本發(fā)明屬于數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償領(lǐng)域，涉及一種嵌入式全生命周期機(jī)床熱誤差補(bǔ)償系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
隨著零部件加工精度和機(jī)床裝配技術(shù)水平的提高，傳統(tǒng)的機(jī)床由于制造和裝配造成的誤差已明顯下降，而之前不是主要因素的熱誤差則占據(jù)了現(xiàn)代加工誤差的40％～70％，熱誤差補(bǔ)償技術(shù)正越來越受到重視。在熱平衡設(shè)計(jì)和熱誤差反向補(bǔ)償這兩種方法中，第二種由于研發(fā)周期短，通用性好而得到廣泛使用。熱誤差反向補(bǔ)償需要高效率，高精度，高可靠性的補(bǔ)償裝置，如申請(qǐng)?zhí)枮?01511020629.3，名稱為“一種精密數(shù)控機(jī)床熱誤差測(cè)量及溫度補(bǔ)償系統(tǒng)”的專利公開了一種利用溫度傳感器和電感位移傳感器綜合建模計(jì)算補(bǔ)償，并將補(bǔ)償量轉(zhuǎn)換為電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)來控制軸的運(yùn)動(dòng)的裝置，此裝置適用于絕大多數(shù)的機(jī)床，且建模較精確，擁有較高精度。但是，在實(shí)際加工零件時(shí)由于電感式傳感器加工時(shí)布置困難，可實(shí)施性較差，并且需要與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接線，如在出廠前機(jī)床未留電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接口，在用戶現(xiàn)場(chǎng)安裝使用此裝置時(shí)極為不便。又如申請(qǐng)?zhí)枮?01610036937.3，名稱為“一種機(jī)床熱變形誤差人工智能補(bǔ)償器及補(bǔ)償方法”的專利公開了一種基于人工智能的補(bǔ)償模型計(jì)算裝置，可根據(jù)激光干涉儀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與溫度傳感器數(shù)據(jù)自動(dòng)學(xué)習(xí)建模。此系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)，可用于多種機(jī)床的實(shí)驗(yàn)建模，但存在兩個(gè)問題，第一個(gè)是每次實(shí)驗(yàn)需要用到激光干涉儀來測(cè)量誤差，對(duì)于單臺(tái)機(jī)床，使用激光干涉儀可以進(jìn)行精確測(cè)量建模，但現(xiàn)在機(jī)床熱誤差的一致性未得到驗(yàn)證，對(duì)于大批機(jī)床需要一一實(shí)驗(yàn)，對(duì)于已經(jīng)銷售的機(jī)床，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)十分困難，不利于用戶的方便使用。第二個(gè)是需要長(zhǎng)時(shí)間占用網(wǎng)口通信，在實(shí)際機(jī)床使用加工時(shí)，網(wǎng)口還需進(jìn)行其他操作，會(huì)對(duì)機(jī)床使用者安排工作造成較大不便。在現(xiàn)有的補(bǔ)償裝置中，建立模型都必須通過電渦流進(jìn)行“五點(diǎn)法”實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差或通過激光干涉儀進(jìn)行誤差測(cè)量，這種測(cè)量作為出廠實(shí)驗(yàn)方法很合適，但對(duì)于用戶來說，對(duì)機(jī)床做實(shí)驗(yàn)需要付出機(jī)床停產(chǎn)，甚至生產(chǎn)線停工的代價(jià)，不利于大規(guī)模推廣。在補(bǔ)償量發(fā)送上，需要通過占用網(wǎng)口或其他plc面板通訊端口方式來實(shí)現(xiàn)，但plc使用時(shí)這些端口還有其他操作要完成，如何合理的安排操作流程對(duì)加工工人的操作水平要求較高。在模型建立上，上述測(cè)量裝置雖然可以較為精確的建立熱誤差模型，但機(jī)床的熱誤差模型是會(huì)隨著機(jī)床的使用而變化的，模型需要及時(shí)的修正，上述建模實(shí)驗(yàn)的操作復(fù)雜，重復(fù)實(shí)驗(yàn)代價(jià)高昂，影響了實(shí)際使用的效果。綜上所述，一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度較高，操作簡(jiǎn)便且適用于工廠生產(chǎn)線中運(yùn)用的熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)是現(xiàn)在所需要的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種嵌入式全生命周期機(jī)床熱誤差補(bǔ)償系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)及方法能夠?qū)崟r(shí)、精確實(shí)現(xiàn)機(jī)床的熱誤差補(bǔ)償，并且操作較為簡(jiǎn)單。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的嵌入式全生命周期機(jī)床熱誤差補(bǔ)償系統(tǒng)包括上位機(jī)、plc控制器、核心控制器、可編程邏輯控制器、溫度濾波調(diào)理電路、存儲(chǔ)芯片以及用于采集機(jī)床溫度的溫度傳感器，其中，溫度傳感器的輸出端經(jīng)溫度濾波調(diào)理電路與可編程邏輯控制器相連接，可編程邏輯控制器與存儲(chǔ)芯片、plc控制器及核心控制器相連接，上位機(jī)與核心控制器相連接。
可編程邏輯控制器與plc控制器之間通過i/o端口相連接。
核心控制器與上位機(jī)之間通過usb接口、rs232接口及網(wǎng)口相連接。
溫度傳感器為pt100鉑熱電阻。
本發(fā)明所述的嵌入式全生命周期機(jī)床熱誤差補(bǔ)償方法包括以下步驟：
用戶向上位機(jī)中輸入工件的理想尺寸，上位機(jī)根據(jù)工件的理想尺寸構(gòu)建補(bǔ)償模型，并將建立的補(bǔ)償模型存儲(chǔ)到存儲(chǔ)芯片中；
核心控制器產(chǎn)生溫度采集指令，并將所述溫度采集指令發(fā)送至可編程邏輯控制器中，可編程邏輯控制器根據(jù)所述溫度采集指令通過溫度傳感器進(jìn)行溫度的采集，其中，溫度傳感器采集機(jī)床的溫度信息，所述機(jī)床的溫度信息經(jīng)溫度濾波調(diào)理電路進(jìn)行濾波及調(diào)理后輸入到可編程邏輯控制器中，plc控制器獲取機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)機(jī)床加工運(yùn)行時(shí)，plc控制器指定i/o端口產(chǎn)生高電平信號(hào)，再將所述高電平信號(hào)輸入到可編程邏輯控制器中并由核心控制器讀取，核心控制器根據(jù)所述高電平信號(hào)控制可編程邏輯控制器從存儲(chǔ)芯片中提取補(bǔ)償模型的升溫公式，并機(jī)床的溫度信息代入補(bǔ)償模型的升溫公式中，得機(jī)床熱誤差補(bǔ)償值，然后將機(jī)床熱誤差補(bǔ)償值發(fā)送至上位機(jī)及plc控制器中；當(dāng)機(jī)床沒有加工運(yùn)行時(shí)，plc控制器指定i/o端口產(chǎn)生低電平信號(hào)，并將所述低電平信號(hào)輸入到可編程邏輯控制器中并由核心控制器讀取，核心控制器根據(jù)所述低電平信號(hào)控制可編程邏輯控制器從存儲(chǔ)芯片中提取補(bǔ)償模型的降溫公式，并將機(jī)床的溫度信息代入補(bǔ)償模型的降溫公式，得機(jī)床的熱誤差補(bǔ)償值，然后將機(jī)床的熱誤差補(bǔ)償值發(fā)送至上位機(jī)及plc控制器中；
核心控制器根據(jù)機(jī)床熱誤差補(bǔ)償值進(jìn)行機(jī)床的熱誤差補(bǔ)償，完成嵌入式全生命周期機(jī)床熱誤差補(bǔ)償。
用戶向上位機(jī)中輸入工件的尺寸，上位機(jī)根據(jù)工件的尺寸構(gòu)建補(bǔ)償模型，并將構(gòu)建的補(bǔ)償模型存儲(chǔ)到存儲(chǔ)芯片中的具體操作為：
1)用戶將工件的理想尺寸輸入到上位機(jī)中，上位機(jī)將工件的理想尺寸作為誤差計(jì)算基準(zhǔn)，并設(shè)置允許的公差帶；
2)當(dāng)加工完一件工件時(shí)，則實(shí)測(cè)該工件的尺寸，并將該工件的實(shí)測(cè)尺寸輸入到上位機(jī)中；
3)上位機(jī)根據(jù)工件的實(shí)測(cè)尺寸與工件的理想尺寸計(jì)算補(bǔ)償量，同時(shí)存儲(chǔ)工件的溫度、尺寸及補(bǔ)償量；
4)上位機(jī)根據(jù)工件的溫度、尺寸及補(bǔ)償量運(yùn)用多目標(biāo)粒子群智能算法計(jì)算補(bǔ)償模型，然后將補(bǔ)償模型存儲(chǔ)到存儲(chǔ)芯片中。
本發(fā)明具有以下有益效果：
本發(fā)明所述的嵌入式全生命周期機(jī)床熱誤差補(bǔ)償系統(tǒng)及方法在具體操作時(shí)，先構(gòu)建補(bǔ)償模型，再將補(bǔ)償模型存儲(chǔ)到存儲(chǔ)芯片中，然后根據(jù)機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)機(jī)床的溫度信息利用補(bǔ)償模型的降溫公式及補(bǔ)償模型的升溫公式進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，得到補(bǔ)償熱誤差補(bǔ)償值，然后再將機(jī)床熱誤差補(bǔ)償值發(fā)送至上位機(jī)及plc控制器中，實(shí)現(xiàn)加工的同時(shí)記錄尺寸計(jì)算補(bǔ)償值，適用于生產(chǎn)線等大批量生產(chǎn)條件，同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的熱誤差的精確補(bǔ)償。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明的原理圖。
其中，1為plc控制器、2為上位機(jī)、3為可編程邏輯控制器、4為核心控制器、5為溫度濾波調(diào)理電路、6為存儲(chǔ)芯片、7為溫度傳感器。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：
參考圖1，本發(fā)明所述的嵌入式全生命周期機(jī)床熱誤差補(bǔ)償系統(tǒng)包括上位機(jī)2、plc控制器1、核心控制器4、可編程邏輯控制器3、溫度濾波調(diào)理電路5、存儲(chǔ)芯片6以及用于采集機(jī)床溫度的溫度傳感器7，其中，溫度傳感器7的輸出端經(jīng)溫度濾波調(diào)理電路5與可編程邏輯控制器3相連接，可編程邏輯控制器3與存儲(chǔ)芯片6、plc控制器1及核心控制器4相連接，上位機(jī)2與核心控制器4相連接。
可編程邏輯控制器3與plc控制器1之間通過i/o端口相連接；核心控制器4與上位機(jī)2之間通過usb接口、rs232接口及網(wǎng)口相連接；溫度傳感器7為pt100鉑熱電阻。
本發(fā)明所述的嵌入式全生命周期機(jī)床熱誤差補(bǔ)償方法包括以下步驟：
用戶向上位機(jī)2中輸入工件的理想尺寸，上位機(jī)2根據(jù)工件的理想尺寸構(gòu)建補(bǔ)償模型，并將建立的補(bǔ)償模型存儲(chǔ)到存儲(chǔ)芯片6中；
核心控制器4產(chǎn)生溫度采集指令，并將所述溫度采集指令發(fā)送至可編程邏輯控制器3中，可編程邏輯控制器3根據(jù)所述溫度采集指令通過溫度傳感器7進(jìn)行溫度的采集，其中，溫度傳感器7采集機(jī)床的溫度信息，所述機(jī)床的溫度信息經(jīng)溫度濾波調(diào)理電路5進(jìn)行濾波及調(diào)理后輸入到可編程邏輯控制器3中，plc控制器1獲取機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)機(jī)床加工運(yùn)行時(shí)，plc控制器1指定i/o端口產(chǎn)生高電平信號(hào)，再將所述高電平信號(hào)輸入到可編程邏輯控制器3中并由核心控制器4讀取，核心控制器4根據(jù)所述高電平信號(hào)控制可編程邏輯控制器3從存儲(chǔ)芯片6中提取補(bǔ)償模型的升溫公式，并機(jī)床的溫度信息代入補(bǔ)償模型的升溫公式中，得機(jī)床熱誤差補(bǔ)償值，然后將機(jī)床熱誤差補(bǔ)償值發(fā)送至上位機(jī)2及plc控制器1中；當(dāng)機(jī)床沒有加工運(yùn)行時(shí)，plc控制器1指定i/o端口產(chǎn)生低電平信號(hào)，并將所述低電平信號(hào)輸入到可編程邏輯控制器3中并由核心控制器4讀取，核心控制器4根據(jù)所述低電平信號(hào)控制可編程邏輯控制器3從存儲(chǔ)芯片6中提取補(bǔ)償模型的降溫公式，并將機(jī)床的溫度信息代入補(bǔ)償模型的降溫公式，得機(jī)床的熱誤差補(bǔ)償值，然后將機(jī)床的熱誤差補(bǔ)償值發(fā)送至上位機(jī)2及plc控制器1中；
核心控制器4根據(jù)機(jī)床熱誤差補(bǔ)償值進(jìn)行機(jī)床的熱誤差補(bǔ)償，完成嵌入式全生命周期機(jī)床熱誤差補(bǔ)償。
所述核心處理器與可編程邏輯控制器3之間傳輸指令的操作方式與訪問存儲(chǔ)芯片6的方式相同，命令格式如下：
操作類型+(操作地址)+操作內(nèi)容+(數(shù)據(jù))
存儲(chǔ)芯片6將補(bǔ)償后機(jī)床的溫度信息進(jìn)行分區(qū)存儲(chǔ)，每個(gè)分區(qū)數(shù)據(jù)的起始地址索引會(huì)統(tǒng)一保存在存儲(chǔ)芯片6的劃定位置，以方便獲取指定時(shí)間的機(jī)床溫度數(shù)據(jù)。在實(shí)際操作中，下位機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)之前先讀取上次數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地址，并在上次數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地址后尋找尚未使用的空存儲(chǔ)區(qū)，然后再空存儲(chǔ)區(qū)中建立本次數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的地址。
通過光耦將plc控制器1的i/o接口與下位機(jī)的i/o接口相隔離。
所述系統(tǒng)補(bǔ)償工作流程如下：當(dāng)上位機(jī)2通過usb接口或rs232串口將補(bǔ)償模型經(jīng)核心控制器4及可編程邏輯控制器3存儲(chǔ)到存儲(chǔ)芯片6中，可編程邏輯控制器3每獲取一次溫度數(shù)據(jù)，核心控制器4就會(huì)通過所述補(bǔ)償模型對(duì)該溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行一次溫度補(bǔ)償，其中，補(bǔ)償模型在nandflash芯片中的存儲(chǔ)格式如下：
軸號(hào)+補(bǔ)償系數(shù)1+補(bǔ)償系數(shù)2+…補(bǔ)償系數(shù)n+偏置調(diào)整值
補(bǔ)償值計(jì)算公式如下：
溫度1*補(bǔ)償系數(shù)1+溫度2*補(bǔ)償系數(shù)2…溫度n*補(bǔ)償系數(shù)n+偏置調(diào)整值；
另外，上位機(jī)2提出存儲(chǔ)芯片6中機(jī)床的溫度信息，并根據(jù)機(jī)床的溫度信息繪制機(jī)床的溫度曲線，同時(shí)回放查看機(jī)床的溫度信息，并建立機(jī)床的溫度信息與工件誤差的關(guān)系建立模型。
本發(fā)明運(yùn)用多目標(biāo)智能算法粒子群算法計(jì)算補(bǔ)償模型，具體的，根據(jù)機(jī)床的結(jié)構(gòu)特性、機(jī)床材料的熱特性及機(jī)床工作環(huán)境確定目標(biāo)函數(shù)及約束條件，然后再結(jié)合粒子群算法及多目標(biāo)回歸分析得補(bǔ)償模型其中，所述目標(biāo)函數(shù)及約束條件的計(jì)算過程為：
基本多目標(biāo)智能算法粒子群算法的框架為：
x＝[x1,x2,…,xd]t
minf(x)＝{f1(x),f2(x),…,fm(x)}
s.t.x∈s＝{xgj(x)≤0,j＝1,2,…,p}
其中：補(bǔ)償模型溫度系數(shù)x＝[x1,x2,…,xd]t，d由選取熱關(guān)鍵點(diǎn)的個(gè)數(shù)決定，熱關(guān)鍵的個(gè)數(shù)隨機(jī)床結(jié)構(gòu)的變化而不同；
fk(x)為第k個(gè)目標(biāo)函數(shù)，即搜索尋優(yōu)的判據(jù)；
gj(x)≤0，gj(x)為第j個(gè)不等式約束條件，可以省略；
s為決策變量可行域。
則本發(fā)明中的目標(biāo)函數(shù)及約束條件為：
其中：目標(biāo)函數(shù)f1(x)的意義是溫度和系數(shù)乘積算出的補(bǔ)償量與測(cè)量誤差曲線最接近；
所述上位機(jī)2軟件的工件實(shí)時(shí)建模模塊由使用者通過向上位機(jī)2中輸入工件尺寸來對(duì)機(jī)床的熱誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)玫?，具體建模步驟如下：
1)在機(jī)床開始加工前，布置溫度傳感器7至溫度測(cè)點(diǎn)，將核心控制器4與上位機(jī)2接好；
2)加工者將工件的理想尺寸輸入到上位機(jī)2中作為誤差計(jì)算基準(zhǔn)，并設(shè)置允許的公差帶；
3)每加工完成一件工件，則將實(shí)測(cè)工件尺寸輸入進(jìn)上位機(jī)2中；
4)上位機(jī)2根據(jù)工件尺寸的變化情況進(jìn)行補(bǔ)償值的輸入，具體當(dāng)連續(xù)m個(gè)工件的變化超過預(yù)設(shè)值時(shí)，上位機(jī)2進(jìn)行計(jì)算補(bǔ)償量，補(bǔ)償值設(shè)置為n個(gè)尺寸超過設(shè)定預(yù)設(shè)值的工件的誤差的均值或預(yù)設(shè)的固定值；
5)上位機(jī)2記錄溫度、尺寸及補(bǔ)償操作信息，儲(chǔ)存并生成文件，文件格式如下：
尺寸+溫度+加補(bǔ)償誤差+未加補(bǔ)償誤差+本次補(bǔ)償值+總補(bǔ)償值
6)加工結(jié)束后，上位機(jī)2根據(jù)保存的文件和溫度數(shù)據(jù)文件運(yùn)用多目標(biāo)粒子群智能算法算出新的補(bǔ)償模型，并將補(bǔ)償模型存儲(chǔ)到存儲(chǔ)芯片6中。
所述溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的全生命周期補(bǔ)償模塊是除上述基礎(chǔ)建模外的擴(kuò)展功能，下位機(jī)可以將機(jī)床全生命周期運(yùn)轉(zhuǎn)狀況以及模型變更情況記錄到nandflash存儲(chǔ)芯片6。如果使用者發(fā)現(xiàn)已有模型出現(xiàn)偏差時(shí)，可以運(yùn)行工件實(shí)時(shí)建?；螂x線建模程序根據(jù)機(jī)床運(yùn)行狀況的變化建立新的模型替代原有模型，模型變更記錄會(huì)存儲(chǔ)在nandflash存儲(chǔ)芯片6，并作為以后建立全生命周期模型的學(xué)習(xí)樣本。如果同型號(hào)機(jī)床有足夠的全生命周期的狀態(tài)及誤差和模型修正變化數(shù)據(jù)，可通過編制的軟件通過數(shù)據(jù)挖掘算法直接找出其規(guī)律并根據(jù)機(jī)床運(yùn)行時(shí)間等自動(dòng)切換模型。全生命周期建模方法如下：
1)使用者建立機(jī)床各個(gè)特征的量化形式，所述特征包括床型、工作環(huán)境、工作溫度、加工類型及使用頻率；量化是指將文字描述的指標(biāo)以數(shù)字形式表達(dá)出來；
2)根據(jù)量化指標(biāo)將不同機(jī)床聚類分析，指標(biāo)相近的機(jī)床聚類為一組樣本；
3)運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)歸類出一組樣本的全生命周熱誤差變化規(guī)律并作為知識(shí)積累起來；
4)根據(jù)給定要進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償機(jī)床的量化指標(biāo)，將與工作狀況最接近的學(xué)習(xí)樣本機(jī)床的補(bǔ)償公式導(dǎo)入至要進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償機(jī)床的存儲(chǔ)芯片6中，根據(jù)使用時(shí)間改變核心處理器計(jì)算所使用的補(bǔ)償模型，實(shí)現(xiàn)機(jī)床全生命周期的誤差補(bǔ)償。