專利名稱：基于虛擬儀器的數(shù)控機床誤差實時補償系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種機床誤差補償技術(shù)領(lǐng)域的補償系統(tǒng)，具體地說，是一種基于虛擬儀器的數(shù)控機床誤差實時補償系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
我國的機床行業(yè)經(jīng)過這些年的不斷發(fā)展，已經(jīng)有了很大的飛躍。以整體生產(chǎn)規(guī)模來說，我國每年的機床生產(chǎn)量已經(jīng)達到了機床生產(chǎn)大國的同等水平。但就數(shù)控機床的技術(shù)等級來說，卻只在世界上排在第二梯隊中。目前我國生產(chǎn)的數(shù)控機床約占國內(nèi)數(shù)控機床市場份額的35%左右，其余需要從國外進口，特別是在高端數(shù)控機床市場，絕大部分都只能從國外的機床生產(chǎn)強國進口，國內(nèi)自己設(shè)計和生產(chǎn)的高檔數(shù)控機床僅占4%左右，因而每年在進口高端數(shù)控機床上都花費了大量的外匯。當前，隨著現(xiàn)代制造業(yè)對零部件加工的精密度要求不斷提高，國內(nèi)對高精度數(shù)控機床的需求越來越大，如完全依靠進口，將使得高端數(shù)控機床在我國的應(yīng)用受制于人。因而，提高國產(chǎn)數(shù)控機床的加工精度和可靠性指標對我國制 造業(yè)進一步的發(fā)展具有十分重要的意義。誤差補償技術(shù)作為提高數(shù)控機床加工精度的有效方法，在機床行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。通常數(shù)控機床誤差補償?shù)姆椒òㄒ弧⒏鶕?jù)實際加工后測試的誤差數(shù)據(jù)，通過對數(shù)控加工程序的人工調(diào)整；二、利用數(shù)控系統(tǒng)可提供的參數(shù)設(shè)定方式的誤差補償功能，將可以預(yù)估的誤差數(shù)據(jù)提前輸入對應(yīng)的誤差補償設(shè)置項(如背隙補償、螺距補償和刀桿補償?shù)?，在實際加工中，數(shù)控系統(tǒng)將這些預(yù)設(shè)的誤差項納入過程計算進行補償。而數(shù)控機床的實時誤差補償技術(shù)目前在國內(nèi)還處于實驗室階段，即便在機床生產(chǎn)強國，其工廠企業(yè)中大批量應(yīng)用的例子還是很少，相關(guān)的誤差補償系統(tǒng)研究還遠沒有達到商業(yè)化的程度。雖然也有文獻提出了不同類型的補償裝置，但在實際使用中由于機床加工的復(fù)雜性，實際的應(yīng)用實施適用范圍較小，難以進行延伸推廣。因此，研發(fā)適合多類型、多規(guī)格、多品種的數(shù)控機床誤差實時補償?shù)南到y(tǒng)對我國高端數(shù)控機床的發(fā)展是非常必要和有益的。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利申請?zhí)?00410093428. 1，專利名稱為基于機床外部坐標系偏置的數(shù)控機床誤差實時補償器。根據(jù)該發(fā)明提供的實時補償器的結(jié)構(gòu)和原理來看，主要論述了一種基于機床外部坐標系偏置的數(shù)控機床誤差實時補償器的構(gòu)架方案。該補償器基于單片機的數(shù)據(jù)處理中心，結(jié)構(gòu)上采用計算處理模塊、CNC接口和運動控制模塊、傳感器及變送模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)熱誤差的計算和補償，誤差模型則是通過外部計算機進行建模分析并最后放入計算處理模塊。但是，由于數(shù)控機床實際加工受到各種內(nèi)外部因素的影響，采用固定的數(shù)學(xué)模型輸入到單片機中來執(zhí)行誤差值計算容易產(chǎn)生偏差。此外，單片機由于芯片容量較小，無法建立自學(xué)習(xí)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫等，而且也無法脫離外部計算機進行獨立建模計算和分析。中國專利申請?zhí)?00710045903. 1，專利名稱為數(shù)控機床定位誤差實時補償裝置。根據(jù)該發(fā)明提供的實時補償裝置的結(jié)構(gòu)和原理來看，主要論述了一種集成了計算處理模塊、溫度傳感器采集和變送模塊、數(shù)控接口控制模塊的機床定位誤差補償裝置，采用和數(shù)控機床的PMC之間的數(shù)據(jù)交互，來實現(xiàn)定位誤差的補償工作，但是，該發(fā)明同樣是利用預(yù)設(shè)的數(shù)學(xué)模型來計算補償值，也無法在實際使用中對模型進行自學(xué)習(xí)的訓(xùn)練和修正。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有數(shù)控機床誤差補償裝置的不足，提供了一種基于虛擬儀器的數(shù)控機床誤差實時補償系統(tǒng)，可集成數(shù)學(xué)模型擬合和修正、數(shù)據(jù)預(yù)處理和去干涉、誤差實時補償以及歷史數(shù)據(jù)庫建設(shè)等功能，有效 地提高數(shù)控機床的加工精度，使本發(fā)明的補償系統(tǒng)操作簡單，適用性廣，能滿足多種類型數(shù)控機床的誤差補償需求，對于數(shù)控機床誤差實時補償系統(tǒng)的實用化和商業(yè)化推廣的研究工作具有實際意義。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的，本發(fā)明包括誤差補償硬件系統(tǒng)和基于虛擬儀器編程的軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)作為虛擬儀器軟件的載體和執(zhí)行部件，用于實現(xiàn)各功能模塊之間的連接和通訊、數(shù)據(jù)存儲及人機交互。軟件系統(tǒng)采用基于虛擬儀器的編程模式，用于實現(xiàn)溫度和誤差數(shù)據(jù)信號的預(yù)處理、機床誤差數(shù)學(xué)模型的建模、誤差數(shù)據(jù)實時計算、補償系統(tǒng)與PLC間的數(shù)據(jù)交互、專家系統(tǒng)的訓(xùn)練和優(yōu)化、數(shù)據(jù)庫自動識別和優(yōu)化。通過硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的協(xié)同工作，實現(xiàn)數(shù)控機床誤差的實時在線補償。所述的誤差補償硬件系統(tǒng)主要包括工控機、觸摸式顯示器、電阻式溫度傳感器、渦流位移傳感器、溫度轉(zhuǎn)換模塊、位移傳感器變送模塊、A/D轉(zhuǎn)換功能卡、數(shù)據(jù)交互功能卡。工控機通過視頻線和USB線與觸摸顯示器連接，通過485通訊接口與溫度轉(zhuǎn)換模塊連接，采用PCI總線方式與數(shù)據(jù)交互卡和A/D轉(zhuǎn)換功能卡連接，構(gòu)建硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺；觸摸顯示器可實現(xiàn)人機交互功能，用戶可在觸摸式顯示器上輸入和讀出數(shù)據(jù)；電阻式溫度傳感器置于機床的熱源發(fā)生位置，并通過屏蔽電纜與溫度轉(zhuǎn)換模塊連接，將熱源點的溫度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳柚底兓粶囟绒D(zhuǎn)換模塊則完成對熱電阻阻值變化的辨識，通過信號濾波、放大和A/D轉(zhuǎn)換，將采集的熱源溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)槎M制的數(shù)據(jù)格式，并通過RS 485通訊模式，將數(shù)據(jù)傳送到工控機一端；渦流位移傳感器通過屏蔽電纜連接位移傳感器變送模塊，渦流位移傳感器用于測量機床各控制軸的實際誤差值，用于機床建模時的誤差數(shù)據(jù)樣本的采集；位移傳感器變送模塊用于將渦流位移傳感器輸出的信號進行調(diào)理和放大，并轉(zhuǎn)換輸出直流電壓信號；A/D轉(zhuǎn)換功能卡將位移傳感器變送模塊輸出的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒┯嬎銠C處理的數(shù)字信號，并通過PCI總線將數(shù)據(jù)傳送到工控機一端。數(shù)據(jù)交互功能卡一端通過PCI總線與工控機實現(xiàn)通訊，另一端用并口數(shù)據(jù)總線連接到數(shù)控系統(tǒng)的PLC的I/O擴展模塊，實現(xiàn)與機床數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。所述的數(shù)據(jù)交互功能卡，是指數(shù)控機床各控制軸絕對坐標位置輸入卡和控制軸誤差補償值輸出卡。數(shù)控機床各控制軸絕對坐標位置輸入卡通過并口數(shù)據(jù)線與機床PLC的I/O擴展模塊的數(shù)字量輸出接口連接，PLC通過窗口功能讀出機床各控制軸的當前絕對坐標位置，再通過其數(shù)字量輸出接口將坐標值傳送到絕對坐標位置輸入卡；工控機則通過誤差補償值輸出卡將當前各軸的誤差補償數(shù)據(jù)傳送到機床PLC的I/O擴展模塊的數(shù)字量輸入接口，由PLC將補償數(shù)據(jù)送到機床數(shù)控系統(tǒng)處理器端，并激活機床的外部機械原點偏移功能實現(xiàn)實時誤差補所述的基于虛擬儀器的編程模式，是指采用LabVIEW圖形化編程語言作為編程工具，構(gòu)建基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)交互平臺和專家系統(tǒng)，并通過軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理、機床數(shù)學(xué)模型自動建模、控制軸誤差計算、與機床PLC的數(shù)據(jù)交互、專家系統(tǒng)的優(yōu)化以及自學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫識別和優(yōu)化等獨立的功能模塊。所述的溫度和誤差數(shù)據(jù)信號的預(yù)處理，是指對采集的溫度數(shù)據(jù)進行去偶化處理，消除由于溫度測試點相關(guān)性所帶來的模型計算誤差；對采集的誤差數(shù)據(jù)進行零均值化處理，然后再進行平穩(wěn)化處理，消除隨機噪聲和機床系統(tǒng)噪聲引起的誤差。對溫度數(shù)據(jù)和誤差數(shù)據(jù)進行整合，判別誤差敏感方向并將測試數(shù)據(jù)自動保存在專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和自學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫中。所述的機床誤差數(shù)學(xué)模型的建模，其方法為首先，根據(jù)空間齊次坐標變換原理，構(gòu)建機床參考坐標系，并通過刀具和工件之間聯(lián)結(jié)的封閉矢量鏈，構(gòu)建機床綜合誤差數(shù)學(xué)模型的理論計算公式。然后，采用誤差元素建模技術(shù)，根據(jù)誤差敏感方向，針對影響機床加工精度較大的 誤差元素進行建模，采用了基于時間序列算法的建模方法，并結(jié)合正交試驗設(shè)計建模法的校驗，考慮了溫度采集系統(tǒng)噪聲極小化和環(huán)境變化極小化的外部條件，構(gòu)建各誤差元素的數(shù)學(xué)模型。最后，構(gòu)建的各誤差元素數(shù)學(xué)模型自動存儲在專家系統(tǒng)模型庫中，模型系數(shù)存入自學(xué)習(xí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，構(gòu)建的誤差數(shù)學(xué)模型可通過自學(xué)習(xí)系統(tǒng)的訓(xùn)練和修正而實時優(yōu)化。所述的誤差數(shù)據(jù)實時計算，是指在機床實際生產(chǎn)中，根據(jù)機床結(jié)構(gòu)類型、參數(shù)設(shè)置和加工條件、環(huán)境溫度等綜合因素，自動調(diào)用專家系統(tǒng)模型庫中適用的數(shù)學(xué)模型并調(diào)整增益系數(shù)，用溫度轉(zhuǎn)換模塊將敏感熱源點的實時溫度數(shù)據(jù)導(dǎo)入誤差數(shù)學(xué)模型，同時通過數(shù)控機床各控制軸絕對坐標位置輸入卡將坐標值信息也導(dǎo)入模型輸入端，根據(jù)數(shù)學(xué)模型的誤差元素識別判定條件以及計算公式，誤差補償系統(tǒng)自動識別出敏感誤差元素項，并計算出當前各控制軸運行的補償值，計算得到的補償值根據(jù)誤差元素類型自動存放到專家系統(tǒng)的數(shù)據(jù)緩存區(qū)中，在閾值判定和運行條件判定后送入控制軸誤差補償值輸出卡。所述的補償系統(tǒng)與PLC間的數(shù)據(jù)交互，是指第一，機床PLC通過窗口功能讀出機床各控制軸的當前絕對坐標位置，采用并口通訊模式傳送到誤差補償器中，補償器將坐標位置數(shù)據(jù)送入專家系統(tǒng)后進行譯碼和數(shù)據(jù)判定，然后送入數(shù)學(xué)模型的輸入端；第二，經(jīng)誤差數(shù)學(xué)模型計算后的補償值，通過并口通訊模式，傳送到PLC —端，由PLC譯碼后存放到補償值存儲區(qū)中。所述的專家系統(tǒng)的優(yōu)化，是指基于虛擬儀器編程，構(gòu)建機床誤差模型的參數(shù)數(shù)據(jù)檢索表、數(shù)學(xué)模型選擇庫、機床加工參數(shù)表、比例系數(shù)和增益系數(shù)檢索表以及誤差補償值輸出緩存區(qū)、特殊標志位輸出緩沖區(qū)、與自學(xué)習(xí)模型交互接口。其中，參數(shù)數(shù)據(jù)檢索表用于構(gòu)建機床結(jié)構(gòu)類型參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，其內(nèi)容包括機床類型、機床參考坐標系位置、理論數(shù)學(xué)模型齊次坐標變換參數(shù)、溫度采集系統(tǒng)噪聲極小化條件參數(shù)、環(huán)境溫度影響極小化參數(shù)；數(shù)學(xué)模型選擇庫用于根據(jù)參數(shù)數(shù)據(jù)檢索表的信息，選擇適用的誤差補償計算模型，其模型庫中的數(shù)學(xué)模型由專家系統(tǒng)的訓(xùn)練和優(yōu)化得到；機床加工參數(shù)表用于檢索機床實際加工時輸入的加工參數(shù)，相關(guān)加工參數(shù)在系統(tǒng)初始化時由操作人員輸入，誤差補償數(shù)學(xué)模型將根據(jù)機床加工參數(shù)表的檢索結(jié)果對影響因子較大的誤差元素和誤差源進行系數(shù)修正；比例系數(shù)和增益系數(shù)檢索表用于調(diào)整誤差補償數(shù)學(xué)模型中的誤差元素項增益系數(shù)，并根據(jù)溫度采集系統(tǒng)噪聲極小化條件參數(shù)和環(huán)境溫度影響極小化參數(shù)的結(jié)果，修正誤差元素計算公式的比例系數(shù)，用于提高計算公式的準確性；誤差補償值輸出緩存區(qū)用于存放經(jīng)模型計算后得到的各控制軸的補償值；特殊標志位輸出緩沖區(qū)用于輸出補償系統(tǒng)定義的特殊標志位，通過與PLC之間預(yù)先設(shè)定的工作模式協(xié)議，來監(jiān)控補償功能的實施；自學(xué)習(xí)模型交互接口用于連接專家系統(tǒng)與自學(xué)習(xí)模型的數(shù)據(jù)接口連接，用于專家系統(tǒng)的檢索信息輸出到自學(xué)習(xí)模型數(shù)據(jù)庫，而專家系統(tǒng)優(yōu)化信息和數(shù)據(jù)則由自學(xué)習(xí)模型導(dǎo)入到專家系統(tǒng)中。所述的自學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫識別和優(yōu)化，是指基于虛擬儀器編程，構(gòu)建歷史數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)庫、自學(xué)習(xí)修正模塊、與專家系統(tǒng)模型交互接口。歷史數(shù)據(jù)庫用于存放熱源溫度和控制軸誤差的歷史建模數(shù)據(jù)，并可實時保存機床實際加工時的輸入?yún)?shù)值、坐標位置值和溫度數(shù)據(jù)值；自學(xué)習(xí)修正模型用于在同步線程中根據(jù)實時采集的溫度、加工參數(shù)信息以及坐標信息與歷史數(shù)據(jù)的對比和分析，不斷修正誤差元素模型計算公式的系數(shù)，并自動保存修正后的模型，自學(xué)習(xí)修正模塊通過對比新舊模型的誤差比，當達到設(shè)定閾值后即將修正后的模型系統(tǒng)導(dǎo)入專家系統(tǒng)中，因而能夠很好地提高模型的魯棒性和適應(yīng)性，從而提高本機床誤差實時補償系統(tǒng)的精度和可靠性；與專家系統(tǒng)模型交互接口用于和專家系統(tǒng)模型的數(shù)據(jù)連 接。本發(fā)明把誤差補償建模技術(shù)和基于虛擬儀器的軟件補償技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控機床的實時誤差補償，解決了通常誤差補償數(shù)據(jù)輸入預(yù)測性差的缺點，并克服了以前的補償裝置由于芯片計算能力和容量的限制問題而不能在實際使用中對模型進行自學(xué)習(xí)的訓(xùn)練和修正的缺陷，同時由于采用了基于計算機的硬件體系和基于虛擬儀器的軟件工程框架，能夠?qū)崿F(xiàn)完備的數(shù)據(jù)交互能力，并提供多種形式的數(shù)據(jù)檢索功能，同時為機床廠家進一步提高數(shù)控機床的設(shè)計水平提供有價值的參考信息以及有效的分析手段。該系統(tǒng)采用計算機和功能卡、功能模塊相結(jié)合的硬件系統(tǒng)，運用基于虛擬儀器的軟件平臺實現(xiàn)誤差數(shù)學(xué)模型的擬合和實時誤差計算，并且能夠根據(jù)專家系統(tǒng)和自學(xué)習(xí)模型增加建模模型的魯棒性和可靠性，有效地對機床的實時加工進行誤差預(yù)測和補償，提高機床的加工精度。


圖I為本發(fā)明補償系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意2為本發(fā)明補償系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行說明。本實施例在以發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。本發(fā)明的誤差實時補償系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖I所示，包括工控機I、觸摸式顯示器2、電阻式溫度傳感器3、溫度轉(zhuǎn)換模塊4、485通訊接口 5、渦流位移傳感器6、位移傳感器變送模塊7、A/D轉(zhuǎn)換功能卡8、坐標位置輸入卡9、補償值輸出卡10、數(shù)控機床CNC系統(tǒng)11、機床PLC 12、I/O擴展模塊13、數(shù)字量輸入接口 14、數(shù)字量輸出接口 15、機床上熱源位置16、機床運動控制軸17。本實施例硬件系統(tǒng)的具體實施過程如下I.工控機I通過視頻線和USB線與觸摸顯示器2連接，通過485通訊接口 5與溫度轉(zhuǎn)換模塊4連接，采用PCI總線方式與A/D轉(zhuǎn)換功能卡8、坐標位置輸入卡9和補償值輸出卡10連接，構(gòu)建硬件系統(tǒng)平臺。2.觸摸顯示器2用于實現(xiàn)人機交互，操作人員可在觸摸式顯示器上輸入和讀出數(shù)據(jù)。3.電阻式溫度傳感器3置于機床上熱源位置16，并通過屏蔽電纜與溫度轉(zhuǎn)換模塊4連接，將熱源點的溫度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳柚底兓?
4.溫度轉(zhuǎn)換模塊4完成對熱電阻阻值變化的辨識，通過信號濾波、放大和A/D轉(zhuǎn)換，將采集的熱源溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)槎M制的數(shù)據(jù)格式，并通過485通訊接口 5，將數(shù)據(jù)傳送到工控機I中。5.渦流位移傳感器6通過屏蔽電纜連接位移傳感器變送模塊7，渦流位移傳感器6用于測量機床運動控制軸17的實際誤差值，完成機床建模時的誤差數(shù)據(jù)樣本的采集。6.位移傳感器變送模塊7用于將渦流位移傳感器6輸出的信號進行調(diào)理和放大，并轉(zhuǎn)換輸出直流電壓信號。7. A/D轉(zhuǎn)換功能卡8將位移傳感器變送模塊7輸出的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒┯嬎銠C處理的數(shù)字信號，并通過PCI總線將數(shù)據(jù)傳送到工控機I中。8.坐標位置輸入卡9通過并口數(shù)據(jù)線與機床PLC 12的I/O擴展模塊13的數(shù)字量輸出接口 15連接，機床PLC 12過窗口功能從數(shù)控機床CNC系統(tǒng)11中讀出機床運動控制軸17的當前絕對坐標位置，再通過數(shù)字量輸出接口 15將坐標值傳送到絕對坐標位置輸入卡。9.補償值輸出卡10通過并口數(shù)據(jù)線與機床PLC 12的I/O擴展模塊13的數(shù)字量輸入接口 14連接，工控機I通過誤差補償值輸出卡10將當前各軸的誤差補償數(shù)據(jù)傳送到機床PLC 12的數(shù)字量輸入接口 14，再由機床PLC 12將補償數(shù)據(jù)送到數(shù)控機床CNC系統(tǒng)11中，并激活機床的外部機械原點偏移功能實現(xiàn)誤差補償。本發(fā)明的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括溫度和誤差數(shù)據(jù)信號預(yù)處理模塊I、專家系統(tǒng)2、自學(xué)習(xí)系統(tǒng)3、誤差數(shù)學(xué)模型建模子系統(tǒng)4、機床加工參數(shù)表5、參數(shù)數(shù)據(jù)檢索表6、數(shù)學(xué)模型選擇庫7、比例系數(shù)和增益系數(shù)檢索表8、專家系統(tǒng)交互接口 9、誤差數(shù)據(jù)實時計算模塊10、誤差補償值輸出緩存區(qū)11、特殊標志位輸出緩沖區(qū)12、自學(xué)習(xí)修正模塊13、自學(xué)習(xí)系統(tǒng)交互接口 14、歷史數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)庫15、PLC 16、補償值存儲區(qū)17、坐標值存儲區(qū)18、CNC19。本實施例軟件系統(tǒng)的具體實施過程如下I.誤差補償系統(tǒng)的建模步驟(I)采用溫度傳感器和位移傳感器分別采集溫度數(shù)據(jù)和機床各控制軸的誤差數(shù)據(jù)，然后導(dǎo)入溫度和誤差數(shù)據(jù)信號預(yù)處理模塊1，對溫度采樣值進行去偶化處理，消除由于溫度測試點相關(guān)性所帶來的誤差；對誤差采樣值進行零均值化處理和平穩(wěn)化處理，消除隨機噪聲和機床系統(tǒng)噪聲引起的誤差。然后對溫度數(shù)據(jù)和誤差數(shù)據(jù)進行整合，判別誤差敏感方向并將測試數(shù)據(jù)自動保存在專豕系統(tǒng)2和自學(xué)習(xí)系統(tǒng)3中；(2)米用人工輸入和系統(tǒng)自動輸入的方式,將包括機床類型、機床參考坐標系位置、理論數(shù)學(xué)模型齊次坐標變換參數(shù)、溫度采集系統(tǒng)噪聲極小化條件參數(shù)、環(huán)境溫度影響極小化參數(shù)等信息導(dǎo)入?yún)?shù)數(shù)據(jù)檢索表6，并提供給誤差數(shù)學(xué)模型建模子系統(tǒng)4用于建模時的條件設(shè)置；
(3)操作人員輸入相關(guān)加工參數(shù)并導(dǎo)入機床加工參數(shù)表5，誤差數(shù)學(xué)模型建模子系統(tǒng)4根據(jù)機床加工參數(shù)表5的檢索結(jié)果對影響因子較大的誤差元素和誤差源進行系數(shù)修正；(4)誤差數(shù)學(xué)模型建模子系統(tǒng)4的建模過程首先，根據(jù)空間齊次坐標變換原理，構(gòu)建機床參考坐標系，并通過刀具和工件之間聯(lián)結(jié)的封閉矢量鏈，構(gòu)建機床綜合誤差數(shù)學(xué)模型的理論計算公式。然后，采用誤差元素建模技術(shù)，根據(jù)誤差敏感方向，針對影響機床加工精度較大的誤差元素進行建模，采用了基于時間序列算法的建模方法，并結(jié)合正交試驗設(shè)計建模法的校驗，考慮了參數(shù)數(shù)據(jù)檢索表6中溫度采集系統(tǒng)噪聲極小化和環(huán)境變化極小化兩項外部條件，構(gòu)建各誤差元素的數(shù)學(xué)模型。最后，構(gòu)建的各誤差元素數(shù)學(xué)模型自動存儲在專家系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型選擇庫7庫中，模型系數(shù)存入自學(xué)習(xí)系統(tǒng)3中，構(gòu)建的誤差數(shù)學(xué)模型可通過自學(xué)習(xí)系統(tǒng)3的訓(xùn)練和修正而實時優(yōu)化。2.誤差實時補償?shù)膶嵤┎襟E(I)根據(jù)參數(shù)數(shù)據(jù)檢索表6中設(shè)定的機床結(jié)構(gòu)類型、參數(shù)設(shè)置和加工條件、環(huán)境溫度等綜合因素，調(diào)用數(shù)學(xué)模型選擇庫7中適用的的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)機床加工參數(shù)表5以及比例系數(shù)和增益系數(shù)檢索表8調(diào)整增益系數(shù)；(2)PLC 16通過窗口功能從CNC 19讀出機床各控制軸的當前絕對坐標位置，放入PLC 16的坐標值存儲區(qū)18中，通過并口通訊傳送到專家系統(tǒng)2后進行譯碼和數(shù)據(jù)判定，然后送入誤差數(shù)據(jù)實時計算模塊10的輸入端。同時，溫度數(shù)據(jù)也導(dǎo)入誤差數(shù)據(jù)實時計算模塊10的輸入端；(3)誤差數(shù)據(jù)實時計算模塊10根據(jù)溫度和位置坐標信息，自動識別出敏感誤差元素項，并計算當前各控制軸的補償值，計算得到的補償值自動存放到誤差補償值輸出緩存區(qū)11中，通過并口通訊模式，將補償值傳送到PLC 16的補償值存儲區(qū)17中，PLC 16激活外部機械原點偏移功能，使得CNC 19調(diào)用補償值存儲區(qū)17中各控制軸的補償數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)補償。3.專家系統(tǒng)優(yōu)化的實施方法(I)構(gòu)建機床參數(shù)數(shù)據(jù)檢索表6，其內(nèi)容包括機床類型、機床參考坐標系位置、理論數(shù)學(xué)模型齊次坐標變換參數(shù)、溫度采集系統(tǒng)噪聲極小化條件參數(shù)、環(huán)境溫度影響極小化參數(shù)；(2)數(shù)學(xué)模型選擇庫7用于根據(jù)參數(shù)數(shù)據(jù)檢索表的信息，選擇適用的誤差補償計算模型，其模型庫中的數(shù)學(xué)模型由專家系統(tǒng)2的訓(xùn)練和優(yōu)化得到；(3)機床加工參數(shù)表5用于檢索機床實際加工時輸入的加工參數(shù)，相關(guān)加工參數(shù)在系統(tǒng)初始化時由操作人員輸入，誤差數(shù)學(xué)模型建模子系統(tǒng)4將根據(jù)機床加工參數(shù)表的檢索結(jié)果對影響因子較大的誤差元素和誤差源進行系數(shù)修正；(4)比例系數(shù)和增益系數(shù)檢索表8用于調(diào)整數(shù)學(xué)模型選擇庫7中所選模型的誤差元素項增益系數(shù)，并根據(jù)溫度采集系統(tǒng)噪聲極小化條件參數(shù)和環(huán)境溫度影響極小化參數(shù)的結(jié)果，修正誤差元素計算公式的比例系數(shù)，用于提高計算公式的準確性；(5)誤差補償值輸出緩存區(qū)11用于存放經(jīng)誤差數(shù)據(jù)實時計算模塊10計算后得到的各控制軸的補償值；(6)特殊標志位輸出緩沖區(qū)12用于輸出補償系統(tǒng)定義的特殊標志位，通過與PLC、16之間預(yù)先設(shè)定的工作模式協(xié)議，來監(jiān)控補償功能的實施；(7)專家系統(tǒng)交互接口 9用于連接專家系統(tǒng)2與自學(xué)習(xí)系統(tǒng)3，專家系統(tǒng)2的檢索信息可輸出到自學(xué)習(xí)系統(tǒng)3，而優(yōu)化信息和系統(tǒng)參數(shù)則由自學(xué)習(xí)系統(tǒng)3導(dǎo)入到專家系統(tǒng)2中。3.自學(xué)習(xí)系統(tǒng)優(yōu)化的實施方法(I)自學(xué)習(xí)修正模塊13用于在同步線程中根據(jù)實時采集的溫度、加工參數(shù)信息以及坐標信息與歷史數(shù)據(jù)的對比和分析，不斷修正數(shù)學(xué)模型選擇庫7中各誤差元素模型的計算公式，并自動保存修正后的模型，自學(xué)習(xí)修正模塊13通過對比新舊模型的誤差比，當達到設(shè)定閾值后即將修正后的模型系統(tǒng)導(dǎo)入專家系統(tǒng)2中，因而能夠很好地提高模型的魯棒性和適應(yīng)性，從而提高誤差實時補償系統(tǒng)的精度和可靠性；(2)歷史數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)庫15用于存放溫度和控制軸誤差的歷史建模數(shù)據(jù)，并可實時保存機床實際加工時的輸入?yún)?shù)值、坐標位置值和溫度數(shù)據(jù)值； (3)自學(xué)習(xí)系統(tǒng)交互接口 14用于連接自學(xué)習(xí)系統(tǒng)3與專家系統(tǒng)2，將自學(xué)習(xí)修正模塊13優(yōu)化后的信息和系統(tǒng)參數(shù)導(dǎo)入到專家系統(tǒng)2中。
權(quán)利要求
1.一種基于虛擬儀器的數(shù)控機床誤差實時補償系統(tǒng)，其特征在于由誤差補償硬件系統(tǒng)和基于虛擬儀器的軟件系統(tǒng)構(gòu)成硬件系統(tǒng)作為軟件的載體和執(zhí)行部件，用于實現(xiàn)各功能模塊之間的連接和通訊、數(shù)據(jù)存儲及人機交互；軟件系統(tǒng)基于虛擬儀器編程，用于實現(xiàn)溫度和誤差數(shù)據(jù)信號的預(yù)處理、機床誤差數(shù)學(xué)模型的建模、誤差數(shù)據(jù)實時計算、補償系統(tǒng)與PLC之間的數(shù)據(jù)交互、專家系統(tǒng)的優(yōu)化、自學(xué)習(xí)系統(tǒng)的自動識別和優(yōu)化；通過硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的協(xié)同工作，實現(xiàn)數(shù)控機床誤差的實時在線補償； 所述的誤差補償硬件系統(tǒng)包括工控機、觸摸式顯示器、電阻式溫度傳感器、渦流位移傳感器、溫度轉(zhuǎn)換模塊、位移傳感器變送模塊、A/D轉(zhuǎn)換功能卡、數(shù)據(jù)交互功能卡；工控機通過視頻線和USB線與觸摸顯示器連接，用485通訊接口與溫度轉(zhuǎn)換模塊連接，采用PCI總線方式與數(shù)據(jù)交互卡和A/D轉(zhuǎn)換功能卡連接；觸摸顯示器用于實現(xiàn)人機交互，用戶可在觸摸式顯示器上輸入和讀出數(shù)據(jù)；電阻式溫度傳感器安放在機床熱源位置，并通過屏蔽電纜與溫度轉(zhuǎn)換模塊連接，將熱源溫度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳柚底兓粶囟绒D(zhuǎn)換模塊完成對熱電阻阻值變化的辨識，通過信號濾波、放大和A/D轉(zhuǎn)換，將溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)槎M制格式數(shù)據(jù)，并通過RS485通訊模式，將數(shù)據(jù)傳送到工控機；渦流位移傳感器通過屏蔽電纜連接位移傳感器變送 模塊，用于測量機床各控制軸的實際誤差值；位移傳感器變送模塊用于將渦流位移傳感器輸出的信號進行調(diào)理和放大，并轉(zhuǎn)換輸出直流電壓信號；A/D轉(zhuǎn)換功能卡將位移傳感器變送模塊輸出的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒┯嬎銠C處理的數(shù)字信號，并通過PCI總線將數(shù)據(jù)傳送到工控機；數(shù)據(jù)交互功能卡通過PCI總線與工控機實現(xiàn)通訊，另一端用并口數(shù)據(jù)總線連接到數(shù)控系統(tǒng)的PLC的I/O擴展模塊，實現(xiàn)與機床數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的數(shù)據(jù)交互功能卡，其特征是，包括數(shù)控機床各控制軸絕對坐標位置輸入卡和控制軸誤差補償值輸出卡；數(shù)控機床各控制軸絕對坐標位置輸入卡通過并口數(shù)據(jù)線與機床PLC的I/O擴展模塊的數(shù)字量輸出接口連接，PLC通過窗口功能讀出機床各控制軸的當前絕對坐標位置，再通過其數(shù)字量輸出接口將坐標值傳送到絕對坐標位置輸入卡；工控機則通過誤差補償值輸出卡將當前各軸的誤差補償數(shù)據(jù)傳送到機床PLC的I/O擴展模塊的數(shù)字量輸入接口，由PLC將補償數(shù)據(jù)送到機床數(shù)控系統(tǒng)處理器端，并激活機床的外部機械原點偏移功能實現(xiàn)實時誤差補償。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于虛擬儀器的編程模式，其特征是，采用LabVIEW圖形化編程語言作為編程工具，構(gòu)建基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)交互平臺和專家系統(tǒng)，并通過軟件實現(xiàn)溫度和誤差數(shù)據(jù)預(yù)處理、機床數(shù)學(xué)模型自動建模、控制軸誤差計算、與機床PLC的數(shù)據(jù)交互、專家系統(tǒng)的優(yōu)化以及自學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫識別和優(yōu)化等獨立的功能模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的溫度和誤差數(shù)據(jù)的預(yù)處理，其特征是，對溫度采樣數(shù)據(jù)去偶化，消除由于溫度測試點相關(guān)性所帶來的誤差；對誤差采樣數(shù)據(jù)進行零均值化和行平穩(wěn)化處理，消除隨機噪聲和機床系統(tǒng)噪聲引起的誤差；對溫度數(shù)據(jù)和誤差數(shù)據(jù)進行整合，判別誤差敏感方向，并將測試數(shù)據(jù)自動保存在專家系統(tǒng)和自學(xué)習(xí)系統(tǒng)中。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的機床誤差數(shù)學(xué)模型的建模，其特征是，首先，根據(jù)空間齊次坐標變換原理，構(gòu)建機床參考坐標系，并通過刀具和工件之間聯(lián)結(jié)的封閉矢量鏈，構(gòu)建機床綜合誤差數(shù)學(xué)模型的理論計算公式；然后，采用誤差元素建模技術(shù)，根據(jù)誤差敏感方向，針對影響機床加工精度較大的誤差元素進行建模，采用基于時間序列算法的建模方法，并結(jié)合正交試驗設(shè)計建模法的校驗，考慮溫度采集系統(tǒng)噪聲極小化和環(huán)境變化極小化的外部條件，構(gòu)建各誤差元素的數(shù)學(xué)模型；最后，構(gòu)建的各誤差元素數(shù)學(xué)模型自動存儲在專家系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型庫中，模型系數(shù)存入自學(xué)習(xí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，構(gòu)建的誤差數(shù)學(xué)模型可通過自學(xué)習(xí)系統(tǒng)的訓(xùn)練和修正而實時優(yōu)化。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的誤差數(shù)據(jù)實時計算，其特征是，根據(jù)機床結(jié)構(gòu)類型、參數(shù)設(shè)置和加工條件、環(huán)境溫度等綜合因素，自動調(diào)用專家系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型庫中的適用模型并調(diào)整增益系數(shù)，把實時溫度數(shù)據(jù)導(dǎo)入誤差數(shù)學(xué)模型，同時通過數(shù)控機床各控制軸絕對坐標位置輸入卡將坐標值也導(dǎo)入模型，根據(jù)數(shù)學(xué)模型的誤差元素識別判定條件以及計算公式，誤差補償系統(tǒng)自動識別出敏感誤差元素項，并計算出當前各控制軸運行的補償值，所得的補償值根據(jù)誤差元素類型自動存放到專家系統(tǒng)的補償值數(shù)據(jù)緩存區(qū)中，在閾值判定和運行條件判定后送入控制軸誤差補償值輸出卡。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的補償系統(tǒng)與PLC的數(shù)據(jù)交互，其特征是，第一，機床PLC通過窗口功能讀出機床各控制軸的當前絕對坐標位置，采用并口通訊模式傳送到誤差補償器中，補償器將坐標位置數(shù)據(jù)送入專家系統(tǒng)后進行譯碼和數(shù)據(jù)判定，然后送入數(shù)學(xué)模型的輸入端；第二，經(jīng)誤差數(shù)學(xué)模型計算后的補償值，通過并口通訊模式，傳送到PLC端，由PLC譯 碼后存放到補償值存儲區(qū)中。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的所述的專家系統(tǒng)的優(yōu)化，其特征是，基于虛擬儀器編程，構(gòu)建機床誤差模型的參數(shù)數(shù)據(jù)檢索表、數(shù)學(xué)模型選擇庫、機床加工參數(shù)表、比例系數(shù)和增益系數(shù)檢索表以及誤差補償值輸出緩存區(qū)、特殊標志位輸出緩沖區(qū)、與自學(xué)習(xí)模型交互接口 ；其中，參數(shù)數(shù)據(jù)檢索表用于構(gòu)建機床結(jié)構(gòu)類型參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，其內(nèi)容包括機床類型、機床參考坐標系位置、理論數(shù)學(xué)模型齊次坐標變換參數(shù)、溫度采集系統(tǒng)噪聲極小化條件參數(shù)、環(huán)境溫度影響極小化參數(shù)；數(shù)學(xué)模型選擇庫用于根據(jù)參數(shù)數(shù)據(jù)檢索表的信息，選擇適用的誤差補償計算模型，其模型庫中的數(shù)學(xué)模型由專家系統(tǒng)的訓(xùn)練和優(yōu)化得到；機床加工參數(shù)表用于檢索機床實際加工時輸入的加工參數(shù)，相關(guān)加工參數(shù)在系統(tǒng)初始化時由操作人員輸入，誤差補償數(shù)學(xué)模型將根據(jù)機床加工參數(shù)表的檢索結(jié)果對影響因子較大的誤差元素和誤差源進行系數(shù)修正；比例系數(shù)和增益系數(shù)檢索表用于調(diào)整誤差補償數(shù)學(xué)模型中的誤差元素項增益系數(shù)，并根據(jù)溫度采集系統(tǒng)噪聲極小化條件參數(shù)和環(huán)境溫度影響極小化參數(shù)的結(jié)果，修正誤差元素計算公式的比例系數(shù)，用于提高計算公式的準確性；誤差補償值輸出緩存區(qū)用于存放經(jīng)模型計算后得到的各控制軸的補償值；特殊標志位輸出緩沖區(qū)用于輸出補償系統(tǒng)定義的特殊標志位，通過與PLC之間預(yù)先設(shè)定的工作模式協(xié)議，來監(jiān)控補償功能的實施；自學(xué)習(xí)模型交互接口用于連接專家系統(tǒng)與自學(xué)習(xí)模型的數(shù)據(jù)接口連接，用于專家系統(tǒng)的檢索信息輸出到自學(xué)習(xí)模型數(shù)據(jù)庫，而專家系統(tǒng)優(yōu)化信息和數(shù)據(jù)則由自學(xué)習(xí)模型導(dǎo)入到專家系統(tǒng)中。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的自學(xué)習(xí)系統(tǒng)的自動識別和優(yōu)化，其特征是，基于虛擬儀器編程，構(gòu)建歷史數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)庫、自學(xué)習(xí)修正模塊、與專家系統(tǒng)模型交互接口 ；歷史數(shù)據(jù)庫用于存放熱源溫度和控制軸誤差的歷史建模數(shù)據(jù)，并可實時保存機床實際加工時的輸入?yún)?shù)值、坐標位置值和溫度數(shù)據(jù)值；自學(xué)習(xí)修正模型用于在同步線程中根據(jù)實時采集的溫度、力口工參數(shù)信息以及坐標信息與歷史數(shù)據(jù)的對比和分析，不斷修正誤差元素模型計算公式的系數(shù)，并自動保存修正后的模型，自學(xué)習(xí)修正模塊通過對比新舊模型的誤差比，當達到設(shè)定閾值后即將修正后的模型系統(tǒng)導(dǎo)入專家系統(tǒng)中。
全文摘要
一種屬于數(shù)控機床誤差補償技術(shù)領(lǐng)域的基于虛擬儀器的數(shù)控機床誤差實時補償系統(tǒng)。本發(fā)明包括誤差補償硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)作為軟件的載體和執(zhí)行部件，用于實現(xiàn)各功能模塊連接和通訊、數(shù)據(jù)存儲和人機交互。軟件系統(tǒng)基于虛擬儀器編程，用于實現(xiàn)溫度和誤差數(shù)據(jù)信號的預(yù)處理、機床誤差數(shù)學(xué)模型的建模、誤差數(shù)據(jù)實時計算、補償系統(tǒng)與PLC間的數(shù)據(jù)交互、專家系統(tǒng)的優(yōu)化、自學(xué)習(xí)系統(tǒng)的自動識別和優(yōu)化。本發(fā)明采用虛擬儀器技術(shù)和軟件補償技術(shù)法，通過硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的協(xié)同工作，有效地對數(shù)控機床各種加工誤差實現(xiàn)預(yù)測和實時補償，并且根據(jù)專家系統(tǒng)和自學(xué)習(xí)模型提高了補償系統(tǒng)的魯棒性和可靠性，具有操作簡單，適用性廣的特點。
文檔編號G05B19/404GK102736557SQ20111008590
公開日2012年10月17日 申請日期2011年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月7日
發(fā)明者侯廣鋒, 姚曉棟, 姜輝, 楊建國 申請人:姚曉棟, 楊建國