一种数控机床用热误差补偿控制装置的制作方法

本发明涉及数控机床技术领域，尤其涉及一种数控机床用热误差补偿控制装置。

背景技术：

机床热误差是由于机床内外热源的作用而使机床组成部件发生热变形而导致的，越精密、高速、大型的机床，热误差占总误差的比例越大。热误差不仅使产品的尺寸精度下降，而且因尺寸调整对产品的生产率产生极大的影响。国内外研究表明，热误差是数控机床最大的误差源之一，占总误差的40％-70％。由此可见，有效控制热误差、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的意义。

目前，减小数控加工装置的热误差的方式主要有两种：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，但是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。目前，热误差补偿的方法已成为国内外现代精密工程的重要研究领域。然而，现有误差补偿技术存在如下问题：

(1)由于热误差补偿技术的温度传感器与位置传感器采用并行的方式进行排列，因而，每个温度传感器及位置传感器均必须通过单独的连线与采集控制器连接，导致多个温度传感器、多个位置传感器与采集控制单元相连接后的布线复杂。

(2)由于热误差补偿技术的温度传感器采用热电阻或热电偶，输出为弱的电信号，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)由于热误差补偿技术采用单一的DSP或ARM芯片完成误差补偿计算与采集控制，芯片功耗大、响应较慢，误差补偿的实时性不好。

(4)由于热误差补偿时补偿器获取编码器的反馈脉冲信号，与补偿器计算的空间误差脉冲信号相加减，然后用特殊的电子装置将该补偿信号作为相位信号插入伺服环中。当该插入比较复杂时，容易出现补偿信号与机床本身的反馈信号之间相互干涉，从而影响数控机床工作的稳定性。

技术实现要素：

本发明提供了一种数控机床用热误差补偿控制装置，使得热误差补偿控制装置布线灵活，能有效避免加工过程中产生震动、噪音和电磁干扰，保证热补偿装置控制器运行的安全性与稳定性。

为实现上述设计，本发明采用以下技术方案：

一种数控机床用热误差补偿控制装置，包括嵌入式主控单元、热误差补偿计算单元、数据采集处理单元、温度检测单元、位置检测单元和光电隔离单元；

所述数据采集处理单元通过无线传输模块采集所述温度检测单元实时测得的数控机床温度敏感处的温度信息和所述位置检测单元实时测得的数控机床关键位置的位置信息；

所述嵌入式主控单元通过GPIO接口获取所述数据采集处理单元采集的温度信息和位置信息，并设置所述数据采集处理单元的数据采集方式；

所述热误差补偿计算单元通过HPI接口从所述嵌入式主控单元接收所述温度信息和位置信息，根据所述温度信息和位置信息以及预先建立的数学模型计算模型参数，并将所述模型参数返回到所述嵌入式主控单元；

所述嵌入式主控单元根据所述模型参数及所述温度信息计算补偿热误差，将所述补偿热误差通过所述光电隔离单元输入数控装置以完成机床的热误差补偿。

其中，所述预先建立的数学模型为多元线性回归或神经网络模型。

其中，所述温度敏感处包括数控机床主轴前端轴承座、丝杠轴承座、螺母座、主轴箱和床身；所述关键位置包括数控机床主轴的X向、Y向和Z向。

其中，所述数据采集方式包括采集通道和采集频率。

其中，所述数据采集处理单元采用FPGA芯片，设有无线传输模块。

其中，所述嵌入式主控单元采用ARM芯片，设有RJ45通信接口。

其中，所述热误差补偿计算单元采用DSP芯片。

其中，所述温度检测单元采用光纤光栅温度传感器，设有无线传输模块。

其中，所述位置检测单元采用电涡流传感器，设有无线传输模块。

本发明的有益效果为：本发明的数控机床用热误差补偿控制装置，包括嵌入式主控单元、热误差补偿计算单元、数据采集处理单元、温度检测单元、位置检测单元和光电隔离单元；所述数据采集处理单元通过无线传输模块采集所述温度检测单元实时测得的数控机床温度敏感处的温度信息和所述位置检测单元实时测得的数控机床关键位置的位置信息；所述嵌入式主控单元通过GPIO接口获取所述数据采集处理单元采集的温度信息和位置信息，并设置所述数据采集处理单元的数据采集方式；所述热误差补偿计算单元通过HPI接口从所述嵌入式主控单元接收所述温度信息和位置信息，根据所述温度信息和位置信息以及预先建立的数学模型计算模型参数，并将所述模型参数返回到所述嵌入式主控单元；所述嵌入式主控单元根据所述模型参数及所述温度信息计算补偿热误差，将所述补偿热误差通过所述光电隔离单元输入数控装置以完成机床的热误差补偿。数控机床用热误差补偿控制装置中，温度检测单元和位置检测单元均采用无线传输方式与数据采集处理单元相连接，使得多个温度探测单元和多个位置探测单元与数据采集处理单元之间布线简单、连接方便且占用接口少；补偿热误差通过光电隔离单元后再输入数控装置以完成机床的热误差补偿，避免由于嵌入式主控单元体积较小而机床机械尺寸庞大时，使得加工过程中产生震动、噪音和电磁干扰，从而有效保证热补偿装置控制器运行的安全性与稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本发明具体实施方式中提供的一种数控机床用热误差补偿控制装置的结构方框图。

图2是本发明具体实施方式中提供的一种数控机床用热误差补偿控制装置的嵌入式主控单元的结构方框图。

图3是本发明具体实施方式中提供的一种数控机床用热误差补偿控制装置的数据采集处理单元的结构方框图。

图4是本发明具体实施方式中提供的一种数控机床用热误差补偿控制装置的热误差补偿计算单元的结构方框图。

图5是本发明具体实施方式中提供的一种数控机床用热误差补偿控制装置的温度检测单元的结构方框图。

图6是本发明具体实施方式中提供的一种数控机床用热误差补偿控制装置的位置检测单元的结构方框图。

图7是本发明具体实施方式中提供的一种数控机床用热误差补偿控制装置的误差补偿原理的结构方框图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的数控机床用热误差补偿控制装置，包括嵌入式主控单元、热误差补偿计算单元、数据采集处理单元、温度检测单元、位置检测单元和光电隔离单元。温度检测单元由多个设置在数控机床本体上温度敏感处的温度传感器组成，收集这些温度传感器实时测得的温度信息；位置检测单元由多个设置在数控机床本体上关键位置的位移传感器组成，收集这些位移传感器实时测得的位置信息；温度检测单元、位置检测单元均设置有无线传输模块，均与数据采集处理单元之间通过无线网络连接，并将温度信息、位置信息通过无线传输模块传输给数据采集处理单元。嵌入式主控单元作为上位机通过GPIO 接口从数据采集处理单元接收数据，并设置数据采集处理单元的数据采集方式。热误差补偿计算单元通过HPI接口从嵌入式主控单元接收温度信息和位置信息，根据该温度信息和位置信息以及预先建立的数学模型计算模型参数，并将算得的模型参数返回到嵌入式主控单元。嵌入式主控单元根据该模型参数及温度信息计算补偿热误差，并将补偿热误差通过光电隔离单元输入数控装置，然后通过控制机床坐标系平移来实现数控机床的热误差补偿。

其中，将所述补偿热误差通过所述光电隔离单元输入数控装置以完成机床的热误差补偿，具体为：将所述补偿热误差通过所述光电隔离单元后由数控装置的GPIO口进入所述数控装置，根据所述补偿热误差通过PLC编程平移所述数控装置的参考原点，并将所述补偿热误差加入伺服环的控制信号中以实现对所述数控装置的误差量的补偿。

可选地，温度敏感处包括数控机床主轴前端轴承座、丝杠轴承座、螺母座、主轴箱和床身。关键位置包括数控机床主轴的X向、Y向和Z向。

可选地，预先建立的数学模型可以为多元线性回归或神经网络模型。

可选地，数据采集方式包括采集通道和采集频率。

可选地，嵌入式主控单元采用ARM芯片，设有RJ45通信接口。

如图2所示，嵌入式主控单元采用ARM芯片，具有基于μCLinux的操作系统，是热误差补偿装置中的上位机。ARM芯片通过GPIO口与FPGA(数据采集处理单元)通信，从FPGA获取实时测得的温度信息和位置信息，并设置FPGA 的数据采集参数；ARM芯片通过GPIO口与数控机床的CNC通信，将最后计算获得的补偿热误差通过光电隔离单元和数控装置的GPIO口输入数控装置；ARM芯片通过HPI口与DSP(热误差补偿计算单元)的通信，将温度信息和位置信息传输给DSP，并从DSP获取模型参数；ARM芯片通过GPIO口连接触摸屏，实现人机交互能力，处理人机界面的返回信息任务；ARM芯片通过RJ45通信接口与外部PC机(Personal Computer，个人计算机)相连，以实现数据的远程访问； ARM芯片通过SRAM口获取误差补偿模型，将模型参数及温度信息带入该误差补偿模型，从而计算出补偿热误差；ARM芯片通过JTAG口与编程调试模块相连，对芯片内的误差补偿模型等程序进行调试；ARM芯片还可以实现对实时热误差的预测等功能。

嵌入式主控单元在计算补偿热误差时，无需采集位置数据，只需要根据预先建立的数学模型、DSP计算的模型参数及采集的温度数据计算补偿热误差。然后将算得的补偿热误差转换为补偿信号通过光电隔离单元及数控装置GPIO 口输入到数控装置中，控制机床坐标系平移以完成机床的热误差补偿。

如图3所示的数据采集处理单元，它采用FPGA芯片,设有无线传输模块, 该无线传输模块用于处理多路无线高速数据(温度信息和位置信息)的实时采集，将上述数据通过GPIO接口发送到嵌入式主控单元(ARM芯片)。同时，也能通过该接口从嵌入式主控单元(ARM芯片)获取FPGA芯片(数据采集处理单元)的数据采集方式的有关参数，如采集通道、采集频率等。

如图4所示的热误差补偿计算单元，它基于DSP芯片进行热误差补偿模型参数的计算，通过HPI接口从基于ARM的嵌入式主控单元获取采集的温度与热误差数据，根据预先建立的数学模型，如多元线性回归、神经网络模型，计算出模型参数。DSP芯片(热误差补偿计算单元)能根据ARM芯片传递的温度信息和位置信息，结合预先建立的数学模型快速获取模型参数，然后把计算的模型参数通过HPI接口回传给ARM芯片。

模型参数的计算量非常大，单独采用DSP芯片计算补偿热误差用到的模型参数，计算快速，减轻了嵌入式主控单元的计算量，提高了热误差补偿的实时性效果。而若将该计算功能整合到嵌入式主控单元上，则会由于模型参数的计算量太大，导致嵌入式主控单元的芯片(ARM芯片)功耗太大、响应太慢，最终影响补偿热误差的实时性，使得热误差补偿的效果差。

如图5所示的温度检测单元包括光纤光栅温度传感器、光纤光栅解调仪、设有RJ45接口的无线通信模块和电源模块。将光纤光栅温度传感器安装于数控机床，数控机床的热形变会使光栅光纤产生形变，通过光纤光栅解调仪检测内部光波长所产生细微变化间接获得数控机床温度信息。由于光纤光栅采用的是光学信号传输，因此不受工业环境电磁干扰的影响，具有很高的稳定性。光纤光栅解调仪采用以太网向外传输温度数据，采用无线通信模块将有线的以太网转换为无线通信，并将温度数据传输给数据采集处理单元，极大的简化了布线。传感器布置在数控机床温度敏感处，采集主轴前端轴承座、丝杠轴承座、螺母座、主轴箱、床身以及机床附近等处的温度信息。

如图6所示的位置检测单元包括电涡流传感器、输入调理电路、设有A/D 接口的PLC单片机、编程调试模块、无线通信模块和电源模块，电涡流传感器安装在各运动轴上，如数控机床X向、Y向及Z向处，检测运动轴的精确变化。电涡流传感器的模拟信号经输入调理电路滤波和放大后再经过设有A/D接口的 PLC单片机转换成数字信号。通过无线通信模块该数字信号传输给数据采集处理单元。

工作原理：请参考图7，嵌入式主控单元(ARM芯片)上位机通过GPIO端口，进行数据检测单元各端口的功能定义，以及温度和位置数据采集周期。数据采集处理单元通过无线传输模块以广播形式向温度检测单元、位置检测单元发送带有时间戳的数据采集命令；温度检测单元、位置检测单元受到数据采集命令后，分别读取温度传感器和位置传感器检测的数据，分别随机延时一段时间向数据采集处理单元发送温度传感器和位置传感器检测的数据及时间戳数据。在工件加工实时补偿时，热误差补偿计算单元通过HPI接口从嵌入式主控单元接收温度信息和位置信息，并根据该温度信息和位置信息以及预先建立的数学模型计算模型参数，并将算得的模型参数返回到嵌入式主控单元。嵌入式主控单元ARM将补偿热误差转换为误差补偿信号，通过光电隔离单元该误差补偿信号送至数控系统的GPIO接口，然后通过PLC程序设计将补偿热误差的值读入PLC的R地址并写入指定的误差数据存储单元(G地址)中，数控装置再根据G地址中的误差数据控制偏移外部机床坐标系，并将补偿热误差的值加到伺服系统的伺服环的控制信号中，从而实现了对数控机床的热误差补偿。

本发明采用光电隔离的方式实现热补偿装置与数控装置的数据交换，能避免由于嵌入式主控单元体积较小，而机床机械尺寸庞大，使得加工过程中易产生震动、噪音和电磁干扰的情形，从而有效保证热误差补偿控制装置运行的安全性与稳定性。

综上所述，本发明的数控机床用热误差补偿控制装置采用光电隔离的方式实现热补偿装置与数控装置的数据交换，能避免由于嵌入式主控单元体积较小，而机床机械尺寸庞大，使得加工过程中易产生震动、噪音和电磁干扰的情形，从而有效保证热误差补偿控制装置运行的安全性与稳定性。采用无线传输方式将多个温度探测单元和多个位置探测单元与数据采集处理单元连接，具有布线简单、连接方便、占用接口少等优点。采用光纤光栅温度传感器，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。采用FPGA、ARM和DSP三种芯片分别完成数据采集处理、嵌入式交互控制与误差补偿模型参数计算，具有响应速度快、控制功能强大、人机界面友好的优点。误差补偿通过PLC编程实现，无需特殊的电子装置将相位信号添加到伺服环中，不会因为补偿信号与机床本身的反馈信号发生干涉而影响工作的稳定性。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。