一种基于DSP的二维工作台热误差实时采集与补偿系统
技术领域
本发明涉及传感器检测与控制技术领域，具体是一种基于DSP的二维工作台热误差实时采集与补偿系统。
背景技术
随着现代制造业对高精度零件的要求，数控机床在机测量系统正朝着高精度，高效率方向发展。数控机床在机测量系统是由机床本体和触发测头组成，通过测头产生触发信号，触发机床本身的三维坐标读数装置进行读数，实现被测点的三维坐标测量。研究表明，数控机床的误差来源主要有热误差和定位误差，其中热误差占到数控机床误差的40％以上，因此，实时获得机床不同部位精确的温度信息，从而对数控机床在机测量系统进行温度补偿来提高测量精度是十分必要的。目前，国内外的数控机床在机测量系统温度采集与补偿，存在以下急需解决的缺陷和问题：现有的机床无法进行相关的试验，无法在一个实验装置上实现多路温度高精度实时测量，补偿效率低。
发明内容
本发明的目的是针对现有实验装置二维工作台一体化程度的不足，热误差辨识与补偿效率低，提供一种基于DSP的二维工作台热误差实时采集与补偿系统。该系统的功能有对二维工作台多路温度实时测量和误差补偿。二级放大电路有效地抑制了共模信号干扰，提高测量精度；该系统的线性化电路能够补偿电路的非线性误差，提高了测量精度；该系统的限压电路有效地保护了DSP主控芯片；该系统的软件滤波有效地消除了高频谐波的干扰，提高测量精度；另外该系统可以对二维工作台多个温度采集点进行实时高精度的温度采集显示，并通过补偿模块对二维工作台的X轴和Y轴位置进行误差实时补偿。。
本发明所要解决的问题采用以下技术方案来实现：
一种基于DSP的二维工作台热误差实时采集与补偿系统，包括传感器采集装置、DSP系统、外围电路模块和上位机组成，其特征在于，所述的传感器采集装置由多路PT100铂电阻温度传感器、光栅尺和硬件电路构成，将二维工作台的多路温度和位置坐标进行数据实时采集，并输入到DSP系统；所述的DSP系统利用已有的温度误差模型算出相应的误差值；所述的外围电路模块包括采集模块和补偿模块两部分。
所述的多路PT100铂电阻温度传感器为8路；所述传感器采集装置的硬件电路包括稳压电路TL431可控精密稳压源、桥式电路、二级放大电路LM358双运算放大器、线性化电路、限压电路1N5222稳压二极管。其中，所述的二级放大电路分别进行比例差分放大和比例放大。
所述的DSP系统包括电源电路、晶振电路、复位电路、时钟电路、JTAG电路和TMS320F28335主控芯片。其中，所述的TMS320F28335主控芯片根据电压与温度转换函数，将电压信号转换为温度值。
所述的采集模块包括8路PT100温度采集电路和2路光栅尺信号采集电路。其中，8路PT100温度采集电路接口与TMS320F28335的ADCINA0～ADCINA7相连，通过DSP的片内外设ADC模块对温度信号进行采集；2路光栅尺信号采集电路中X轴光栅尺的A、B信号分别与TMS320F28335的GPIO12、GPIO13相连，Y轴光栅尺的A、B信号分别与TMS320F28335的GPIO32、GPIO33相连，通过外部中断触发的方式对X/Y坐标位置进行采集。
所述的补偿模块采用反馈中断式的补偿方法，将DSP系统预测的误差转换成相应的脉冲，脉冲信号经二维工作台的运动控制器接收，嵌入到二维工作台的光栅位置的反馈环中实现误差补偿。其中，所述的X轴补偿电路通过采集X轴光栅尺的A、B信号，并连接TMS320F28335的GPIO10、GPIO11接口，对二维工作台的X轴位置进行误差补偿；所述的Y轴补偿电路通过采集Y轴光栅尺的A、B信号，并连接TMS320F28335的GPIO30、GPIO31接口，对二维工作台的Y轴位置进行误差补偿。
所述的上位机通过仿真器与DSP的JTAG接口连接，并通过CCS6.1软件实时显示温度。
所述的电压与温度转换函数获取方法包括如下步骤：步骤1.将多路PT100放入温控箱中；步骤2.调节温控箱温度获得不同电压值；步骤3.将温度和电压值输入MATLAB中并进行拟合，从而获得转换函数。
本发明的有益效果是：改善现有测试实验装置热误差实时补偿的不足，能够在二维工作台上实现多路温度信号高精度实时采集显示。通过DSP主控芯片对电压信号采集、软件滤波，并根据电压与温度转换函数，将电压信号转换为温度值并在上位机中实时显示；通过二级放大电路，有效地抑制了共模信号干扰，通过线性化电路补偿电路中的非线性误差，通过软件滤波有效地消除了高频谐波的干扰，提高系统的测量精度；通过限压电路有效地保护了DSP主控芯片。能够较准确的还原二维工作台各个测温点的实时温度信息，并通过补偿模块对二维工作台的X轴和Y轴位置进行误差实时补偿。不仅实现了多路温度高精度实时测量，而且提高了热误差补偿效率，为后续数控机床在机测量系统实现高精度高效率测量奠定了基础。
附图说明
图1是本发明的系统组成图。
图2是本发明的温度采集系统的一路外围电路结构示意图。
图3是本发明的单条光栅采集外围电路结构示意图。
图4是本发明的单路补偿电路结构示意图。
图5是本发明的程序流程图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和图示，进一步阐述本发明。
如图1所示，基于DSP的二维工作台热误差实时采集与补偿系统包括多路PT100铂电阻温度传感器，用于采集二维工作台上对应采集点的温度并输出其电阻值；X/Y轴光栅尺，对X/Y坐标位置进行采集，为后续热误差补偿作位置参考；稳压电路，用于为后级桥式电路提供稳定的电压；桥式电路，用于将铂电阻的阻值转化为电压信号；二级放大电路，用于消除共模信号干扰并将电压信号进行放大处理；线性化电路，用于补偿电路的非线性误差；限压电路，用于限定输出电压的幅值，保护后级电路；DSP主控芯片，用于电压信号采集、软件滤波，并根据电压与温度转换函数，将电压信号转换为温度值；补偿电路，采用反馈中断式的补偿方法，其中X轴补偿电路通过采集X轴光栅尺的A、B信号，并结合TMS320F28335的GPIO10、GPIO11接口，对实验平台X轴位置进行误差补偿；Y轴补偿电路通过采集Y轴光栅尺的A、B信号，并结合TMS320F28335的GPIO30、GPIO31接口，对实验平台Y轴位置进行误差补偿。所述的DSP系统利用已有的温度误差模型算出相应的误差值，通过补偿电路，将误差值转换成相应的脉冲，脉冲信号经二维工作台的运动控制器接收，嵌入到二维工作台的光栅位置的反馈环中实现误差补偿；上位机显示，用于将温度值实时显示。
如图2所示，所述的温度采集系统的一路外围电路结构示意图，R1和TL431构成稳压电路；R2、R3、PT100、R16构成桥式电路，其中R2＝R3，R16为200欧姆的可调精密电阻，通过调节R16改变温度零点设定；R4、R5、R6、R11、LM358A、C1构成比例差分电路，其中R4＝R5，R6＝R11；R7、R8、R9、R12、LM358B构成比例放大电路，其中R7＝R8，R9＝R12；R13、R14、R15、C3构成线性化电路，通过调节R15的阻值对线性度进行调整；R10、1N5222、C2构成限压电路。同时，另外几路外围电路与其结构相同。
如图1和图3所示，所述的单条光栅采集外围电路结构示意图，高速光耦HTCL0631的输入端输入光栅尺的差分信号A+、A-和B+、B-，输出端输出两路单端TTL信号A、B，利用后级的施密特触发器74LS14，对单端信号进行滤波整形。为保护TMS320F28335芯片，后级也采用限压电路将输出电压限制在3V以下。光栅采集电路将差分的光栅信号A+、A-转换成A信号，将B+、B-转换成B信号，A、B信号是正交信号，两者之间的相位差为90°，可以利用TMS320F28335的外部中断来采集光栅信号。将X轴光栅尺的外围电路输出端A信号接入TMS320F28335的GPIO12口，B信号接入TMS320F28335的GPIO13口；Y轴光栅尺的外围电路输出端A信号接入TMS320F28335的GPIO32口，B信号接入TMS320F28335的GPIO33口。
如图1和图4所示，所述的单路补偿电路结构示意图为X轴光栅尺反馈回路上的补偿系统硬件电路。电路有4个输入端，其中补偿信号A、B依次与TMS320F28335的GPIO10、GPIO11相连，另外两路A、B信号分别与外围光栅采集电路的单端信号A、B相连。修正信号A、B分别与二维工作台的运动控制器输入接口的A、B相连。下面以X轴为例，对补偿系统原理进行详细阐述。因为补偿电路A、B信号的硬件结构相同，所以仅以A信号为例进行介绍：当不需要补偿时，由于TMS320F28335的GPIO10(补偿信号A)默认输出高电平，此时U2B三态门导通，U2A三态门截止，光栅信号A就经过施密特触发器U1E和U3A滤波整形后输出；当需要补偿时，将TMS320F28335的GPIO10(补偿信号A)置为低电平，此时U2B三态门将会截止，U2A三态门将会导通，光栅信号A由U1A反相器进行翻转，然后通过U2A三态门，经过U1E和U3A施密特触发器进行滤波整形并输出。
如图5所示，所述的基于DSP的二维工作台热误差实时采集与补偿系统的程序流程图，整体思路：初始化系统、采集影响因素数据、结果实时显示，计算误差、判断是否补偿、实现补偿。第一步根据图1、图2、图3、图4搭建硬件电路；第二步初始化系统控制，包括PLL、看门狗等设置；第三步清除所有中断：禁止CPU中断、初始化PIE控制器，初始化中断向量表；第四步初始化温度(ADC)采集、坐标位置采集；第五步启动二维工作台，利用相应外设采集温度、位置的数值，并根据对应转换函数进行转换，其中温度采集又细分为：1)编写不含电压/温度函数转换的软件程序，2)通过调节温控箱获得不同温度下对应的电压信号，3)利用MATLAB软件对得到的温度、电压进行拟合，获得转换函数，4)将采集程序中加入电压/温度转换函数，5)将PT100传感器贴在二维工作台表面各个温度采集点。位置坐标采集又细分为：1)外部中断服务函数软件程序设计，用于判断光栅运动方向和获取脉冲个数，在退出中断函数之前需要将对应PIEACK寄存器清零，以便响应下一次中断，2)位移转换函数的软件程序设计，根据光栅的分辨率、光栅的脉冲宽度和脉冲个数来确定实际位移，3)利用X/Y轴光栅尺对两轴进行坐标位置采集。所述的温度采集和坐标位置采集均同步进行。第六步通过上位机软件CCS6.1软件下的图形界面对各个温度采集点的温度进行实时显示。第七步将温度、位置代入已有的温度误差模型中，算出相应X、Y轴的误差值；第八步根据误差值是否超过设定值，判断是否需要进行补偿，如不需要补偿，则返回第七步，需要补偿则进入下一步；第九步先初始化补偿脉冲程序，设定相应补偿引脚和定时器，然后通过补偿脉冲程序将误差值转换成相应脉冲数，进行补偿；第十步判断是否完成补偿，若完成补偿则返回第七步，否则返回上一步等待补偿脉冲。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
