基于平衡对称原理的中腰导轨立柱移动热源自动补偿系统

摘要

本发明公开了一种基于平衡对称原理的中腰导轨立柱移动热源自动补偿系统。此系统包括中腰导轨立柱移动热源补偿装置、控制器，中腰导轨立柱移动热源补偿装置中的中腰导轨立柱为中空的矩形环腔，中腰导轨立柱正面设有导轨、滑块、温度传感器，中腰导轨立柱反面设有热执行机构、温度传感器，在中腰导轨立柱两个侧面设有Z方向滑块联接件，Z方向滑块联接件下面设有滑块。中腰导轨立柱移动热源补偿装置采用Y轴对称的X方向补偿热源的布置结构，利用多块热执行机构，根据平衡对称原理补偿中腰导轨立柱在Y方向产生的移动热源，使立柱的温度场、位移场对称，既能消除应力集中，并使控制系统变得简单，从而提高可靠性，又能提高补偿精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于平衡对称原理的中腰导轨立柱移动热源自动补偿系统。

背景技术

高性能数控成形磨削机床，是目前国内最高水平的机床品种之一，是军工行业高端的加工设备，主要用于飞机发动机叶片、潜艇蜗轮圆弧叶冠等精密部件的成形磨削。由于高挡数控成形磨削机床技术的先进性、应用的特殊性，在国内外普遍受到关注。从发展区域看，欧洲在高性能数控成形磨削机床技术方面仍处于领先地位，如德国的BLOHM、ELB公司、英国的JONES-SHIPMAN公司、瑞士的MAEGERLE公司。在美国、日本和其它工业发达国家，这项技术也得到应用，特别是用于硬质合金工具、模具和新型工程材料的磨削加工。正因为国际上只有极少数几个工业发达国家掌握该项技术，因此高挡数控成形磨削机床具有极高的研究开发价值。

我国生产的普及型数控系统，在功能、性能和可靠性方面已具备了较强的国际市场竞争力，但在高档数控机床方面与国外先进技术相比还属于技术跟踪阶段，主要技术指标和可靠性方面均有一定的差距。就七轴五联动数控成形磨削机床而言，国内近几年才发展起来，能实现超高精度的金刚石碟片数控联动砂轮修整，但在关键指标方面，如加工轮廓精度、主轴热变形、金刚石碟片数控联动砂轮修整时超高精密拉刀成形加工的轮廓精度等，都和国外先进技术存在较大距离。

如果从磨削机床的布局看，若采用中腰导轨移动式立柱结构，这种机床的工作台不作纵向往复运动，机床的纵向和横向运动都由立柱或磨头完成，从而使平磨布局突破传统形式。这种新布局具有总体刚性好、磨削效率高、占地面积小、能实现一机多用的优点，提高了平面磨削加工在金属切削加工中的地位。由于中腰导轨移动式结构的立柱在垂直方向存在较大的移动热源，热量从磨头通过滑块传递到安装在立柱表面的导轨上，这对热位移的补偿带来困难。基于这样的背景，提出并开发了基于平衡对称原理的中腰导轨立柱移动热源自动补偿系统。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于平衡对称原理的中腰导轨立柱移动热源自动补偿系统。

基于平衡对称原理的中腰导轨立柱移动热源自动补偿系统包括中腰导轨立柱移动热源补偿装置、控制器，中腰导轨立柱移动热源补偿装置中的中腰导轨立柱为中空的矩形环腔，中腰导轨立柱正面设有第一Y方向导轨、第二Y方向导轨，在第一Y方向导轨上设有第一Y方向滑块、第二Y方向滑块，在第二Y方向导轨上设有第三Y方向滑块、第四Y方向滑块，第一Y方向导轨内侧设有第1温度传感器、第2温度传感器...第m温度传感器，第二Y方向导轨内侧设有第m+1温度传感器、第m+2温度传感器...第2m温度传感器，中腰导轨立柱反面设有第1块热执行机构、第2块热执行机构...第n块热执行机构、第n+1块热执行机构、第n+2块热执行机构...第2n块热执行机构，在第1块热执行机构、第2块热执行机构...第n块热执行机构内侧分别设有第2m+1温度传感器、第2m+2温度传感器...第3m温度传感器，在第n+1块热执行机构、第n+2块热执行机构...第2n块热执行机构内侧分别设有第3m+1温度传感器、第3m+2温度传感器...第4m温度传感器，在中腰导轨立柱一侧面设有第一Z方向滑块联接件，在第一Z方向滑块联接件下面设有第一Z方向滑块、第二Z方向滑块，在中腰导轨立柱另一侧面设有第二Z方向滑块联接件，在第二Z方向滑块联接件下面设有第三Z方向滑块、第四Z方向滑块。

所述的控制器的内部模块连接关系为：单片机分别与D/A转换器、A/D转换器、温度信号调理模块、计算机接口连接，D/A转换器分别与第1输出信号调理模块、第2输出信号调理模块...第2n输出信号调理模块连接，第1输出信号调理模块经第1功率放大器与第1块热执行机构连接，第2输出信号调理模块经第2功率放大器与第2块热执行机构连接，第2n输出信号调理模块经第2n功率放大器与第2n块热执行机构连接，温度信号调理模块分别与A/D转换器、第1温度传感器...第4m温度传感连接。

所述的温度信号调理模块的内部模块连接关系为：第1级传感器信号切换子模块分别与第2级热电偶传感器信号切换子模块、第2级热电阻传感器信号切换子模块、第1热电偶信号调理电路...第4m热电偶信号调理电路、第1热电阻信号调理电路...第4m热电阻信号调理电路连接，第2级热电偶传感器信号切换子模块经热电偶传感信号程控放大器与第3级传感器信号切换子模块连接，第2级热电阻传感器信号切换子模块经热电阻传感信号程控放大器与第3级传感器信号切换子模块连接。

本发明与现有技术相比具有的有益效果

1)采用Y轴对称的X方向补偿热源的布置结构，使具有中腰导轨结构的立柱建立模型及控制变得容易；

2)利用多块热执行机构模拟Y方向滑块传导及移动所产生的热源，既能提高立柱工作时补偿过程中的可靠性，又能提高补偿精度；

3)采用平衡对称原理补偿中腰导轨立柱在Y方向产生的移动热源，可使立柱的温度场、位移场对称，从而能够消除因温度场、位移场不对称引起的应力集中，使补偿变得简单、可行；

4)对称方式的温度传感器布置，能够使控制系统变得简单。

附图说明

图1是基于平衡对称原理的中腰导轨立柱移动热源自动补偿系统结构示意图；

图2是基于平衡对称原理的中腰导轨立柱移动热源自动补偿系统结构后视图；

图3是本发明的控制器电路框图；

图4是本发明的温度信号调理模块电路框图。

具体实施方式

如图1、2所示，基于平衡对称原理的中腰导轨立柱移动热源自动补偿系统，包括中腰导轨立柱移动热源补偿装置、控制器，中腰导轨立柱移动热源补偿装置中的中腰导轨立柱1为中空的矩形环腔，中腰导轨立柱正面设有第一Y方向导轨3、第二Y方向导轨5，在第一Y方向导轨3上设有第一Y方向滑块2、第二Y方向滑块4，在第二Y方向导轨5上设有第三Y方向滑块6、第四Y方向滑块10，第一Y方向导轨3内侧设有第1温度传感器T₁、第2温度传感器T₂...第m温度传感器T_m，第二Y方向导轨5内侧设有第m+1温度传感器T_m+1、第m+2温度传感器T_m+2...第2m温度传感器T_2m，中腰导轨立柱反面设有第1块热执行机构11、第2块热执行机构12...第n块热执行机构13、第n+1块热执行机构14、第n+2块热执行机构15...第2n块热执行机构19，在第1块热执行机构11、第2块热执行机构12...第n块热执行机构13内侧分别设有第2m+1温度传感器T_2m+1、第2m+2温度传感器T_2m+2...第3m温度传感器T_3m，在第n+1块热执行机构14、第n+2块热执行机构15...第2n块热执行机构19内侧分别设有第3m+1温度传感器T_3m+1、第3m+2温度传感器T_3m+2...第4m温度传感器T_4m，在中腰导轨立柱一侧面设有第一Z方向滑块联接件7，在第一Z方向滑块联接件7下面设有第一Z方向滑块8、第二Z方向滑块9，在中腰导轨立柱另一侧面设有第二Z方向滑块联接件16，在第二Z方向滑块联接件16下面设有第三Z方向滑块17、第四Z方向滑块18。

如图3所示，控制器的内部模块连接关系为：单片机分别与D/A转换器、A/D转换器、温度信号调理模块、计算机接口连接，D/A转换器分别与第1输出信号调理模块、第2输出信号调理模块...第2n输出信号调理模块连接，第1输出信号调理模块经第1功率放大器与第1块热执行机构连接，第2输出信号调理模块经第2功率放大器与第2块热执行机构连接，第2n输出信号调理模块经第2n功率放大器与第2n块热执行机构连接，温度信号调理模块分别与A/D转换器、第1温度传感器...第4m温度传感连接。

如图4所示，温度信号调理模块的内部模块连接关系为：第1级传感器信号切换子模块分别与第2级热电偶传感器信号切换子模块、第2级热电阻传感器信号切换子模块、第1热电偶信号调理电路...第4m热电偶信号调理电路、第1热电阻信号调理电路...第4m热电阻信号调理电路连接，第2级热电偶传感器信号切换子模块经热电偶传感信号程控放大器与第3级传感器信号切换子模块连接，第2级热电阻传感器信号切换子模块经热电阻传感信号程控放大器与第3级传感器信号切换子模块连接。

本发明的工作原理及过程如下：

采用中腰导轨方式的数控成形磨削机床，针对立柱而言，主要热源是磨头通过滑块及导轨传向立柱的移动热源，虽然强制冷却磨头能够降低数控成形磨削机床大多数点的温度，减小热变形，但为了进一步提高加工精度，必须对数控成形磨削机床立柱的温度场、位移场进行精确控制。根据平衡对称原理，在中腰导轨立柱的反面，安置2n块热执行机构，通过控制各块热执行机构，模拟正面滑块在导轨上移动以及传递产生的移动热源，使立柱前后方向温度场达到平衡，进而消除因温度场、位移场不对称引起的应力集中，并达到控制位移场的目的。由于通过切换不同热执行机构工作以及不同的控制方式来模拟移动热源，并没有再安装真正的移动热源加以补偿，因此它不仅提高立柱的可靠性，而且提高补偿精度。

通过温度传感器检测中腰导轨立柱正面和反面的温度信号，经信号调理电路进入第1级传感器信号切换子模块，此子模块是区分热电偶和热电阻的信号，热电偶信号进第2级热电偶传感器信号切换子模块，采用多选一方式进热电偶传感信号程控放大器，程控放大器放大倍数的大小，由输入信号大小及单片机程序转换成信号加以控制，然后由第3级传感器信号切换子模块控制，进入A/D转换器，同理，热电阻信号进第2级热电阻传感器信号切换子模块，采用多选一方式进热电阻传感信号程控放大器，程控放大器放大倍数的大小，由输入信号大小及单片机程序转换成信号加以控制，然后由第3级传感器信号切换子模块控制，进入A/D转换器。信号经A/D转换器后进入单片机，由控制策略编成的程序运行后，信号输出到2n块输出信号调理模块，经功率放大器，控制热执行机构，从而完成整个闭环自动控制的过程。

控制系统以单片机为核心，并且通过接口与计算机相连，从而可以享用计算机的一切软、硬件资源。为了较好保证对中腰导轨立柱移动热源的补偿，要求立柱正反两面安装的温度传感器对称，传感器可以是热电偶，也可以是热电阻，二者选一种即可，由温度信号调理模块控制。补偿用的热执行机构安装在移动热源的另一面，分为左右2组。热执行机构可以加热，也可以致冷，其作用一方面不让补偿后立柱温升太高，另一方面，可以加快控制的响应速度。

由于立柱温度场变化是准静态的，温度信号调理模块选用第1级传感器信号切换子模块、第2级热电偶传感器信号切换子模块或第2级热电阻传感器信号切换子模块、第3级传感器信号切换子模块进行组合控制，各级子模块的切换由单片机的控制信号控制，此方式对多路温度的准静态信号而言，既简化电路，又减少成本。由于立柱的温度场变化不大，热电偶传感器或热电阻传感器的信号较弱，因此，温度信号调理模块包含热电偶传感信号程控放大器和热电阻传感信号程控放大器。

数控成形磨削机床中腰导轨立柱温度场控制系统为非线性系统，如磨削发热是时变的，交流伺服电机发热、环境温度的变化也是时变的，这些时变因素最终都会影响立柱温度场的变化，正因为是时变的非线性系统，因此采用智能控制中的多模态控制策略较为合适。尽管智能控制不需要数学模型，但有数学模型的智能控制更有针对性，控制的精度更高，因此采用有数学模型，但对数学模型要求不高的中腰导轨立柱温度场智能控制策略，尤其是采用利用智能控制原理的基于结构热特征的移动热源平衡对称补偿策略。