專利名稱：用于高速精密加工的熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)及其補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種數(shù)控機(jī)床加工技術(shù)領(lǐng)域的裝置及方法，具體是一種用于高速 精密加工的熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)及其補(bǔ)償方法。
背景技術(shù)：
精密和超精密加工技術(shù)是因宇航技術(shù)和軍事技術(shù)的發(fā)展需要，自20世紀(jì)60年代 初在美國形成和發(fā)展起來的。隨著精密加工技術(shù)對軍事技術(shù)的推動作用日益顯現(xiàn)，各國均 將其作為國家關(guān)鍵技術(shù)予以重點(diǎn)資助和研究發(fā)展。美國率先出臺了“先進(jìn)制造技術(shù)計(jì)劃”和 “制造技術(shù)中心計(jì)劃”，德國制定了 “制造計(jì)劃”。日本也在20世紀(jì)80年代因重視精密加工 技術(shù)的基礎(chǔ)研究，并將其應(yīng)用于民用高科技技術(shù)產(chǎn)業(yè)，使得日本在諸多領(lǐng)域特別是微電子 產(chǎn)業(yè)的競爭中取得了世界領(lǐng)先的優(yōu)勢。目前精密和超精密加工技術(shù)不僅成為各國重點(diǎn)發(fā)展 的技術(shù)，而且成為衡量一個(gè)國家制造水平的標(biāo)志。研究表明，熱誤差是影響加工精度的重要原因，占總加工誤差的40% -70%。而在 高速精密加工過程中由于使用了電主軸技術(shù)，相比于傳統(tǒng)主軸傳動系統(tǒng)來說，其精度和剛 度均比較高。而且由于加工零件尺寸較小，加工過程中的負(fù)載也相對較小，所以切削力引起 的加工誤差在總加工誤差中的比例就很小，而由熱變形引起的誤差就顯得更加突出，可以 占到總加工誤差的60% -80%。因此有效地檢測出機(jī)床在加工過程中產(chǎn)生的熱誤差并對其 補(bǔ)償，將可以大幅提高加工精度。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)資料檢索發(fā)現(xiàn)，楊建國等在2003年的《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》發(fā)表 了題為《數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償模型在線修正方法研究》的文章，提出了基于遞推最小二乘法 多元線性回歸熱誤差預(yù)測建模方法。該文首先選取了對機(jī)床熱誤差有關(guān)鍵影響的溫度測 點(diǎn)，結(jié)合遞推最小二乘原理，不斷向模型補(bǔ)充新的數(shù)據(jù)，去除最老的數(shù)據(jù)，使得模型可以更 好地反映當(dāng)前機(jī)床所處的加工狀態(tài)。該模型取得了較好的預(yù)測效果。但是該模型沒有找出 和熱誤差線性關(guān)系最強(qiáng)的溫度測點(diǎn)，因此只能通過增加溫度測點(diǎn)的數(shù)量來提高模型的預(yù)測 精度，從而導(dǎo)致算法的復(fù)雜程度和計(jì)算時(shí)間有所增加。經(jīng)進(jìn)一步檢索發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)中還提及了如下熱誤差補(bǔ)償建模方法基于 時(shí)間序列的建模方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法、灰色模型建模方法、最小二乘支持矢量機(jī)建模方 法等，并且運(yùn)用了模糊聚類分析和灰色相關(guān)分析等理論來選擇建模所需的溫度變量。但是 上述模型通常是在中型或大型加工機(jī)床當(dāng)中進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償，沒有針對高速精密加工過程 進(jìn)行研究，而由于硬件結(jié)構(gòu)的不同，使得機(jī)床溫度場的分布和熱性能會有非常大的區(qū)別，無 法直接把原有補(bǔ)償模型直接運(yùn)用到高速精密加工過程中來，否則不恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償功能反而會 使加工精度有所降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種用于高速精密加工的熱誤差實(shí)時(shí) 補(bǔ)償系統(tǒng)及其補(bǔ)償方法，具有快速高精度的補(bǔ)償效果和良好的在線監(jiān)測功能。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明涉及一種用于高速精密加工的熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)，包括數(shù)字式溫度傳 感器、溫度數(shù)據(jù)處理模塊、位移傳感器、位移信號變送器及A/D轉(zhuǎn)換模塊、實(shí)時(shí)補(bǔ)償計(jì)算及 在線調(diào)整模塊、數(shù)據(jù)顯示及狀態(tài)監(jiān)視模塊、I/O數(shù)據(jù)交互模塊及用戶交互模塊，其中數(shù)字 式溫度傳感器與溫度數(shù)據(jù)處理模塊相連接并傳輸實(shí)時(shí)測量的主軸溫度信息，位移傳感器與 位移信號變送器及A/D轉(zhuǎn)換模塊相連接并傳輸實(shí)施測量的刀具位置信息，實(shí)時(shí)補(bǔ)償計(jì)算及 在線調(diào)整模塊的輸入端接受來自溫度數(shù)據(jù)處理模塊的溫度信息、位移信號變送器及A/D轉(zhuǎn) 換模塊的熱誤差信息、用戶交互模塊中用戶自定義的模型參數(shù)信息，并且通過I/O數(shù)據(jù)交 互模塊獲取機(jī)床的刀具位置、主軸轉(zhuǎn)速信息，實(shí)時(shí)補(bǔ)償計(jì)算及在線調(diào)整模塊的輸出端將模 型計(jì)算的熱誤差補(bǔ)償值傳輸給數(shù)據(jù)顯示及狀態(tài)監(jiān)視模塊，并且通過I/O數(shù)據(jù)交互模塊將誤 差補(bǔ)償值送到高速精密加工中心的PLC控制單元，完成整個(gè)補(bǔ)償過程。所述的數(shù)字式溫度傳感器包括分布在主軸各關(guān)鍵測點(diǎn)的封閉集成的數(shù)字式溫度 傳感器組群，每個(gè)組群內(nèi)包含5個(gè)DS18B20傳感器，并通過單根數(shù)據(jù)線根據(jù)Ι-wire總線協(xié) 議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。所述的溫度數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)據(jù)處理的MCU芯片、光電隔離電路、去耦電路、 與溫度傳感器組群進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的接口電路，其中接口電路與分布在機(jī)床各個(gè)關(guān)鍵測點(diǎn) 的溫度傳感器組群的數(shù)據(jù)線相連接，接口電路另外分別經(jīng)過光電隔離電路、去耦電路與MCU 芯片連接，MCU芯片中固化有對DS18B20進(jìn)行工作狀態(tài)的初始化以及對采集的溫度信號進(jìn) 行預(yù)處理的程序。所述的位移傳感器是指固定在工件裝夾設(shè)備上用于實(shí)時(shí)測量熱誤差的非接觸式 電渦流位移傳感器。所述的位移信號變送器及A/D轉(zhuǎn)換模塊包括信號放大電路、低通濾波電路、電壓 變換電路、A/D轉(zhuǎn)換電路，其中信號放大電路對來自位移傳感器的電壓信號進(jìn)行放大處理 并輸出至低通濾波電路進(jìn)行濾波處理，低通濾波電路的輸出端與電壓變換電路及A/D轉(zhuǎn)換 電路依次連接，將位移信號由模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量。所述的實(shí)時(shí)補(bǔ)償計(jì)算及在線調(diào)整模塊包括熱誤差補(bǔ)償模塊以及與之相連接的補(bǔ) 償系統(tǒng)的主MCU芯片和E2PROM存儲芯片，其中=E2PROM和主MCU芯片采取并口方式連接，傳 輸速度快，讀寫方式簡單，便于快速讀寫模型參數(shù)。所述的數(shù)據(jù)顯示及狀態(tài)監(jiān)視模塊包括U864IXD顯示單元、LED狀態(tài)指示燈，其 中IXD顯示單元和LED狀態(tài)指示燈分別通過I/O擴(kuò)展電路與實(shí)時(shí)補(bǔ)償計(jì)算及在線調(diào)整模 塊中的MCU相連接，用于實(shí)時(shí)顯示環(huán)境溫度、主軸溫度、補(bǔ)償軸號、補(bǔ)償數(shù)值等補(bǔ)償狀態(tài)，當(dāng) 發(fā)生故障時(shí)，可以通過LED狀態(tài)燈進(jìn)行提示。所述的用戶交互模塊包括供用戶進(jìn)行參數(shù)設(shè)置的鍵盤及其相應(yīng)電路。所述的I/O數(shù)據(jù)交互模塊包括實(shí)時(shí)補(bǔ)償計(jì)算及在線調(diào)整模塊與加工中心的PLC 控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的接口電路及相應(yīng)的保護(hù)、隔離電路。本發(fā)明涉及上述系統(tǒng)的補(bǔ)償方法，包括以下步驟第一步、通過數(shù)字式溫度傳感器和位移傳感器采集主軸溫度信息和刀具位置的信 息，具體是指在機(jī)床主軸關(guān)鍵測點(diǎn)布置數(shù)字式溫度傳感器并測量主軸的溫度數(shù)據(jù)，同時(shí)用 固定在工件裝夾設(shè)備上的位移傳感器測量主軸產(chǎn)生的軸向熱誤差，每隔周期At進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，獲得m個(gè)熱誤差樣本數(shù)據(jù){Z1; &，…，zm}和溫度樣本數(shù)據(jù)Tu，i = l，2，-,η, j = 1,2,…，m，其中i表示分布在主軸上不同的溫度測點(diǎn)，j表示不同的采樣時(shí)刻；第二步、對溫度和熱誤差進(jìn)行相關(guān)性分析，優(yōu)化選取與熱誤差相關(guān)系數(shù)最大的溫 度測點(diǎn)，具體是指2. 1用相關(guān)性分析分別算出各個(gè)溫度測點(diǎn)和熱誤差的相關(guān)系數(shù)其中 為第i個(gè)溫度測點(diǎn)和熱誤差的相關(guān)系數(shù)，Tij為第i個(gè)溫度測點(diǎn)在時(shí)刻j 的溫度值，&為在時(shí)刻j的主軸軸向方向的熱誤差，巧為第i個(gè)溫度測點(diǎn)所有時(shí)刻的溫度平
1 m1 m
均值義=-27;，—為主軸的軸向熱誤差平均值，
n /=1 Zn J=I2. 2設(shè)定相關(guān)系數(shù)大于閾值α的點(diǎn)，并將這些點(diǎn)及其內(nèi)部區(qū)域作為最佳溫度測點(diǎn) 區(qū)域；2. 3用多項(xiàng)式對優(yōu)選出的溫度測點(diǎn)相關(guān)系數(shù)曲線進(jìn)行擬合，確定多項(xiàng)式的各項(xiàng)參 數(shù)；2. 4對多項(xiàng)式求導(dǎo)，求其極值，最終確定和熱誤差相關(guān)性最高的溫度測點(diǎn)T。pt。第三步、設(shè)定主軸工作在不同狀態(tài)下后得到軸向熱誤差、最佳溫度測點(diǎn)以及主軸 轉(zhuǎn)速三者之間的關(guān)系曲線圖，并建立誤差補(bǔ)償模型，具體是指3. 1在主軸轉(zhuǎn)速為10 OOOrpm的時(shí)刻測量最佳溫度測點(diǎn)T。pt的溫度，直到T。pt達(dá)到 穩(wěn)定時(shí)停機(jī)(約4h)，在測量溫度的同時(shí)，用位移傳感器測量主軸的軸向熱誤差Z ；3. 2使用加工中心的冷壓縮空氣讓主軸溫度迅速下降，使T。pt的溫度恢復(fù)到開機(jī) 時(shí)的狀態(tài)(約1. 5h)；3. 3 在主軸轉(zhuǎn)速分別為 20 OOOrpm, 30 OOOrpm, 40 OOOrpm 和 50 OOOrpm 的狀態(tài)下，
重復(fù)步驟3. 1和3. 2 ；3. 4利用上述數(shù)據(jù)可以獲得在不同主軸轉(zhuǎn)速狀態(tài)下1~_關(guān)于時(shí)間t的曲線圖，以及 軸向熱誤差Z關(guān)于時(shí)間t的曲線圖。3. 5建立基于自然指數(shù)的補(bǔ)償模型ΔΖ = ^+^-。·(l-e—^)，其中ΔΖ為時(shí) 刻t的軸向熱誤差，A為初始時(shí)刻的主軸熱變形量，4為在轉(zhuǎn)速!·的條件下，達(dá)到穩(wěn)定狀 態(tài)的軸向熱誤差，τ為時(shí)間常數(shù)，該補(bǔ)償模型將固化在實(shí)時(shí)補(bǔ)償計(jì)算及在線調(diào)整模塊的主 MCU芯片中。3. 6用最小二乘法對補(bǔ)償模型中的已知點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，從而算出在不同轉(zhuǎn)速條 件下，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的軸向熱誤差，并確定補(bǔ)償模型的所有參數(shù)。第四步、通過補(bǔ)償系統(tǒng)和PLC之間的I/O數(shù)據(jù)交互模塊，補(bǔ)償系統(tǒng)從PLC中獲得主 軸轉(zhuǎn)速，并將預(yù)測模型算出的補(bǔ)償值送到CNC運(yùn)動控制系統(tǒng)中，完成整個(gè)熱誤差的補(bǔ)償過程。與現(xiàn)有熱誤差補(bǔ)償技術(shù)相比，本發(fā)明針對高速精密加工過程的特點(diǎn)，開發(fā)了簡單 可行的補(bǔ)償模型，不僅可以完成高精度的補(bǔ)償過程，還可以實(shí)時(shí)顯示主軸最佳溫度測點(diǎn)的
Yj(Tv-Tj)(Zy-Z)溫度對軸向熱誤差的追蹤效果，如果發(fā)現(xiàn)兩者的曲線嚴(yán)重不滿足線性變化規(guī)律，則說明補(bǔ) 償系統(tǒng)發(fā)生故障，提醒用戶注意，做出相應(yīng)的設(shè)備檢修或者模型參數(shù)調(diào)整?？傮w來說，快速 高精度的補(bǔ)償效果，良好的在線監(jiān)測功能是本發(fā)明的突出特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為對主軸進(jìn)行溫度測量時(shí)的溫度測點(diǎn)布置示意圖。圖3為確定最佳溫度測點(diǎn)T。pt的相關(guān)系數(shù)擬合曲線。圖4為主軸最佳溫度測點(diǎn)T。pt對時(shí)間t的變化曲線。圖5為軸向熱誤差Z對時(shí)間t的變化曲線。圖6為在不同轉(zhuǎn)速條件下，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的軸向熱誤差L的擬合曲線。圖7為主軸轉(zhuǎn)速為2500rpm時(shí)，未經(jīng)補(bǔ)償?shù)妮S向熱誤差曲線、補(bǔ)償模型的擬合曲線 以及補(bǔ)償后的殘差曲線。圖8為主軸轉(zhuǎn)速為3500rpm時(shí)，未經(jīng)補(bǔ)償?shù)妮S向熱誤差曲線、補(bǔ)償模型的擬合曲線 以及補(bǔ)償后的殘差曲線。圖9為主軸轉(zhuǎn)速為4500rpm時(shí)，未經(jīng)補(bǔ)償?shù)妮S向熱誤差曲線、補(bǔ)償模型的擬合曲線 以及補(bǔ)償后的殘差曲線。
具體實(shí)施例方式下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。如圖1所示，本實(shí)施例包括數(shù)字式溫度傳感器、溫度數(shù)據(jù)處理模塊、位移傳感器、 位移信號變送器及A/D轉(zhuǎn)換模塊、實(shí)時(shí)補(bǔ)償計(jì)算及在線調(diào)整模塊、數(shù)據(jù)顯示及狀態(tài)監(jiān)視模 塊、I/O數(shù)據(jù)交互模塊及用戶交互模塊，其中數(shù)字式溫度傳感器與溫度數(shù)據(jù)處理模塊相連 接并傳輸實(shí)時(shí)測量的主軸溫度信息，位移傳感器與位移信號變送器及A/D轉(zhuǎn)換模塊相連接 并傳輸實(shí)施測量的刀具位置的信息，實(shí)時(shí)補(bǔ)償計(jì)算及在線調(diào)整模塊的輸入端接受來自溫度 數(shù)據(jù)處理模塊的溫度信息、位移信號變送器及A/D轉(zhuǎn)換模塊的熱誤差信息、用戶交互模塊 中用戶自定義的模型參數(shù)信息，并且通過I/O數(shù)據(jù)交互模塊獲取機(jī)床的刀具位置、主軸轉(zhuǎn) 速信息，實(shí)時(shí)補(bǔ)償計(jì)算及在線調(diào)整模塊的輸出端將模型計(jì)算的熱誤差補(bǔ)償值傳輸給數(shù)據(jù)顯 示及狀態(tài)監(jiān)視模塊，并且通過I/O數(shù)據(jù)交互模塊將誤差補(bǔ)償值送到高速精密加工中心的 PLC控制單元，完成整個(gè)補(bǔ)償過程。所述的數(shù)字式溫度傳感器包括分布在主軸各關(guān)鍵測點(diǎn)的封閉集成的數(shù)字式溫度 傳感器組群，每個(gè)組群內(nèi)包含5個(gè)DS18B20傳感器，并通過單根數(shù)據(jù)線根據(jù)Ι-wire總線協(xié) 議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。所述的溫度數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)據(jù)處理的MCU芯片、光電隔離電路、去耦電路、 與溫度傳感器組群進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的接口電路，其中接口電路與分布在機(jī)床各個(gè)關(guān)鍵測點(diǎn) 的溫度傳感器組群的數(shù)據(jù)線相連接，接口電路另外分別經(jīng)過光電隔離電路、去耦電路與MCU 芯片連接，MCU芯片中固化有對DS18B20進(jìn)行工作狀態(tài)的初始化以及對采集的溫度信號進(jìn)行預(yù)處理的程序。所述的位移傳感器是指固定在工件裝夾設(shè)備上用于實(shí)時(shí)測量熱誤差的非接觸式 電渦流位移傳感器。所述的位移信號變送器及A/D轉(zhuǎn)換模塊包括信號放大電路、低通濾波電路、電壓 變換電路、A/D轉(zhuǎn)換電路，其中信號放大電路對來自位移傳感器的電壓信號進(jìn)行放大處理 并輸出至低通濾波電路進(jìn)行濾波處理，低通濾波電路的輸出端與電壓變換電路及A/D轉(zhuǎn)換 電路依次連接，將位移信號由模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量。所述的實(shí)時(shí)補(bǔ)償計(jì)算及在線調(diào)整模塊包括熱誤差補(bǔ)償模塊以及與之相連接的補(bǔ) 償系統(tǒng)的主MCU芯片和E2PROM存儲芯片，其中=E2PROM和主MCU芯片采取并口方式連接，傳 輸速度快，讀寫方式簡單，便于快速讀寫模型參數(shù)。所述的數(shù)據(jù)顯示及狀態(tài)監(jiān)視模塊包括U864IXD顯示單元、LED狀態(tài)指示燈，其 中IXD顯示單元和LED狀態(tài)指示燈分別通過I/O擴(kuò)展電路與實(shí)時(shí)補(bǔ)償計(jì)算及在線調(diào)整模 塊中的MCU相連接，用于實(shí)時(shí)顯示環(huán)境溫度、主軸溫度、補(bǔ)償軸號、補(bǔ)償數(shù)值等補(bǔ)償狀態(tài)，當(dāng) 發(fā)生故障時(shí)，可以通過LED狀態(tài)燈進(jìn)行提示。所述的用戶交互模塊包括供用戶進(jìn)行參數(shù)設(shè)置的鍵盤及其相應(yīng)電路。所述的I/O數(shù)據(jù)交互模塊包括實(shí)時(shí)補(bǔ)償計(jì)算及在線調(diào)整模塊與加工中心的PLC 控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的接口電路及相應(yīng)的保護(hù)、隔離電路。
表所示
本實(shí)例在一臺高速精密加工中心進(jìn)行檢測研究，該加工中心采用的主軸參數(shù)如下
權(quán)利要求
1.一種用于高速精密加工的熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于，包括數(shù)字式溫度傳 感器、溫度數(shù)據(jù)處理模塊、位移傳感器、位移信號變送器及A/D轉(zhuǎn)換模塊、實(shí)時(shí)補(bǔ)償計(jì)算及 在線調(diào)整模塊、數(shù)據(jù)顯示及狀態(tài)監(jiān)視模塊、I/O數(shù)據(jù)交互模塊及用戶交互模塊，其中數(shù)字 式溫度傳感器與溫度數(shù)據(jù)處理模塊相連接并傳輸實(shí)時(shí)測量的主軸溫度信息，位移傳感器與 位移信號變送器及A/D轉(zhuǎn)換模塊相連接并傳輸實(shí)施測量的刀具位置的信息，實(shí)時(shí)補(bǔ)償計(jì)算 及在線調(diào)整模塊的輸入端接受來自溫度數(shù)據(jù)處理模塊的溫度信息、位移信號變送器及A/D 轉(zhuǎn)換模塊的熱誤差信息、用戶交互模塊中用戶自定義的模型參數(shù)信息，實(shí)時(shí)補(bǔ)償計(jì)算及在 線調(diào)整模塊通過I/O數(shù)據(jù)交互模塊獲取機(jī)床的刀具位置、主軸轉(zhuǎn)速信息，實(shí)時(shí)補(bǔ)償計(jì)算及 在線調(diào)整模塊的輸出端將模型計(jì)算的熱誤差補(bǔ)償值傳輸給數(shù)據(jù)顯示及狀態(tài)監(jiān)視模塊，并且 通過I/O數(shù)據(jù)交互模塊將誤差補(bǔ)償值送到高速精密加工中心的PLC控制單元，完成整個(gè)補(bǔ) 償過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高速精密加工的熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征是，所述 的溫度數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)據(jù)處理的MCU芯片、光電隔離電路、去耦電路、與溫度傳感器 組群進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的接口電路，其中接口電路與分布在機(jī)床各個(gè)關(guān)鍵測點(diǎn)的溫度傳感器 組群的數(shù)據(jù)線相連接，接口電路另外分別經(jīng)過光電隔離電路、去耦電路與MCU芯片連接， MCU芯片中固化有對DS18B20進(jìn)行工作狀態(tài)的初始化以及對采集的溫度信號進(jìn)行預(yù)處理的 程序。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高速精密加工的熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征是，所述 的位移信號變送器及A/D轉(zhuǎn)換模塊包括信號放大電路、低通濾波電路、電壓變換電路、A/ D轉(zhuǎn)換電路，其中信號放大電路對來自位移傳感器的電壓信號進(jìn)行放大處理并輸出至低 通濾波電路進(jìn)行濾波處理，低通濾波電路的輸出端與電壓變換電路及A/D轉(zhuǎn)換電路依次連 接，將位移信號由模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高速精密加工的熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征是，所述 的實(shí)時(shí)補(bǔ)償計(jì)算及在線調(diào)整模塊包括熱誤差補(bǔ)償模塊以及與之相連接的補(bǔ)償系統(tǒng)的主 MCU芯片和E2PROM存儲芯片。
5.一種根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述系統(tǒng)的補(bǔ)償方法，其特征在于，包括以下步驟第一步、通過數(shù)字式溫度傳感器和位移傳感器采集主軸溫度信息和刀具位置的信息；第二步、對溫度和熱誤差進(jìn)行相關(guān)性分析，優(yōu)化選取與熱誤差相關(guān)系數(shù)最大的溫度測點(diǎn)。第三步、設(shè)定主軸工作在不同狀態(tài)下后得到軸向熱誤差、最佳溫度測點(diǎn)以及主軸轉(zhuǎn)速 三者之間的關(guān)系曲線圖，并建立誤差補(bǔ)償模型；第四步、通過補(bǔ)償系統(tǒng)和PLC之間的I/O數(shù)據(jù)交互模塊，補(bǔ)償系統(tǒng)從PLC中獲得主軸轉(zhuǎn) 速，并將預(yù)測模型算出的補(bǔ)償值送到CNC運(yùn)動控制系統(tǒng)中，完成整個(gè)熱誤差的補(bǔ)償過程。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述系統(tǒng)的補(bǔ)償方法，其特征是，所述的第一步具體是指在機(jī)床主 軸關(guān)鍵測點(diǎn)設(shè)置數(shù)字式溫度傳感器并測量主軸的溫度數(shù)據(jù)，同時(shí)用固定在工件裝夾設(shè)備上 的位移傳感器測量主軸產(chǎn)生的軸向熱誤差，每隔周期At進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集并獲得m個(gè)熱 誤差樣本數(shù)據(jù)，…，ZJ和溫度樣本數(shù)據(jù)Tij, i = 1，2，…，n，j = l，2，…，m，其中 i表示分布在主軸上不同的溫度測點(diǎn)，j表示不同的采樣時(shí)刻。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述系統(tǒng)的補(bǔ)償方法，其特征是，所述的第二步具體是指.2. 1用相關(guān)性分析分別算出各個(gè)溫度測點(diǎn)和熱誤差的相關(guān)系數(shù)
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述系統(tǒng)的補(bǔ)償方法，其特征是，所述的第三步具體是指.3.1在主軸轉(zhuǎn)速為10 OOOrpm的時(shí)刻測量最佳溫度測點(diǎn)T。pt的溫度，直到T。pt達(dá)到穩(wěn)定 時(shí)停機(jī)，在測量溫度的同時(shí)，用位移傳感器測量主軸的軸向熱誤差Z ；.3. 2使用加工中心的冷壓縮空氣讓主軸溫度迅速下降，使T。pt的溫度恢復(fù)到開機(jī)時(shí)的 狀態(tài)；.3. 3在主軸轉(zhuǎn)速分別為20 OOOrpm, 30 OOOrpm, 40 OOOrpm和50 OOOrpm的狀態(tài)下，重復(fù) 步驟3. 1和3. 2 ；.3. 4利用上述數(shù)據(jù)可以獲得在不同主軸轉(zhuǎn)速狀態(tài)下T-關(guān)于時(shí)間t的曲線圖，以及軸向 熱誤差Z關(guān)于時(shí)間t的曲線圖；.3. 5建立基于自然指數(shù)的補(bǔ)償模型AZ = Ai(Z^tl) · (l-e—^)，其中ΔΖ為時(shí)刻t 的軸向熱誤差，Z0為初始時(shí)刻的主軸熱變形量，Zr為在轉(zhuǎn)速r的條件下，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的軸 向熱誤差，τ為時(shí)間常數(shù)，該補(bǔ)償模型將固化在實(shí)時(shí)補(bǔ)償計(jì)算及在線調(diào)整模塊的主MCU芯 片中；.3. 6用最小二乘法對補(bǔ)償模型中的已知點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，從而算出在不同轉(zhuǎn)速條件下， 達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的軸向熱誤差，并確定補(bǔ)償模型的參數(shù)。
全文摘要
一種數(shù)控機(jī)床加工技術(shù)領(lǐng)域的用于高速精密加工的熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)及其補(bǔ)償方法，該系統(tǒng)包括數(shù)字式溫度傳感器、溫度數(shù)據(jù)處理模塊、位移傳感器、位移信號變送器及A/D轉(zhuǎn)換模塊、實(shí)時(shí)補(bǔ)償計(jì)算及在線調(diào)整模塊、數(shù)據(jù)顯示及狀態(tài)監(jiān)視模塊、I/O數(shù)據(jù)交互模塊及用戶交互模塊。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)快速高精度的補(bǔ)償效果和良好的在線監(jiān)測。
文檔編號G05B19/404GK102122146SQ20111000121
公開日2011年7月13日 申請日期2011年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月6日
發(fā)明者姚曉棟, 張毅, 張琨, 楊建國, 沈岳熙 申請人:上海交通大學(xué)