数控机床热误差测量与补偿.pptx

背景,2011/12/20,#,背景,随着科技的发展，数控机床的加工精度越爱越收到重视，但是影响数控机床加工精度的因素有很多，主要可以会结尾四大类：数控机床主要机械结构的几何误差；加工过程中的载荷误差；热变形误差；伺服系统误差。随着组成数控机床自身的主要机械零部件制造精度的越来越高，使得几何误差对机床精度的影响越来越小；而由于现代加工制造的特点，需要数控机床长时间处于高速切削和快速进给的状态下工作，这样就会造成机床床身和主要部件的快速升温，机床的各个部分产生不均匀的温度场，使得机床在热应力的影响下发生热变形，产生热变形误差。众多研究已经表明热误差已经成为影响数控机床加工精度提高的极其关键因素，对于一些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,哆扣,-70,左右，而对于一些超精密加工机床而言，高的甚至可达到,89,。因此如何有效的控制机床热误差就显得十分重要。,要提高机床加工精度，减少热变形误差，目前主要通过采用误差防止法和误差补偿法两种途径来实现。误差防止法是指试图通过设计和制造途径来消除或减少可能的热误差源，提高机床的制造精度，或者控制温度来满足加工精度要求，比如采用低耗能的伺服电机、主轴电机和变量泵等执行元件以减少热量的产生；简化传动系统的结构，减少传动齿轮、传动轴，采用低摩擦系数的导轨和轴承，减少摩擦发热；改善散热条件、增加隔热措施、对发热部件,(,如：电柜丝杆、油箱等,),进行强制冷却，吸收热量，避免温升；采用对称结构设计，使部件均匀受热；对切削部分采用高压、大流量冷却系统冷却等等。虽然误差防止法对机床的热变形控制有着十分积极的效果，但是其却存在着很大的局限性，随着机床本身精度的提高，会造成系统成本大幅上升，所带来的费用增加是非常大的，因此受到经济条件的制约，而且存在着现有加工能力的限制和无法克,Jl,艮,#b,界环境干扰引起的误差等问题。,误差补偿法是应用某种控制策略，利用监测装置，执行机构和计算机技术来减小加工误差，提高加工精度，可以在不提高机床自身加工精度的条件下，通过对加工过程的误差源分析、建模，实时地计算出空间位置误差，将该误差反馈到控制系统中，改变实际坐标驱动量来实现误差修正，从而使被加工的工件获得有可能比母机更高的精度，同时，还可以降低仪器和设备制造的成本，具有非常显著的经济效益，因而误差补偿技术以其强大的技术生命力迅速被各国学者、专家所认识，并使之在机械制造行业中得以迅速发展和推广。目前，热误差补偿技术已成为现代精密工程的重要技术支柱之一。许多精密机床、精密仪器及某些精密制造设备均采用了误差补偿技术。随着现代计算机技术、数控技术及测量系统的高速发展，热误差补偿技术有了更加广泛的应用前景。有效的检测机床的各项误差参数并建立热变形误差预报模型对机床误差进行实时补偿成为众多科研院所争相研究的重点。,一,研究现状,1.1,国内研究现状,在国内，浙江大学、北京机床研究所、天津大学、华中科技大学、清华大学、,哈尔滨大学、南京航空航天大学、南京理工大学、上海交通大学、台湾国立台湾大学和台中精机公司等对数控机床热误差补偿技术从不同方面进行了研究。,其中浙江大学对机床的热变形研究的较早和深入，获得了很多成果，特别是提出了热敏感点理论，为机床上温度测量点的选取和热误差建模提供了依据。,天津大学应用多体系统理论建立了热误差补偿模型，并在,MAKINO,加工中心上取得的较好的补偿效果。,上海交通大学提出数控机床热误差鲁棒建模的综合极值法和优化试验设计法两种方法，并在多台车削中心上取得了较好的补偿效果。其中窦小龙，杨建国等人采用黄金分割法对主轴最佳温度测点的位置进行优化，他们在主轴热动念特性分析方面的研究，涉及到热量与热变形的关系问题。另外，杨建国指导的博士生李永祥还提出了基于狄色系统理论和时序分析理论的智能预测模型用于机床热误差建模，对本文的启示很大。,1.2,国外研究现状,在国外，从事机床热误差补偿技术研究比较有影响的有美国的密西根大学、,美国国家标准和技术所、辛辛那提大学，日本的东京大学、日立精机、大阪工业机床，德国的阿亨大学、柏林工业大学等。,其中，美国密西根大学开发了基于,PC,机的加工误差是误差神经网络实时补偿系统，用以弥补工业,CNC,控制器的误差补偿能力，并在,1997,年成功地将热误差补偿技术实施于美国通用,(GM),公司下属一家离合器制造厂的,100,多台车削加工中,心上，使加工精度提高一倍以上。,美国国家标准和技术所,(NIST),是研究机床误差补偿技术的先驱者之一，,其成功地把几何和热误差的综合补偿技术应用于生产实际。,德国柏林工业大学借助有限元计算机床部件及整机的温度场及变形场，微机控制进行数控机床误差实施补偿。也有大型组织、单位进行了综合研究，如：欧共体在,1997,年开始进行了为期三年的，名为“测量、设计和补偿热变形”的国家合作研究项目。系统地对机床热变形的规律进行研究，并探索减少和消除热误差的方法。,近年来，美国密西根大学的倪军教授应用动态神经元网络技术，针对机床热误差的非线性和不稳定性进行了公式推导和建模，取得很好的精度和鲁棒性。,另外，其指导的学生,Youji Ma,的机床热误差补偿传感器位置优化一文,【20,，分析,了一维主轴，及二维三维的热传导问题。,二热误差的测量系统,2.1,温度与误差检测技术概述,温度和热误差检测技术是热误差补偿技术的基础，通过检测深入了解和分析机床热误差及其误差源，掌握热误差的的性质、产生规律和对加工精度的影响，准确地测量机床的温度和热误差是进行热误差建模和补偿的先决条件，很多研究人员已经在这个领域进行了深入广泛的研究工作，开发出很多有效的温度和热误差检测方法。温度的检测主要是通过接触式温度传感器粘贴在机床部件表面来测量机床部件温度，温度传感器主要选用热电偶、铂电阻和数字温度传感器等。热误差检测的方法主要有双圆盘法、单圆盘法、球杆法等，这些都属于机床精度的间接测量法。直接测量法是对各种零件进行加工试验，即通过测量加工零件的精度检验热误差。然而，这种情况下，很多因素都影响试验的结果，如材料属性、冷却液和刀具磨损等。,2.2,对检测系统的要求,温度和热误差检测系统为整个热误差补偿技术提供数据基础，系统的检测精度和自动化程度显得尤为重要。温度与热误差检测系统必须满足如下要求：,2.2.1,能能同时采集温度、热位移量，且采样通道多,在数控机床热误差补偿技术研究中，特别是传感器优化布点与热误差建模等问题研究中，必须同时采集多点的温度和热变形量进行相关性分析。因此，要求检测系统必须能够采集同一时刻的温度和热变形数据，热变形测量通道要求,3,个以上。,2.2.2,精度高，实时性强，检测速度快,在误差补偿技术研究中，机床温度是缓慢变化的，热变形量是微米级，要分辨出缓慢变化温度的差异和微小的热变形，这要求检测系统具有高的分辨率和检测精度。同时，为满足实时性要求，检测系统必须具有较快的响应速度和采集速度。,2.2.3,使用方便、灵活、功能丰富,由于检测系统的通道数较多，在实际检测时，要求能任意设定所要通道并能随意设定采样频率和保存间隔时间。对所采集的数据，能够以,excel,格式存储以便进行数据处理。还要求检测系统软件具有良好的界面，使用方便。,基于上述要求，本文采用高精度数据采集卡和高速、高精度数字位移传感器等构建温度与热误差检测硬件系统，并基于虚拟仪器,Labview(Laboratory virtual instrument Engineering Workbench),平台开发了温度与热误差检测软件系统。,2.3,温度与热误差检测系统原理,温度与热误差检测系统检测原理如下图所示传感器将温度和热误差信号变换为微电流信号，经信号调理、滤波处理后转换成数据采集卡所要求的电压信号，数据采集卡通过模数转换再将电压信号转换成计算机可接受的数字量信号，通过在,Labview,平台下开发的软件系统，实时显示和存储温度和热误差数据。,传,感,器,信,号,调理,滤波处理,A/D,Buffer,（,FIFO,）,驱动程序,Labview,程序,PC,机内存,Buffer,显示和保存,2.4,系统硬件组成和信号调理电路,2.4.1,系统硬件组成,系统硬件主要由温度检测元件，位移检测元件和数据采集卡组成。,温度检测元件的选择要更根据机床表面温升范围和温度检测的精度要求（,0.15,），本系统用铂电阻作为温度传感器，它的变换原理是利用电阻系数随温度的变化而变化的物理效应。,在,0,660,范围内，铂电阻的阻值与温度之间的关系可用下式表示为：,R1=R0,*（,1+At+Bt2),式中,t R,为温度为,t,时的电阻值，,0 R,是温度为,0,时的电阻值，,A,、,B,为常数，,A=3.94E-3/,，,B=-5.8E-7/()2 C,。目前工业上常用的铂电阻有三种，其中,0 R,值分别为,50,、,100,、,1000,，,相应的分度号为,PT50,、,PT100,、,PT1000,。,本系统铂电阻选用瑞典铱诺公司的热电阻,PT100,和温度变送器,APAQ-3HPT,。规格：,10mm*15mm,片状，可贴于机床表面；测温范围：,0,100,；变送输出：,4,20mA,；标准精度：,0.15%FS,（即,0.15,）；电源：,6.5,32VDC,。,热位移检测元件选用电涡流传感器测量机床的热误差。电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高精度、高分辨率地测量被测金属导体表面距探头的相对位移变化。,电涡流传感器的工作过程是：当被测物体与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的品质因数（,Q,值）也发生变化，,Q,值的变化引起前置器中振荡电压幅值的变化，该振荡电压经过检波、滤波、线性温漂补偿、放大归一处理转化为电压（电流）的变化。值得注意的是：电涡流传感器的工作系统中被测物体要看作传感器系统中的一个重要部分，即一个涡电流传感器的性能（主要是指灵敏度）与被测物体的材质有关。,本系统采用的涡电流传感器为基恩士,EX-305V,型涡电流位移传感器如图,2.4,所示。测量范围：,0,1.0mm,；变送输出：0,5V,；分辨率：,0.4um,；线性：,0.3%FS,；电源：,24VDC,。,PT100,温度传感器,EX-305V,型电涡流位移传感器,数据采集卡（,Data Acquisition,，,DAQ,）是指从传感器和其它待测设备等模拟或数字被测单元中自动采集非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析、处理。数据采集卡可以结合基于计算机或者其它专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。通常，必须在信号接入采集卡之前调理传感器信号，包括对其进行增益或衰减和隔离、放大、滤波等。,本测量系统数据采集卡选用多通道同步数据采集卡,PCI-2206,，附件：,DIN-68S,型通用接线端子板和,68,芯屏蔽电缆，如图,2.5,所示。该卡总线类型为,PCI,总线，可以直接插在计算机的,PCI,插槽中使用，特性为：,a.,可实现,16,位同步,A/D,转换，其转换精度已经远高于温度和位移传感器的分辨率要求；,b.,最多可以同时采集,32,路模拟量差分输入或,64,路模拟量单端输入；,c.,每个通道信号输入范围在,1.25V,10V,可调，可以实现同时采集不同种类的传感器输入信号。,PCI2206,数据采集卡及附件,2.42,信号调理电路,由于,DAQ,采集卡只能采集模拟电压信号，而温度传感器的变送输出信号为,4,20mA,，因此在电流信号两端并联一个,250,的高精电阻,L R,，将模拟电流信号转变为,1,5V,的模拟电压信号；,为了去除信号中的中高频干扰信号，提高信号的稳定性，在信号输入端加入一个,型,RC,无源低通滤波器；为了防止输出电压过大而损毁采集卡，在滤波器后端反向串联两个稳压管进行电压限幅。该电路实现了模拟电流信号向电压信号转换、滤波及限压的功能。该电路的滤波部分传递函数为：,信号调理电路,模拟电压与温度的关系,从图中得到温度与电压的关系为,:T=25U 25,式中，,T,为被测物的实际温度，,U,为输入到数据采集卡的电压值。由式（,2.5,）得到温度传感器的灵敏度为,40mV/,。因为数据采集卡的输入范围没有,1,5V,这一档，因此选择了较为接近的0,5V,，但需要在信号采集程序里将采集的温度值减去,25,，得到的值就是被测物的实际温度值。,2.5,系统软件开发,系统功能模块,温度和热位移数据采集软件在,LabVIEW 8.0,环境下开发。数据采集软件的功能模块以及软件程序流程如下图所示：,数据采集系统,通道设置模块,数据采集模块,数据存储模块,数据在线模块,运行开始,选择采样通道,通道参数设置,设定采样频率点数保存时间间隔,保存温度，位移量,结束,采集数据，数值显示温度和热变量,保存数据,是否退出采集,显示各通道波形,是否显示波形,通道设置模块,数据存储模块,数据采集模块,2.6,主轴热误差检测试验,将温度与热位移检测系统应用于,HG410,立式数控铣床的主轴热变形测量中，对热变形建,模所需的温度和热位移进行测量。温度测点布置在电主轴轴承附近、立柱和床身上；位移传感,器测主轴轴向热位移。下图,是温度与热位移检测实验的现场照片：,HG 410,温度测点升温曲线图,HG410,主轴轴向伸长量曲线图,采集试验表明，采集试验表明，所开发的机床温度与热误差检测系统具有快速、准确、简便测量的特点，可以进行高精度、多通道的实时、自动检测，为建立准确的热误差模型提供了前提条件，对其它数据采集场合也具有普遍的参考意义。,三、误差建模,实施补偿热误差前，通常先要进行大量的试验研究以获得足够多的温度及热 误差数据，然后利用各种建模方法建立能够准确反应温度变化与热误差间关系的热误差数学模型。在实行补偿时，将实时测得的温度变化输入到热误差模型，计算出相应的热误差，再传送到控制器，来调节机床的进给系统，以达到补偿目的。必须注意的是，建模时采用的温度数据，与实时补偿时进行测量的温度数据必须来自同一组，性能一样，布置位置也相同的一组温度传感器，否则，补偿效果将会产生很大偏差，导致补偿失败，这是由于不同的温度测点对热误差的作用有很大不同。因此为了得到性能很好的热误差模型，必须首先找到机床上热关键点。,然后通过安装在热关键点上的温度传感器来测量机床的温度变化，再与各点热误差进行结合导出该项热误差模型,3.1,多元线性回归模型,多元线性回归建模方法是利用统计方法来建立多输入、单输出关系的模型。对于本文热误差建模来说，可以得到一组表达多个温度变量输入、机床一个方向上位移输出的线性关系。数控机床在,X,、,Y,、,Z,三个方向上都存在着热位移，在每个方向上分别存在一个多输入，单输出模型。例如，,Y,方向的多元线性回归热误差模型的一般形式为,：,y=,0,+,1,X,1+,2,X,2,+.+,p,X,p,+,式中,p,p,是,p+1,个未知参数，称为回归系数；,是随机误差，对于随机误差,我们通常假定其期望值为零、方差为,2,。,假设在试验中获得,N,组观测数据为,:(X,i1,X,i2,X,ip ;,y,i,),i,=1,2,.,N,则线性回归模型可以表示为如下结构形式,:,表示成向量形式为：式中：,由经典最小二乘法通过由观测到的温度和热误差数据得到回归参数,的理论估计值。设,.,分别为参数,的最小二乘估计，由最小二乘,法可知 应使得全部观测值,Y,i,的残差平方和达到最小，即,.,达到最小。根据微分极值定理，要使,Q,达到极小值，满足,.,回归方程转换为下式,或记为 参数的最小二乘估计为：,四、热误差补偿,4.1,国内外误差补偿技术研究的历史与现状,在国外从事机床误差补偿技术比较有影响的有美国的密西根大学国家标准和技术所，辛辛那提大学日本的东京大学日立精机大板工机德国的阿亨大学柏林工业大学等其中美国密西根大学在,1997,年成功地将热误差,补偿技术实施于美国通用,GM,公司下一家离合器制造厂的,100,多台车削中心上使加工精度提高了一倍以上,3 4,美国密西根大学还和美国,SMS,公司在,1996,年共同研制与开发了集热误差几何误差和切削力误差为一体的误差补偿系统并成功应用于该公司生产的双主轴数控车床上,5,美国密西根大学这几年还为美国波音飞机公司的一些加工设备实施了误差补偿技术其中,一例是加工波音飞机机翼的巨大龙门加工中心（,X Y,和,Z,轴的移动距离分别为,45 10,和,4,英尺）几何和热误差的综合补偿将加工精度提高了,10,倍。,美国国家标准和技术所,NIST,是研究机床误差补偿的先驱者之一其成功地把几何和热误差的补偿技术应用于生产实际近几年来,NIST,致力于适应性误差修整补偿研究即通过在一定时间段检测工件然后反馈误差数据来精确调整补,偿模型,6,近年来日本学者提出了热刚度的概念确立了热变形研究理论向控制热变形的,CAD,和,CAM,方向发展并取得了一定效果日本大阪工机公司开发的主轴热误差补偿控制器利用模糊控制理论控制主轴的热误差它将变化的环境温度机床本身温度及回转时的转速等数据作为函数自动地输入控制程序中利用温度调节装置能精确地控制用于冷却主轴的润滑油供应量从而协调统一机床和环境的温度最大限度地抑制热误差一天的热误差控制在,0.02mm,以内日本东京大学根据智能制造新概念已开发了由热作用器主动补偿综合误差的新方法并在加工中心上予以实现,7,德国柏林工业大学借助有限元计算机床部件及整机的温度场及变形并利用温度调节系统进行机床热补偿和微机控制进行数控机床误差实时补偿。,在国内，浙江大学提出了机床热误差,Fuzzy,前馈补偿控制策略根据热误差变化规律的模糊非线性特性采用,Fuzzy,集理论设计前馈补偿控制器仿真研究表明该补偿控制策略可取得令人满意的结果近年来浙江大学又进行了人工智能在机床加工误差补偿中的应用研究北京机床研究所也是误差补偿研究搞得很好的单位该所为,XH714A,立式加工中心研究了智能补偿功能板并通过总线结构将补偿功能板直接插入,FANUC 6ME,数控系统扩充槽实现机床热误差运动误差,和承载变形误差的自动补偿。,这几年北京机床研所对数控机床的误差的综合动态补偿技术进行着深入的研究天津大学在数控机床误差补偿技术和应用的研究也具有一定的影响特别是数控机床的位置误差补偿模型的建立三坐标测量机动态误差建模和补偿等。,西安交通大学研制了机床热特性研究的智能集成系统。哈尔滨工业大学特色于精密测量中的误差补偿技术。南京理工大学和南京航空航天大学提出了一种模糊自学习误差补偿方法，根据伺服机构的位置误差和位置变化率，利用模糊规则和推理得出位置误差初始校正值，采用自学习、自校正技术生成位置误差校正表。该方法成功应用于开环数控系统的位置误差补偿。,1980,年上海交通大学通过对机床热特性测定分析和研究得出了机床温,度分布图并开始进行了一系列误差补偿研究工作。,4.2,误差实时补偿装置的研制,目前，数控机床的定位误差进行补偿的方法主要有根据测量得到的误差数据对数控程序进行修改，在开放式数控系统中则可以作为后置处理的参数进行处理，还有一种方法也是最常用的方法就是利用数控系统具有的误差补偿功能，将测量得到的误差数据以表格的形式输入数控系统对螺距误差和背隙误差等误差进行补偿，这些主要是针对几何误差一类比较稳定的误差。因此，这些补偿方法最大的缺点在于，由于机床在使用过程中，随着机床温度场的变化，机床的定位误差和主轴漂移会随着温度的变化而变化，如果温,度的变化而变化，如果温度变化造成误差过大，将会在很大程度上影响工件的加工精度。为了克服现有机床数控系统不能根据机床温度场进行误差实时补偿或者能够实时补偿但是还不是很完善如,SIEMENS 840D,只能补偿运动轴直线定位误差的温度变化，又或者设计的补偿装置实施比较复杂很难实际应用的缺点，本章提供了一种基于机床外部坐标系原点偏移，可以根据温度和位置参数对数控机床误差进行实时补偿的装置。外部机床坐标系偏移的方法不需要对,NC,指令作修改，也不影响各个加工座标系的功能，对加工影响最小，对原有数控系统工作也不产生影响。同时，补偿装置中建立的误差模型可以通过温度和位置信号的变化计算误差的补偿值，因此补偿具有很好的实时性，通过对误差模型的优化和修改也使得补偿更加灵活，简便和有效。该装置可以在实际应用中达到提高数控机床加工精度的目的。,4.3,数控机床误差补偿法,误差补偿技术,(Error Compensation Technique,，,ECT),发展至今有了,100,多年的历史。误差补偿最初是利用机械结构来实现，随着计算机和电子技术的发展有了质的提高。简单地说，误差补偿是人为造出一种新的误差去抵消影响加工精度的原始误差。通过统计分析，归纳出机床误差源的特点和规律，利用一定的手段量化误差，然后对误差值人为取反并加载到每个进给轴上，使其沿相反方向运动实现误差补偿。下图为建模、误差测量与参数评定、补偿执行的关系图。,测量工具被测机床,软件补偿,硬件补偿,假设,建模,误差补偿,参数识别,建模、误差测量与参数评定、补偿执行的关系图,在早期的误差补偿研究中，补偿是通过离线修改数控代码实现的。近年来，开发了两种不同的技术来实现误差补偿：原点平移法和反馈截断法。,1986,年美国加利福尼亚的,M,A,Donmez,研究了机床实时补偿技术。,1990,年，美国的,K,W,Yee,发明了几何误差和热误差补偿装置，并在,1994,年申请了美国专利,(US5375066),。自,1993,年，美国密歇根吴贤铭研究中心在实时补偿方面做了大量工作，所研究的补偿方法能够补偿几何误差、热误差和切削应力误差。基本原理是：补偿系统根据综合误差运动模型、误差分量模型以及反馈信息，实时预报机床刀具加工轨迹误差，并把补偿值送至机床控制系统，驱动进给移动副沿与补偿值符号相逆的方向移动补偿值的绝对量，实现补偿。目前，国际上实时补偿主要有两种方法：,(1)K,W,Yee,等发明的反馈拦截积分补偿法；,(2),吴贤铭研究中心的倪军等发明的原点平移补偿法。,反馈拦截积分补偿法通过将补偿积分信号插入伺服系统的反馈环实现补偿。补偿装置获取编码器的反馈信号，根据误差运动综合模型计算机床的空间误差，并将等量的补偿脉冲信号与编码器信号相加减，实现补偿。工作流程下图所示。,进给轴位置反馈装置,零件探测,控制器,热传感器,实时误差修正器,补偿用计算机,数控机床,反馈截断法补偿原理,反馈截断补偿技术是一种电子硬件补偿法，优点是无需改变,CNC,控制软件，可用于任何,CNC,机床。然而该技术需要特殊的电子装置将相位信号添加到伺服环中，添加时需特别小心，以免补偿信号与机床本身的反馈信号相干涉。原点移动补偿法综合了电子硬件与软件技术，能充分发挥机床控制器的,I,O,接口能力。补偿过程既不影响坐标值，也不影响执行的,NC,程序。对操作者而言，补偿是不可见的。但原点平移补偿需要改变,CNC,控制器中的,PLC,单元，以便在,CNC,端可以接收补偿值。尽管两种方法都能够比较成功的实现实时补偿，但额外需要一台补偿用电脑。由于实时误差补偿对补偿装置的反映速度、补偿量的准确性有非常高的要求，现在该技术还存在的问题有：,(1),误差模型要有较高的鲁棒性；,(2),快速获取机床误差信息，并完成模型辨识，尤其热误差模型和切削应力误差辨识；,(3),需要优化传感器的数目和位置，使得既能充分反映机床实际误差状态又不会浪费太多时间。,原点平移法补偿法是将补偿误差量通过,I,O,口送至,CNC,控制器，通过平移控制系统的参考原点实现补偿。工作流程如下图所示。补偿计算机实时监控机床，获取温度、应力、导轨位置信号，接着利用误差综合模型计算出刀具与工件之间的合成误差，最后误差补偿信号被送往,CNC,控制器实现误差补偿。需要注意，如何把补偿计算机与机床控制器连接起来是非常困难的。袁袁景侠介绍了三种结构：,(1),利用,CNC,控制器本身,补偿有限的几项误差成分；,(2),如果,CNC,控制器能够接受外加的,CPU,板，补偿系统可以内置在上面；,(3),如果,CNC,控制器是开放的结构，可以另置一台微处理器,.,4.4,误差补偿系统,4.4.1,补偿系统结构,热误差补偿系统的结构如下图所示。补偿系统主要由温度传感器、,DSP,以及补偿器与数控系统的一些通讯接口并结合一些辅助程序组成。基于,DSP,和模数转换器开发的数控机床热误差补偿系统，,DSP,控制模数转换器采集机床的温度信号，温度信号经模数转换器转换为数字信号后输入,DSP,，,DSP,根据之前导入的热误差数学模型，进行热误差的计算得出需要补偿的热误差值，再将这些热误差补偿值和与补偿相关的控制信号通过,DSP,以二进制的形式从并口输出，通过连接,I,/,O,接口，,PMC,将这些数值以开关量的形式输入到数控系统，机床的控制器根据所提供的控制信号和补偿数值自动进行热误差的实时补偿本系统可扩展，,DSP,与上位机通过串口连接，实现双向通信功能后，可以实现数据采集的功能，将采集数据传输给上位机，这样，系,统既可作为热误差补偿系统，义可作为数据采集系统。,4.4.2,补偿器的开发,考虑到需要体积小、成本低、稳定性高的数据运算与处理系统。在满足系统要求的前提下，尽可能减少系统资源的冗余，提高系统的集成度。,DSP,与单片机、传统的通用处理器相比具有很大的优越性。与目前普遍采用的单片机相比，,DSP,不仅具有更快的运行速度，而且具有丰富的通用输入输出口和外设功能。所以处理器选择,DSP,处理器。在设计,DSP,应用系统中，选择,DSP,芯片是非常重要的一个环节。考虑到以下几点：首先它的主频高，可以满足系统需要；其次它本身具有,ADC,模块和片内的大量,FLASH,方便系统实现、降低成本；有较多的,I,o,口可以灵活配置，多达,56,个可配置通用,I,，,o,引脚，可以实现与,PMC,数据并行传输的需要。该芯片既具有数字信号的处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适合用于需要大批量数据处理的测控领域。选用,TI,公司生产的低功耗、高性价比的,32,位定点,DSP,芯片,TMS320F2812,为主处理器。,TMS320F281,处理器的内部结构与资源图如下所示：,热误差补偿控制系统应用了,DSP,的时钟与系统控制模块、片上振荡器和看门狗定时器模块、外设中断扩展,(PIE),模块、,CPU,定时器模块、模数转换模块、多路通用输入输出模块、基于锁相环,PLL,的时钟模块。,TMS320F2812,芯片的模数转换模块,(ADC),是热误差补偿控制系统的核心，其功能框图如下图所示。它是一个,12,位分辨率的、具有流水线结构的模数转换器，具有,16,个通道，可以配置为,2,个独立的8,通道模块，也可以级联成一个,16,通道的模块。尽管在模数转换模块中有多个输入通道和两个排序器，但仅有一个转换器，单通道转换时间是,80,璐，故其最大采样速率可达到,12,5MHz,。,ADC,的模拟电路包含模拟多路复用器,(MUX),、采样保持,(S,H),电路、模数转换器,(ADC),及其他模拟支持电路；数字电路包含可编程排序器、结果寄存器、外围总线接口及其他接口。两个排序器,SEQ1,和,SEQ2,分别对应两个独立的,8,通道模块，当,ADC,级联成一个,16,通道的模块时，,SEQ1,和,SEQ2,也级联成一个,16,状态的排序器,SEQ,。对于每个排序器一旦转换结束，已选择采样通道值就会被保存到各个通道的结果寄存器中。,1MS320F2812,共有,16,个结果寄存器,Re,如,1t Re90,R,e,如,1t Rc915,，用于分别保存,16,个通道的转换结果。,ADC,模块主要包括以下特点：,12,位模数转换模块,ADC,。,两个采样保持器,(S,H),。,同步和顺序采样模式。,模拟输入电压范围,O,3V,。,快速转换时间，,ADC,时钟可以配置为,25,删,Z,，最高采样带宽,12,5MSPS,。,16,个输入通道。,ADC,模块的功能框图,16,个结果寄存器存放,ADC,转换结果，转换后数字量表示为：,数字值,=,3,多个触发源启动,ADC,转换,(SOC),一,S/W,：软件立即启动；,EVA,：事件管理器,A,：,EVB,：事件管理器,B,；,在双排序模式时，,EVA,和,EVB,可以独立的触发,SEQ1,和,SEQ2,。,4.4.3,补偿硬件设计,热误差补偿器的硬件电路主要由信号调理电路、电源电路、复位电路、时钟电路、,JTAG,电路和,DSP,与,PMC,接口电路组成。热误差补偿器硬件框图如下图所示。,热误差补偿硬件框图,信号调理电路,为了保证传感器信号长距离传输不受干扰，热误差补偿系统选用了电流型温度传感器，变送输出为,4,20mA,。为适用于模数转换器,0,3V,的模拟电压输入要求，在电流信号的两端并联一个,150Q,的高精电阻,(精度为,0,1,),，将电流信号转变为,O,6,3V,的模拟电压信号。为了减小输出电压的脉动程度，滤除信号中的高频干扰信号，在电路中加一个,CRC,无源低通滤波器，提高温度信号的稳定性。信号调理电路原理图如下图所示。,信号调理电路,2.,电源电路设计,F2812,是双电源供电芯片，采用,3,3V,外设供电和,1,8V,的,CPU,内核供电。为满足,F2812,的上电要求，本设计中电源芯片选用,TI,公司的带上点次序的双电源管理芯片,TPS70151,。,TPS70151,芯片输入电压,+5V,，提供双电源输出，分别为,3,3V,和,1,8V,。电源电路设计如下图所示。,为防止电路中的电磁干扰电源电路设计时还应注意数字地与模拟地、数字电源与模拟电源的隔离。本系统中用,200uH,的电感将数字地与模拟地和数字电源与模拟电源隔离。电路原理如下图所示。,隔离电路原理图,热误差补偿器电源电路,3.,复位电路设计,本系统采用上电复位和手动复位两种方式。手动复位通过电源芯片,TPS7015l,的,4,引脚,MRI,来实现，将,MRI,引脚置低可以使,F2812,复位；上电复位电路如图,4,13,所示，系统上电后，由于电容,C39,充电作用使引脚,述和,RESER,处于一段时间的低电平将电源芯片和,F2812,复位，随着电容两端电压的升高，复位结束。,上复位电路,4.,时钟电路设计,使用内部振荡器，在,X1,XCLKN,和,X2,两个引脚之间连接一个石英晶体外加两个电容，利用,DSP,芯片内部的振荡电路组成并联谐振电路，产生与外加晶体同频率的时钟信号。,PLC,倍频系数选择,时钟电路,5.JTAG,电路的设计,在系统成功应用之前，需要做大量的调试工作，以确保板卡和软件程序正常工作，为了方便软件调试，,JTAG,接口尤为重要，只有,J”,心接口设置好，才能通过仿真器被,CCS,识别，从而进行大量的仿真测试实验。,JTAG,接口电路设计,6.,补偿器与,PMC,接口电路设计,热误差补偿器通过,DSP,的通用,I,o,口输出热误差补偿值到数控系统中，由于,DSP,的通用,I,o,口的电压为,+3,3V,，而数控系统,PMC,的,I,o,口的电压是,24V,，两者之间不能直接进行数据传输，所以在它们之间通过光耦隔离方法来实现数据的传输。当引脚,1,为高电平，内部发光二极管导通发光。受光器受光导通，即引脚,3,和引脚,4,导通，通过光耦隔离芯片将补偿值信号从,DSP,通用,I,o,口传送到,PMC,的,I,o,口。系统中用,DSP,的,GPIOB,口来传输,16,位热误差补偿值数据，,GPIOA,口来接收,PMC,的反馈信号。,TLP5211,电路原理,4.4.4,补偿器的软件设计,热误差补偿系统的软件设计是在,CCS2,2,环境下进行的。,数据采集和处理主程序流程图,4.5 PMC,程序设计,数控机床热误差的补偿实施主要是通过数控系统的外部机床坐标原点偏移功能来实现的。,FANUC0,系列数控系统具有基本的外部机床原点偏移功能，可以通过,PMC,程序将补偿值与控制信号读入,PMC,的,R,地址并写入指定的,G,地址中，,CNC,控制单元根据,G,地址中的数据偏移外部机床坐标系来实施热误差补偿。,4.5.1,外部机床坐标系原点偏移功能,FANUC 0,系列数控系统在对误差的补偿功能中提供了外部机床坐标系原点偏移功能。,1,相关信号介绍及其设定,(1),功能信号：,EAO,EA7(PMC_CNC),对于外部机床坐标原点偏移功能选择信号,EA0,EA7,，其中,EA4,EA6,表示补偿功能号，当选择,011,时表示选中外部机床坐标原点偏移功能，,EAO,EA3,表示所要补偿的轴号，功能信号地址说明如下图,1,所示。,(2),数据信号：,ED0,EDl5(PMCCNC),数据信号,EDO,EDl5,表示,16,位,2,进制的热误差补偿值，其中,ED15,为符号位，正负表示偏移的方向，补偿量的输入范围为,-99999999,个测量单位，数据信号地址说明如下图,2,所示,图,1,功能信号地址说明,图,2,数据信号地址说明,(3),控制信号：,ESTB(PMC-CNC),和,EREND(CNC-PMC),ESTB,表示,PMC,请求控制单元将数据读入的触发信号，,E,趾,ND,表示控制单元读入数据状态信号，控制信号地址说明如下图所示。,控制信号地址说明,热误差补偿信号的传输过程如下：,a),设定表明数据类型数据信号,ED0,到,EDl5,和地址信号,EA0,到,EA6,。,b)PMC,将请求读入信号,ESTB,置为“,l”,。,c),当,ESTB,为“,l”,后，,CNC,控制单元将数据和地址读入。,d),在读完数据和地址后，,CNC,控制单元将,ER,日叮,D,置为“,1”,。,e),当,EREND,信号为“,l”,后，,PMC,将,ESTB,置“,0,。,D,当,ESTB,信号为“,O”,后，,CNC,控制单元将,ESTB,重新置“,O”,。,这样就完成了一次补偿值的输入过程，并可以进行新补偿值的输入。补偿值输入时序如下图所示,补偿值输入时序,2.PMC,程序的开发,在,PMC,中添加的,PMC,程序主要负责读取从热误差补偿控制器传送到,PMC,的端口的补偿值数据和控制信号至,PMC,的,R,地址缓冲器中，并写入指定的,G,地址。,CNC,控制单元根据,G,地址中的数据偏移外部机床坐标系来实施热误差补偿。用到的,PMC,功能指令主要有：寄存器移位指令,(SFr),、二进制加法运算指令,(ADDB),、二进制乘法运算指令,(ML,，,LB),和定义二进制常数指,令,(NUMEB),等。主要功能指令的格式如下图所示。,SFT,指令,ADDB,指令,MULB,指令,NUMB,指令,4.6,实施补偿效果,补偿效果在以下的图表中可以看出来：,Y,方向样本序列,Z,方向的样本序列,五、总结,数控机床系统热误差建模方法选择和测温关键点优化布置对补偿的精度起着至关重要作用，利用多元线性回归方法对热误差建模是比较常用的一种方法。,虽然在温度与热误差检测、测点优化建模和补偿方面取得了一些成果，但尚有以下几个方面的问题需要解决：,(1),对于温度测点的初步布置，一定程度上还是依靠工程经验，加强对机床的机械结构的研究，采用有限元仿真软件对机床温度场和热变形进行仿真分析，从而获得更加真实的机床温度分布和热变形规律，为温度测点的布置提供理论依据，以便更好的优化温度测点，建立热误差模型。,(2),提高热误差模型的鲁棒性。由于影响机床热误差的因素很多，即使相同类型、相同规格、相同环境、相同切削条件的机床，得出的热误差模型之间也有较大差别，一般难以互相替代，从而造成机床热误差补偿中模型众多，而且应用于不同工况条件,(,空转和切削，干切削和有切削液，不同转速、进给、切深，不同季节等,),的有效性有待验证，如果寻找到更好的建模方法或模型之间的内在联系规律有助丁,=,建立鲁棒性更高的热误差模型。,(3),热误差补偿装置的功能扩展。本文开发的热误差补偿装置不仅能够实现机床热误差的补偿，如果对其进行与上位机通讯接口的开发，可以应用在温度与热误差检测试验中，使热