CN102033509B - 数控机床误差虚拟补偿系统 - Google Patents
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Abstract
一种数控机械加工技术领域的数控机床误差虚拟补偿系统，包括：外部数据采集模块、数字建模模块、数据优化模块、动态建模模块、模型泛化模块、误差拟合补偿模块和通讯模块。本发明采用多模块嵌套方式，外部信息采集模块采集环境信息、数控机床信息、切削用量及刀具参数等信息，采集到的信息经动态建模模块及模型泛化模块生成误差模型，经误差拟合模块输出误差拟合曲线，经误差补偿模块输出NC代码，由通讯模块通过COM串行口及RS232串行口实现与CNC的实时通讯和数据采集。本系统可用来预报数控机床在各种切削条件下的综合误差并实现误差实时补偿。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种数控机械加工技术领域的装置，具体是一种数控机床误差虚拟补偿系统。
背景技术
随着数控技术的不断发展，数控机床广泛应用于机械加工各个领域。然而，由于数控机床存在原始静态几何误差以及切削过程中产生的热误差、刀具磨损误差和切削力引起的误差等动态误差因素，这些误差严重影响数控机床的加工精度，特别是在精密及超精密加工中，单靠提高数控机床自身精度难以完全消除这些误差，特别是加工过程中产生的热误差、切削力引起的误差及刀具磨损误差，这类误差属于动态误差，与切削条件(切削用量n、ap、f和刀具参数kr、λs、α0、γ0等)有关。误差补偿是提高数控机床加工精度经济有效的方法，可以在不提高机床本身精度的前提下获得比机床自身精度更高的加工精度，已得到国际公认并已部分应用于数控机床(如刀具半径补偿、刀具长度补偿、丝杠螺距补偿和刀具磨损补偿等)。
由于数控机床误差因素具有多样性、复杂性和动态特性，数控机床误差补偿技术应适应数控机床误差因素的特性并具有鲁棒性。现有技术中，德国的Hermle Harald发明了一种机床热膨胀补偿装置并获得德国专利，该装置可以迅速而精确地补偿数控机床机构在工作过程中产生的线性热膨胀，在机床起动后加热期具有特效。美国的H.Youden David发明了一种可连续测量精密车床热变形装置并获得美国专利，该装置可连续测量精密车床热变形并将这些变形信息传递给机床数控系统，以便数控系统CNC在控制数控机床工作机构移动过程中予以补偿。菲迪亚公司发明了一种用于在数控机床上补偿静态误差的方法和系统(中国专利号CN 1308741A)，该误差补偿系统应用激光测量装置测量数控机床的静态误差，该装置能自动检测测量点并发送合并的数据给控制装置，根据测量数据生成静态误差模型进行误差补偿。
上述技术主要针数控机床的某项误差因素而开发的误差补偿装置，这些误差补偿装置无法实现数控机床误差综合补偿并且不能自动适应加工条件的变化，为实现数控机床综合误差补偿及自动适应不同切削条件下的误差补偿，需要开发一种专门数控机床误差预报与补偿系统。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种数控机床误差虚拟补偿系统，采用多模块嵌套方式，外部信息采集模块采集环境信息、数控机床信息、切削用量及刀具参数等信息，采集到的信息经动态建模模块及模型泛化模块生成误差模型，经误差拟合模块输出误差拟合曲线，经误差补偿模块输出NC代码，由通讯模块通过COM串行口及RS232串行口实现与CNC的实时通讯和数据采集。本系统可用来预报数控机床在各种切削条件下的综合误差并实现误差实时补偿。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：外部数据采集模块、数字建模模块、数据优化模块、动态建模模块、模型泛化模块、误差拟合补偿模块和通讯模块，其中：外部数据采集模块采集外部信息并输出至动态建模模块、模型泛化模块和误差拟合补偿模块，数字建模模块生成零件图形并将建模数据输出至数据优化模块，数据优化模块将工件坐标数据优化后输出至动态建模模块进行误差初建模，动态建模模块通过矩阵运算得到初步误差模型并输出至模型泛化模块，模型泛化模块对初步误差模型进行泛化处理并以最小二乘形式输出误差模型及误差拟合曲线至误差拟合补偿模块，误差拟合补偿模块根据误差模型及工件坐标信息对应其内部集成的通用数控系统的NC代码格式输出NC代码至通讯模块，通讯模块将NC代码输出至CNC数控系统。
所述的外部数据采集模块用于采集数控加工外部信息并将采集到的数据转换为浮点数格式，经数据输出通道以地址传递方式输出至相应模块。
所述的数字建模模块包括：工件坐标输入单元、图形界面单元和数据输出通道，工件坐标输入单元由TextBox控件及数据转换程序组成，用于输入工件坐标系下的工件坐标并将坐标数据转换为浮点数格式；图形界面单元由PictureBox控件及图形生成程序组成，根据工件坐标生成可视化工件图形；数据输出通道由数据存储位和数据传递程序组成，以地址传递方式将工件坐标数据输送至数据优化模块。
所述的数据优化模块包括：数据优化函数单元和优化数据输出通道，其中：数据优化函数单元将数字建模模块生成的零件图形的坐标数据进行优化处理，并将优化后的坐标数据经优化数据输出通道以地址传递方式输出至动态建模模块。
所述的动态建模模块包括：神经网络单元、集成初始权值矩阵和初始阈值矩阵的矩阵运算单元和模型输出通道，其中：经数据优化模块优化后的坐标数据经权值矩阵和阈值矩阵加权处理，通过矩阵运算单元计算后输出至神经网络单元计算误差数据，模型输出通道将误差数据以地址传递方式输出至模型泛化模块，所述的初始权值矩阵和初始阈值矩阵经MATLAB训练获得。
所述的模型泛化模块包括：泛化函数单元和数据输出通道，其中：泛化函数单元根据外部信息采集模块采集到的外部信息数据完成误差模型的泛化处理，数据输出通道将误差模型以地址传递方式输出至误差拟合补偿模块。
所述的误差拟合补偿模块包括：由PictureBox控件、TextBox控件、最小二乘程序及图形生成程序组成的误差拟合单元，用于输出误差拟合曲线、最大最小误差及误差模型至误差拟合单元；由TextBox控件、宏指令代码和通用数控机床NC代码格式组成的NC代码处理单元，用于输出基于宏的NC代码至NC代码处理单元及通讯模块。
本发明不仅可以实现数控机床加工误差的预报，而且可以实现数控机床加工误差的实时补偿，尤其在变切削条件及批量加工中，能够实现动态建模，保证误差补偿模型的鲁棒性，有助于数控机床加工精度的提高。本发明的数控机床误差虚拟补偿系统操作简便，集成了神经网络、库函数、泛化函数单元及优化函数功能，同时该系统可自动适应不同切削条件及各种数控机床，使用方便，适用于各种车削类零件的误差建模及补偿。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为实施例中误差补偿系统单件工件误差拟合曲线及残差示意图。
图3为实施例中误差补偿系统批量工件误差拟合曲线及残差示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：外部数据采集模块、数字建模模块、数据优化模块、动态建模模块、模型泛化模块、误差拟合补偿模块和通讯模块，其中：外部数据采集模块通过环境信息采集单元采集外部信息经数据转换程序及数据输出通道输出至动态建模模块、模型泛化模块、误差拟合补偿模块；数字建模模块根据输入的工件坐标经数据转换程序及图形生成程序生成零件图形，输入的工件坐标数据经数据输出通道以地址传递方式输出至数据优化模块；数据优化模块将工件坐标经优化函数优化后通过数据输出通道以地址传递方式输出至动态建模模块进行误差初建模；动态建模模块集成神经网络单元、初始权值矩阵、初始阈值矩阵和矩阵运算单元，优化后的坐标数据经初始权值矩阵和初始阈值矩阵加权处理后通过矩阵运算及神经网络单元输出初步误差模型并经模型输出通道以地址传递方式输出至模型泛化模块；模型泛化模块根据外部信息经模型泛化函数单元对初步误差模型进行泛化处理并通过数据输出通道以地址传递方式输出至误差拟合补偿模块；误差拟合及补偿模块根据工件坐标及泛化后的误差模型经误差曲线生成程序以最小二乘形式输出误差曲线及误差模型至误差拟合单元，经宏指令代码程序及通用数控代码格式输出NC代码至NC代码处理单元及通讯模块；通讯模块通过通讯协议将NC代码输出至CNC数控系统并实时采集CNC侧的有关数据信息。
所述的外部信息包括：温度、切削液使用情况、机床精度、切削用量和刀具参数信息。
所述的NC代码格式包括：FANUC、SIEMENS、华中数控、广州数控数控等数控系统指令格式。
如图2所示，用本实施例所述的数控机床误差虚拟补偿系统对单件工件的误差拟合及补偿效果。由图2可知，数控机床的单件误差在2.7～12.9μm，并且呈现非线性分布，在精密及超精密加工中，该误差严重超出误差极限范围，通过补偿，误差降低到±1μm，补偿了85％，有效提高数控机床单件加工精度。
如图3所示，用本实施例所述的数控机床误差虚拟补偿系统对批量工件的误差拟合及补偿效果。由图3可知，数控机床的批量加工误差在3.5～65μm，并且呈现动态分布，该误差严重超出误差极限范围，通过补偿，误差降低到3μm，补偿了95％，有效提高数控机床批量加工精度。
根据图2、3和实验结果可以得出，该误差补偿系统具有以下特点：
(1)同时高精度、高可靠地预报单件及批量工件加工误差；
(2)误差补偿总有效率为85％；
(3)可实现不同生成模式下的误差预报及误差补偿。
Claims (6)
1.一种数控机床误差虚拟补偿系统，其特征在于，包括：外部数据采集模块、数字建模模块、数据优化模块、动态建模模块、模型泛化模块、误差拟合补偿模块和通讯模块，其中：外部数据采集模块采集来自数控机床的包括温度、切削液使用情况、机床精度、切削用量和刀具参数的外部信息并输出至动态建模模块、模型泛化模块和误差拟合补偿模块，数字建模模块生成零件图形并将建模数据输出至数据优化模块，数据优化模块将工件坐标数据优化后输出至动态建模模块进行误差初建模，动态建模模块通过矩阵运算得到初步误差模型并输出至模型泛化模块，模型泛化模块对初步误差模型进行泛化处理并以最小二乘形式输出误差模型及误差拟合曲线至误差拟合补偿模块，误差拟合补偿模块根据误差模型及工件坐标信息输出基于宏的NC代码至通讯模块，通讯模块将NC代码输出至CNC数控系统。
2.根据权利要求1所述的数控机床误差虚拟补偿系统，其特征是，所述的外部数据采集模块用于采集数控加工外部信息并将采集到的数据转换为浮点数格式，经数据输出通道以地址传递方式输出至动态建模模块、模型泛化模块和误差拟合补偿模块。
3.根据权利要求1所述的数控机床误差虚拟补偿系统，其特征是，所述的数字建模模块包括：工件坐标输入单元、图形界面单元和数据输出通道，工件坐标输入单元由TextBox控件及数据转换程序组成，用于输入工件坐标系下的工件坐标并将坐标数据转换为浮点数格式；图形界面单元由PictureBox控件及图形生成程序组成，根据工件坐标生成可视化工件图形；数据输出通道由数据存储位和数据传递程序组成，以地址传递方式将工件坐标数据输送至数据优化模块。
4.根据权利要求1所述的数控机床误差虚拟补偿系统，其特征是，所述的数据优化模块包括：数据优化函数单元和优化数据输出通道，其中：数据优化函数单元将数字建模模块生成的零件图形的坐标数据进行优化处理，并将优化后的坐标数据经优化数据输出通道以地址传递方式输出至动态建模模块。
5.根据权利要求1所述的数控机床误差虚拟补偿系统，其特征是，所述的动态建模模块包括：神经网络单元、集成初始权值矩阵和初始阈值矩阵的矩阵运算单元和模型输出通道，其中：经数据优化模块优化后的坐标数据经权值矩阵和阈值矩阵加权处理，通过矩阵运算单元计算后输出至神经网络单元计算误差数据，模型输出通道将误差模型以地址传递方式输出至模型泛化模块，所述的初始权值矩阵和初始阈值矩阵经MATLAB训练获得。
6.根据权利要求1所述的数控机床误差虚拟补偿系统，其特征是，所述的模型泛化模块包括：泛化函数单元和数据输出通道，其中：泛化函数单元根据外部信息采集模块采集到的外部信息数据完成误差模型的泛化处理，数据输出通道将误差模型以地址传递方式输出至误差拟合补偿模块。
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