[发明专利]数控机床热误差反馈截断补偿脉冲发送控制电路及方法

说明书

技术领域

本发明涉及数控机床热误差补偿技术领域，具体地指一种数控机床热误差反馈截断补偿脉冲发送控制电路及方法。

背景技术

数控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。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做了充分研究，并取得了显著成果。现有降低数控机床热误差影响的方法主要有：主动方法(如温度控制法、预防法等)以及被动的方法(如热误差补偿法等)。热误差补偿法主要包含数控系统内嵌误差补偿模块、反馈截断补偿法和原点平移补偿法三种补偿实现方式。

数控系统内嵌误差补偿模块需要由数控系统开发厂商提供，并提供外部的补偿接口，供用户修改误差补偿模型，数控系统根据修改后的数据在一个粗插补周期内修正误差，从而最终实现其补偿。目前主流的数控系统厂商仅提供一些简单的单维补偿功能，并且其误差补偿接口不具有通用性。原点平移补偿法也是通过误差补偿控制器计算当前时刻机床的误差，和数控系统通讯，将该误差信号叠加到整个工件加工坐标上，使得加工零件的工件坐标整体偏移以最终实现其误差补偿。由于该方法是把将要加工的若干段轨迹进行整体偏移，其误差补偿的有效性是建立在轮廓各处的热误差都相同的基础上的。这时如果轨迹两端的热误差相差比较大，会导致最终的补偿效果很差，甚至引入新的误差。由于上述两种方式存在明显的缺陷，反馈截断补偿法已成为数控机床热误差补偿的重要方式。

反馈截断法是通过将热误差模型的计算数值直接插入到伺服系统的位置反馈环中而实现的。热误差补偿控制器获取进给驱动伺服电机的编码器反馈正交脉冲信号，同时，该补偿控制器还计算机床的热误差，且将等同于热误差的正交脉冲信号与编码器正交脉冲信号相加减，伺服系统据此实时调节机床的进给位置。为了避免补偿脉冲影响数控机床的正常工作，补偿控制器需在反馈正交脉冲的同低1/4周期内完成补偿脉冲的发送。

大连理工大学高玉平与大连理工大学薛林均采用数控机床反馈截断法成功的实现了数控机床的热误差值补偿(参看文献“数控机床热误差的反馈截断式补偿研究”，来自大连理工大学硕士学位论文，2009年；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)，前者采用PIC单片机产生与数控机床反馈脉冲具有相同特征的补偿脉冲，后者用DSP处理器产生补偿脉冲。上述两种方法由于受到单片机和DSP处理器自身处理速度和IO口翻转速度的影响，无法对高速运动的数控机床进行有效补偿，存在一定的局限性。

发明内容

本发明针对现有技术中的数控机床热误差补偿方法中，反馈截断式补偿法补偿脉冲发送频率低，无法对高速数控机床进行快速有效补偿的不足，提出了一种基于FPGA的数控机床热误差反馈截断补偿脉冲发送控制电路及方法。

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，所述控制电路基于FPGA芯片和外部脉冲叠加电路实现，所述FPGA芯片包括：

外部信号接收端口：接收从外部信号处理电路获取的补偿触发信号和从外部处理器获取的补偿脉冲控制信号并将所述补偿触发信号和补偿脉冲控制信号发送至内部功能时序逻辑电路；

内部时钟分频电路：对从系统硬件电路获取的高频时钟信号进行分频处理为分频时钟信号并发送至内部功能时序逻辑电路；

内部功能时序逻辑电路：对所述补偿触发信号和补偿脉冲控制信号进行处理，并通过所述分频时钟信号产生正交补偿脉冲发送至补偿脉冲输出端口；

补偿脉冲输出端口：将所述正交补偿脉冲发送至外部脉冲叠加电路；

系统硬件电路：为FPGA芯片工作提供辅助电路支持；

所述外部脉冲叠加电路将FPGA芯片产生的正交补偿脉冲和数控机床原始正交反馈脉冲进行叠加，形成补偿脉冲发送控制信号。