嵌入式数控机床热误差实时补偿控制器的设计与实现

摘要

随着工业水平的不断发展和进步，制造业也迈进了一个新的发展时代。一个国家制造业的发展水平直接影响到基础经济建设和国防安全建设，而制造业的发展水平又以数控机床等制造设备的精密和超精密加工技术为基础。当前，数控机床加工精度的稳定性受到几何误差、热误差、运动误差和定位夹紧误差等因素的干扰，其中热误差对数控机床精加工过程的影响尤为显著。国内外相关领域的研究结果证实数控机床的热误差占其总误差的比重在40％到70％之间。由此可见，设计实现有效的热误差补偿装置对提高数控机床加工精度有重大意义。本文针对数控机床在工件加工过程中产生的热误差，设计并实现了一套基于嵌入式的数控机床热误差实时补偿控制器，并对其进行了测试与验证。主要研究工作如下：
　　（1）本文研究了国内外减小数控机床热误差研究的现状，深入分析了数控机床热误差补偿的诸多方法，结合该领域现存问题，确立了采用控制设备补偿法实现数控机床热误差补偿的总体方案。以此为依据，对比分析了数控机床热误差数据采集回馈模式和补偿实施策略，从而确定了数控机床热误差实时补偿控制器的热误差数据采集回馈采用半闭环前馈补偿模式，补偿实施采用伺服电机反馈脉冲叠加法，并规划出了数控机床实现的总体框架结构。
　　（2）根据上述的热误差实时补偿控制器的总体框架结构，制定了补偿控制器的具体软、硬件实现方案；设计并制作了补偿控制器的硬件单元电路；编写了相关嵌入式代码；完成了数控机床热误差补偿控制器的整体实现。
　　（3）将该热误差补偿控制器安装于配有“华中数控世纪星HNC-21M数控系统”的数控铣床中，在补偿控制器内部嵌入热误差预测模型，对补偿控制器关键单元电路进行了性能测试，也对补偿控制器的定向运动（正向运动和反向运动）补偿以及加工运动补偿进行了功能验证。
　　通过以上相关的研究，本文重点解决补偿控制器的实时性、简化性和通用性的问题，设计的嵌入式热误差实时补偿控制器有效地实现了数控机床热误差的实时补偿，提高了数控机床的加工精度，对精密加工产业起到了促进作用。

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第1章 绪 论

1.1课题来源

1.2课题研究的背景和意义

1.3数控机床热误差补偿国内外研究现状和存在的问题

1.4论文研究内容和全文组织结构

第2章 数控机床热误差补偿原理分析

2.1机床热误差补偿系统概述

2.2热误差补偿系统的回馈方式

2.3热误差补偿系统的实施方法

2.4本章小结

第3章 系统设计与实现

3.1系统功能概述及方案制定

3.2系统嵌入式处理器单元

3.3信号变换单元

3.4补偿时机判断单元

3.5补偿叠加单元

3.6温度采集接口

3.7系统电源单元

3.8本章小结

第4章 系统测试与验证

4.1测试与验证实验环境介绍

4.2硬件单元电路性能测试

4.3定向运动补偿验证

4.4加工运动补偿验证

4.5本章小结

第5章 总结与展望

5.1本文工作总结

5.2后续工作展望

致谢

参考文献