数控机床定位误差动态实时补偿系统的制作方法.docx

数控机床定位误差动态实时补偿系统的制作方法数控机床定位误差动态实时补偿系统的制作方法一种基于嵌入式系统的数控机床定位误差动态实时补偿系统本发明包括：误差补偿硬件系统和基于网络化数据交互的补偿软件平台硬件系统作为补偿软件的载体和执行部件，用于实现各功能模块之间的连接和通讯、数据存储及人机交互软件系统采用面向对象的编程模式，与CNC间采用以太网进行数据交互，可实现温度信号的采集和预处理，定位误差数学模型的自动建模、定位误差实时计算、智能化模型调整功能、自学习模型训练和优化通过软硬件系统的协同工作，实现数控机床误差的动态实时补偿本发明的定位误差补偿系统操作简单，适用性广，能满足多种类型数控机床的定位误差补偿需求，对于提高数控机床加工精度具有实用化和商业化推广的重要意义专利说明】数控机床定位误差动态实时补偿系统【技术领域】[0001]本发明涉及的是一种数控机床误差补偿【技术领域】的补偿系统，具体地说，是一种数控机床定位误差动态实时补偿系统背景技术】[0002]我国的机床行业经过这些年的不断发展，已经有了很大的飞跃以整体生产规模来说，我国每年的机床生产量已经达到了机床生产大国的同等水平但就数控机床的技术等级来说，却只在世界上排在第二梯队中。

目前我国生产的数控机床约占国内数控机床市场份额的35%左右，其余需要从国外进口，特别是在高端数控机床市场，绝大部分都只能从国外的机床生产强国进口，国内自己设计和生产的高档数控机床仅占4%左右，因而每年在进口高端数控机床上都花费了大量的外汇当前，随着现代制造业对零部件加工的精密度要求不断提高，国内对高精度数控机床的需求越来越大，如完全依靠进口，将使得高端数控机床在我国的应用受制于人因而，提高国产数控机床的加工精度和可靠性指标对我国制造业进一步的发展具有十分重要的意义[0003]定位误差补偿技术作为提高数控机床加工精度的有效方法，在机床行业中得到了广泛的应用通常数控机床误差补偿的方法包括:一、根据实际加工后测试的误差数据，通过对数控加工程序进行人工干涉和调整；二、利用数控系统可提供的参数设定方式的定位误差补偿功能，将可以预估的误差数据提前输入对应的误差补偿设置项(如螺距补偿)，在实际加工中，数控系统将这些预设的误差项纳入过程计算进行补偿而数控机床的定位误差动态实时补偿技术目前在国内还处于实验室阶段，即便在机床生产强国，其工厂企业中大批量应用的例子还是很少，相关的定位误差补偿系统研究还远没有达到商业化的程度。

虽然也有文献提出了不同类型的补偿装置，但在实际使用中由于机床加工的复杂性，实际的应用实施适用范围较小，难以进行延伸推广因此，研发适合多类型、多规格、多品种的数控机床定位误差动态实时补偿系统对我国高端数控机床的发展是非常必要和有益的[0004]经对现有技术文献检索发现，中国专利申请号:200410093428.1，专利名称为:基于机床外部坐标系偏置的数控机床误差实时补偿器根据该发明提供的实时补偿器的结构和原理来看，主要论述了一种基于机床外部坐标系偏置的数控机床误差实时补偿器的构架方案该补偿器基于单片机的数据处理中心，结构上采用计算处理模块、CNC接口和运动控制模块、传感器及变送模块，能够实现热误差的计算和补偿，误差模型则是通过外部计算机进行建模分析并最后放入计算处理模块但是，由于数控机床在生产装配中存在着不一致性，且机床的加工工况差异性较大，这就使得定位误差的规律难以用固定的数学模型来表达，而通过外部计算机建模并固化到计算处理模块中的误差补偿模型无法根据实际工况条件来自行修正和调整系数，因此很难保证在不同的工况下都达到良好的补偿效果此外，单片机由于芯片容量较小，模型的参数数据库容量有限，无法容纳复杂的工况分析计算程序。

中国专利申请号:200710045903.1，专利名称为:数控机床定位误差实时补偿装置根据该发明提供的实时补偿装置的结构和原理来看，主要论述了一种集成了计算处理模块、温度传感器采集和变送模块、数控接口控制模块的机床定位误差补偿装置，采用和数控机床的PMC之间的数据交互，来实现定位误差的补偿工作，但是，该发明同样是利用预设的数学模型来计算补偿值，也无法在实际使用中对模型进行智能的判断和调节，因而该发明所提供的补偿装置同样无法适用于机床的实际生产工况此外，该补偿装置采用的是和机床PMC之间通讯的方式来实现数据交互，因而需要占用较多的I/O 口资源，当需要交互的数据较多时，需要扩展I/O模块来实现，增加了应用成本发明内容】[0005]本发明的目的在于克服现有数控机床定位误差补偿装置的不足，提供了 一种基于嵌入式系统的数控机床定位误差动态实时补偿系统，其集成了网络化数据交互、定位误差自动建模、智能化模型选择和调节、定位误差实时补偿和自学习数据库和分析模块等功能，本发明所提供的定位误差动态实时补偿系统能够有效地读取数控机床的实际加工状态信息，并据此自动调整补偿模型的类别和参数，因而更适用于在实际生产加工中提高机床的加工精度。

本发明的定位误差补偿系统操作简单，适用性广，能满足多种类型数控机床的定位误差补偿需求，对于提高数控机床加工精度具有实用化和商业化推广的重要意义[0006]本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括:数控机床定位误差补偿硬件系统和基于网络化数据交互的补偿软件平台硬件系统作为补偿软件的载体和执行部件，用于实现各功能模块之间的连接和通讯、数据存储及人机交互软件系统采用面向对象的编程模式，并结合了与CNC进行以太网数据交互的驱动功能，可实现温度信号的采集和预处理，定位误差数学模型的自动建模、定位误差实时计算、补偿系统与CNC的以太网数据交互、智能化模型调整功能、自学习模型训练和优化通过硬件系统和软件系统的协同工作，实现数控机床误差的实时补偿[0007]所述的数控机床定位误差补偿硬件系统主要包括嵌入式计算机、触摸式显示器、温度传感器、温度采集模块和网络通讯卡嵌入式计算机过视频线和USB线与触摸显示器连接，通过网线与温度采集模块连接，采用以太网总线方式与网络通讯卡连接，构建硬件系统的基础平台；触摸显示器可实现人机交互功能，用户可在触摸式显示器上输入和读出数据；温度传感器置于机床运动轴的螺母、前后轴承以及室温测试位置，并通过铜芯电缆与温度采集模块连接，将热源点的温度转变为电阻阻值变化；温度采集模块则完成对热电阻阻值变化的辨识，通过信号滤波、放大和A/D转换，将采集的热源温度数据转变为二进制的数据格式，并通过网络将数据传送到嵌入式计算机一端；网络通讯卡一端通过以太网与嵌入式计算机实现通讯，另一端用连接到数控系统的网络口，实现与机床数控系统的实时数据交互。

[0008]所述的温度信号的采集和预处理，是指:实时采集机床运动轴的螺母和前后轴承上所布置的温度传感器的温度数据，并对采集的温度数据进行零均值化处理，然后再进行平稳化处理，以消除随机噪声和机床系统噪声引起的测量误差对温度数据进行相关性分析，判别机床的升温敏感点位置，并通知智能化模型调整功能模块刷新模型的输入温度变量；实时采集的温度数据将自动保持在历史数据库中[0009]所述的定位误差数学模型自动建模，其方法为:首先，将机床的定位误差按照影响因子法分解为冷态下的几何误差、室温变化引起的定位误差以及螺母运动温度变化引起的定位误差三个部分其中冷态下的几何误差可通过设定激光干涉仪的材料膨胀补偿温度而直接测试得到；后两种定位误差则可通过分解激光干涉仪测试数据而分别得到[0010]其次，采用误差元素建模技术，根据误差影响因子的类型分别进行独立模型拟合:(I)冷态下的几何误差可采用多项式拟合法来得到拟合的误差计算公式；(2)对于室温变化引起的定位误差，可根据材料的膨胀系数，根据丝杠的不同位置和温度变化大小，得到丝杠的线性膨胀计算公式；(3)对于由螺母运动温度变化引起的定位误差，则需要采用最小二乘拟合法得到4次高阶曲线拟合的误差计算公式。

[0011]然后，通过智能化模型调整功能模块对于三种误差元素的权重进行调整，即可获得机床运动轴的综合的定位误差数学模型； 最后，补偿系统将所获得的初始定位误差补偿模型保存到模型选择库中，以备实时补偿计算时调用[0012]所述的定位误差实时计算，是指:通过温度采集模块实时获取输入温度变量点的数据，并将实时温度数据导入误差补偿模型；通过网络通讯卡实时读取数控机床各控制轴机床坐标位置，并同样导入补偿模型中，然后系统根据当前调用的模型计算得到个控制轴当前位置时的综合的定位误差数值，最后通过网络通讯卡，在阈值判定和运行条件判定后将计算出的各个轴的实时补偿量传送到CNC中，由CNC将当前补偿值叠加到插补运算上[0013]所述的补偿系统与CNC的以太网数据交互，是指:补偿系统通过网络通讯卡读出机床各控制轴的当前机床坐标位置，通过译码和数据判定后送入误差补偿模型的变量输入端；误差数学模型计算后的补偿值，通过网络通讯卡传送到CNC中的补偿值存储区中[0014]所述的智能化模型调整功能，是指:根据机床实际生产各种可能的工况，按照机床结构类型、加工件的工艺程序、设置参数、加工运行模式、环境温度等综合因素，自动调用模型库中的合适定位误差数学计算模型，并调整模型的参数，使得本系统的定位误差补偿模型具有智能的自我分析和调节能力，因而能够满足在机床复杂的实际加工中实施动态实时误差补偿的功能，其方法为: 首先，智能化模型调整功能可根据机床的结构类型从模型库中选择适宜的补偿模型，如对于二轴的车削中心，选择2轴定位误差补偿模型，对于三轴立式加工中心，则自动从模型库中调用三轴定位误差补偿模型； 其次，智能化模型调整功能在加工启动前，先通过读取加工件工艺程序来自动拟合出各个运动轴的运行轨迹，并获得运行速度及周期的设置参数。

然后在通用的定位误差数学模型的基础上，根据所获取的信息，自动优化定位误差补偿模型的计算参数(特别是对于由螺母运动温度变化所采用的4次高阶曲线误差计算公式)，并在定位误差实时计算中采用修正的模型公式来执行补偿值计算； 再次，当机床从加工状态切换到暂停状态时，智能化模型调整功能可根据运动轴暂停状态的持续时间及暂停时的螺母位置，结合螺母和轴承的温度变化量，自动调节补偿模型的修正系数，并在数控机床再次切换到加工状态时，根据修正系数来调节定位误差的计算值，以适应该工况下的实际定位误差变化趋势； 然后，智能化模型调整功能在定位误差实时计算的同时，可定周期的根据丝杠螺母、轴承以及机床室温点测试出温度值来校验补偿模型的实时精度，并修正补偿模型中与这些温度点相关的误差元素子模型的系数，并将修正后误差补偿模型用于实时计算； 最后，智能化模型调整功能还具有二次建模的能力，可根据用户输入的工件补偿后的残余偏差量，自动地按照测量出的残差进行二次建模，并自动覆盖模型库中原定位误差补偿模型，再后续的工件加工中自动从模型库中调用新模型进行补偿计算[0015]所述的自学习模型训练和优化，是指:基于面向对象的编程模式，构建历史数据存储数据库和自学习训练和优化模块。

历史数据库用于存放温度变量布置点的温度数据以及各运动轴的定位误差计算值，并可实时保存机床加工时的输入参数值和工艺程序，自学习训练和优化模块用于根据实时采集的温度、加工参数信息以及坐标信息等与历史数据的对比和分析，不断修正和优化定位误差元素模型计算公式的系数，并自动保存修正后的模型，自学习训练和优化模块通过对比新旧模型的误差，当达到设定阈值后即将修正后的模型系统导入模型库中，因而能够很好地提高模型的鲁棒性和适应性，从而提高本机床误差实时补偿系统的精度和可靠性[0016]本发明把误差补偿影响因子法和误差元素分离建模技术、基于网络化数据交互的补偿软件技术等应用于数控机床定位误差的实时补偿，解决了通常定位误差补偿数据输入预测性差的缺点，并克服了以前的补偿装置由于芯片计算能力和容量的限制问题而不能在实。