脉冲值转换单元，其中，位置检测单元中具有用于对反馈脉冲进行鉴相的倍频鉴相组件以及用于对反馈脉冲进行计数的脉冲计数组件，补偿信号发生单元包括用于检测反馈脉冲每个周期的频率和相位关系的反馈脉冲检测组件、用于根据所需补偿脉冲个数的正负来确定脉冲补偿模式的补偿模式选择组件、用于对反馈脉冲进行计数的反馈脉冲计数组件、用于对反馈脉冲进行补偿的插补脉冲发生组件、用于对完成补偿后的反馈脉冲进行计数的补偿脉冲计数组件以及用于实现补偿后的反馈脉冲与反馈脉冲的同频率输出的反馈脉冲同步组件。

在本发明提供的一种基于方波脉冲编码器反馈信号的误差补偿器中，还可以具有这样的特征：其中，补偿误差表以txt文本形式进行存放。

在本发明提供的一种基于方波脉冲编码器反馈信号的误差补偿器中，还可以具有这样的特征：其中，脉冲补偿模式为正向补偿或反向补偿，当所需补偿脉冲个数的数值大于0时，对反馈脉冲进行正向补偿，对反馈脉冲进行脉冲叠加，当所需补偿脉冲个数的数值小于0时，对反馈脉冲进行反向补偿，对反馈脉冲进行脉冲删减。

本发明还提供了一种采用基于方波脉冲编码器反馈信号的误差补偿器的误差补偿方法，具有这样的特征，包括以下步骤：

步骤1，计算数控机床的脉冲当量

步骤2，将安装在数控机床运动轴上的方波脉冲编码器接入误差补偿器，检测到方波脉冲编码器的反馈脉冲的数量为m，根据脉冲当量和反馈脉冲的数量来计算数控机床上的工件台的位移量l＝mp，根据位移量l在补偿误差表上寻找对应的所需误差补偿值xl；

步骤3，根据脉冲当量p和所需误差补偿值xl计算出所需补偿脉冲个数

步骤4，对反馈脉冲进行脉冲删减或叠加，同时保证时序的完整，向数控机床输入完成补偿后的反馈脉冲，从而完成误差补偿，

其中，步骤1中d为丝杆螺距,f为电机每转方波脉冲编码器的反馈脉冲数,α为电子齿轮比，β为减速比。

在本发明提供的一种采用基于方波脉冲编码器反馈信号的误差补偿器的误差补偿方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤4中，保证时序的完整包括以下子步骤：在第i个补偿周期内补偿信号发生单元产生了ai个脉冲，同时接收到方波脉冲编码器的bi个反馈脉冲，从而得到第i个补偿周期所补偿的脉冲数ki＝ai-bi，则总共已完成补偿的脉冲数当所需补偿脉冲个数与已完成补偿的脉冲数相等，即时，插补脉冲发生组件完成了所需补偿脉冲个数的脉冲补偿，此时通过反馈脉冲同步组件来使得补偿后的反馈脉冲与反馈脉冲进行同频率输出，从而保证了时序的完整。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的一种基于方波脉冲编码器反馈信号的误差补偿器及方法，因为能够进行包括几何误差、热误差等多项综合误差实时补偿，并且提供的误差补偿器操作便捷、通用性强能够适应大多数采用方波脉冲反馈的数控系统的误差补偿需要，所以，本发明的一种基于方波脉冲编码器反馈信号的误差补偿器及方法的操作简便、适用性强，能够简单有效的完成对于采用方波脉冲反馈的数控系统的误差补偿。

附图说明

图1是本发明的实施例中误差补偿器的系统模块示意图；

图2是本发明的实施例中方波脉冲编码器的反馈脉冲输入信号图；

图3是本发明的实施例中误差补偿器未进行补偿的反馈脉冲输出信号图；

图4是本发明的实施例中误差补偿器进行正向补偿的反馈脉冲输出信号图；

图5是本发明的实施例中误差补偿器进行反向补偿的反馈脉冲输出信号图；

图6是本发明的实施例中误差补偿器在数控机床中的接入方法示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。

实施例：

图1是本发明的实施例中误差补偿器的系统模块示意图。

如图1所示，一种基于方波脉冲编码器反馈信号的误差补偿器100，用于对数控机床的加工误差进行实时补偿，包括：fpga模块10以及dsp模块20。

fpga模块10，用于接收方波脉冲编码器输出的反馈脉冲，包括用于通过反馈脉冲来得到数控机床位置信息的位置检测单元11以及用于对反馈脉冲进行补偿的补偿信号发生单元12。

位置检测单元11中具有用于对反馈脉冲进行鉴相的倍频鉴相组件以及用于对反馈脉冲进行计数的脉冲计数组件。

补偿信号发生单元12包括用于检测反馈脉冲每个周期的频率和相位关系的反馈脉冲检测组件、用于根据所需补偿脉冲个数的正负来确定脉冲补偿模式的补偿模式选择组件、用于对反馈脉冲进行计数的反馈脉冲计数组件、用于对反馈脉冲进行补偿的插补脉冲发生组件、用于对完成补偿后的反馈脉冲进行计数的补偿脉冲计数组件以及用于实现补偿后的反馈脉冲与反馈脉冲的同频率输出的反馈脉冲同步组件。

脉冲补偿模式为正向补偿或反向补偿，当所需补偿脉冲个数的数值大于0时，对反馈脉冲进行正向补偿，对反馈脉冲进行脉冲叠加，当所需补偿脉冲个数的数值小于0时，对反馈脉冲进行反向补偿，对反馈脉冲进行脉冲删减。

图2是本发明的实施例中方波脉冲编码器的反馈脉冲输入信号图，图3是本发明的实施例中误差补偿器未进行补偿的反馈脉冲输出信号图，图4是本发明的实施例中误差补偿器进行正向补偿的反馈脉冲输出信号图，图5是本发明的实施例中误差补偿器进行反向补偿的反馈脉冲输出信号图。

如图2和图3所示，当误差补偿器未进行补偿，即所需补偿脉冲个数为0时，反馈脉冲的输入信号和输出信号保持一致。

如图2和图4所示，当所需补偿脉冲个数大于0时，反馈脉冲同一时间范围内多输出了等同于所需补偿脉冲个数的脉冲数。

如图2和图5所示，当所需补偿脉冲个数小于0时，反馈脉冲同一时间范围内删减了等同于所需补偿脉个冲数的脉冲数。

dsp模块20，包括与位置检测单元11通信连接的用于存放补偿误差表并根据数控机床位置信息在补偿误差表中寻找对应的误差补偿值的补偿误差表存放单元21以及与补偿信号发生单元通信连接的用于将误差补偿值转化为所需补偿脉冲个数的补偿脉冲值转换单元22。

补偿误差表以txt文本形式进行存放，如表1所示。

表1以x轴补偿为例的补偿误差表

图6是本发明的实施例中误差补偿器在数控机床中的接入方法示意图。

如图6所示，误差补偿器100置于方波脉冲编码器与数控机床之间(图中只示有x轴的接入)，从而对输入数控机床的反馈信号进行误差补偿，误差补偿方法包括以下步骤：

步骤1，计算数控机床的脉冲当量

步骤2，将安装在数控机床运动轴上的方波脉冲编码器接入误差补偿器100，检测到方波脉冲编码器的反馈脉冲的数量为m，根据脉冲当量和反馈脉冲的数量来计算数控机床上的工件台的位移量l＝mp，根据位移量l在补偿误差表上寻找对应的所需误差补偿值xl；

步骤3，根据脉冲当量p和所需误差补偿值xl计算出所需补偿脉冲个数

步骤4，对反馈脉冲进行脉冲删减或叠加，同时保证时序的完整，向数控机床输入完成补偿后的反馈脉冲，从而完成误差补偿，

其中，步骤1中d为丝杆螺距,f为电机每转方波脉冲编码器的反馈脉冲数,α为电子齿轮比，β为减速比。

上述步骤4中，保证时序的完整包括以下子步骤：在第i个补偿周期内补偿信号发生单元产生了ai个脉冲，同时接收到方波脉冲编码器的bi个反馈脉冲，从而得到第i个补偿周期所补偿的脉冲数ki＝ai-bi，则总共已完成补偿的脉冲数当所需补偿脉冲个数与已完成补偿的脉冲数相等，即时，插补脉冲发生组件完成了所需补偿脉冲个数的脉冲补偿，此时通过反馈脉冲同步组件来使得补偿后的反馈脉冲与反馈脉冲进行同频率输出，从而保证了时序的完整。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的一种基于方波脉冲编码器反馈信号的误差补偿器及方法，因为能够进行包括几何误差、热误差等多项综合误差实时补偿，并且提供的误差补偿器操作便捷、通用性强能够适应大多数采用方波脉冲反馈的数控系统的误差补偿需要，所以，本实施例的一种基于方波脉冲编码器反馈信号的误差补偿器及方法的操作简便、适用性强，能够简单有效的完成对于采用方波脉冲反馈的数控系统的误差补偿。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。