CN102629121A - 数控机床几何与热复合位置误差的智能补偿系统 - Google Patents

Abstract

一种数控机床几何与热复合位置误差的智能补偿系统，包括数控机床、温度实时监测单元、I/O数据交互单元和中央控制单元，其中，中央控制单元包括实时补偿模块、温度信号处理模块、在线自动建模模块、动态调整模块、机床性能分析模块和远程监控模。所述系统能够实时监测外界环境温度和加工工况的变化，并据此实时更新补偿模型，进而对数控机床运动轴的几何与热复合位置误差进行双向补偿。本发明提高了机床加工时的定位精度与重复定位精度，更好地解决了数控机床的精度补偿问题。

Description

数控机床几何与热复合位置误差的智能补偿系统

技术领域

本发明涉及一种机床位置误差补偿装置，具体涉及一种数控机床几何与热复合位置误差的智能补偿系统，属于精密数控装备技术领域。

背景技术

现代数控机床主要采用旋转伺服电机+滚珠丝杆的丝杆螺母副传动方式，丝杆采用“双推.支承”装配方式，即一端固定，另一端可以微量地轴向浮动，这样丝杆受热应力时可以自由地向一端伸长。由于丝杆螺母副的制造误差、装配误差及传动间隙的存在，数控机床在工作中不可避免地存在加工误差，从而形成数控机床传动过程的螺距误差，当工作台反向运动时，还存在反向间隙引起的误差。在大多数的数控系统中，为了补偿螺距误差引起的机床定位误差，通常具有螺距误差补偿功能。在进行螺距误差补偿时，通过激光干涉仪预先测量丝杆螺母副传动系统的螺距误差，然后将补偿数据和其对应的位置存储在数控系统中，加工时，数控系统将机床坐标位置对应的补偿数据叠加到控制指令中，从而实现螺距误差的补偿。

在数控系统自带的螺距误差补偿功能中，误差补偿量与机床坐标位置是彼此对应的，但实际上，当机床工作台运动方向不同时，丝杆与螺母的接触面不相同，通过激光干涉仪测量的定位误差也是不同的，即运动方向不同在同一点的定位误差并不相同。因此，现有的螺距误差补偿系统只能进行单向螺距误差补偿，很难实现高精度的误差补偿。

此外，随着实际切削过程中丝杠螺母副温度的升高，丝杆会以固定端为基准向自由端热膨胀，数控机床运动轴的位置误差亦随之变化，因此，运动轴的位置误差是动态误差，其不仅与机床坐标位置有关，而且还与机床温度场信息有关。而且实验研究发现，热误差是影响加工精度的主要因素，占总加工误差的50％-70％，因此有效的检测出机床加工中产生的热误差并对其实施补偿，将有效提高数控机床加工精度。

此外机床厂家普遍反映，通过预设补偿值或数学补偿模型来补偿机床误差，随着季节气候、外界环境温度、加工工况的变化，补偿精度不能长期有效保持，一段时间后就失去了补偿效果。为了保持补偿系统长期有效的补偿精度，就必须对外界环境温度、加工工况进行有效监控，并据此实时调整补偿模型。

经检索发现，学界对机床热误差的研究都主要集中在主轴热漂移方面，如申请号为201110001213.2，名称为《用于高速精密加工的热误差实时补偿系统及补偿方法》的中国专利申请、机械工程学报上刊登的文章《数控机床热误差补偿模型在线修正方法研究》等，但是随着电主轴的应用，主轴热漂移误差已经能够得到有效控制，所以运动轴的位置热误差成了影响最大的热误差。对于机床螺距误差的研究有：中国专利申请号：200410003487.5、专利名称：《数控机床误差补偿方法及其系统》，此外菲迪亚公司还发明了一种用于数控机床上补偿静态误差的方法和系统(中国专利公开号CN 1308741A)。但这些研究都只对数控机床螺距误差提出了静态补偿措施，是运用预设的不变的补偿模型来确定补偿值，无法在实际使用中随着环境温度和切削工况的变化对补偿模型进行实时更新，鲁棒性不强。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种数控机床几何与热复合位置误差的智能补偿系统，对数控机床运动轴的几何与热复合位置误差进行双向补偿，提高机床加工时的定位精度与重复定位精度，同时能够实时监测外界环境温度、加工工况的变化，并据此实时更新补偿模型，提高补偿模型的鲁棒性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种数控机床几何与热复合位置误差的智能补偿系统，其包括数控机床、温度实时监测单元、I/O数据交互单元和中央控制单元，其中，数控机床包括有床身和数控系统，温度实时监测单元与数控机床的床身连接并且对床身及其环境的温度信息进行采集，该温度实时监测单元还与中央控制单元连接并且将温度信息实时反馈给中央控制单元，I/O数据交互单元与数控机床的数控系统连接并且与之进行数据交互，I/O数据交互单元由数控系统读取包括当前的机床坐标位置、伺服电机方向和冷却液工作状态在内的实时状态信息，并且向数控系统输入补偿值，I/O数据交互单元还与中央控制单元连接并且与之进行数据交互，I/O数据交互单元将当前的实时状态信息输入中央控制单元，中央控制单元根据来自温度实时监测单元的温度信息和来自I/O数据交互单元的实时状态信息，自动实时建立和更新补偿模型，并且将由补偿模型获得的补偿值传输给I/O数据交互单元。

所述的温度实时监测单元包括前后依次连接的温度传感器、温度变送器和数据采集卡，其中，温度传感器分布于数控机床床身上的各温度测量点，数据采集卡连接中央控制单元，温度变送器含有电容式滤波电路并且将温度信号转变成与温度信号成线性关系的电压信号，该温度传感器实时采集温度信息并通过数据采集卡传输给该中央控制单元；所述的温度传感器为pt100电阻式温度传感器，温度变送器为隔离式温度变送器，数据采集卡为PCI-1711。

所述的I/O数据交互单元包括前后依次连接的外部I/O扩展模块、光电耦合电路和输入输出卡，其中，外部I/O扩展模块连接数控机床的数控系统，输入输出卡连接中央控制单元，该外部I/O扩展模块读取数控机床的实时状态信息并经输入输出卡输入到中央控制单元，该输入输出卡自中央控制单元接收补偿值并经外部I/O扩展模块输入数控系统，该光电耦合电路完成数控系统的信号与中央控制单元的信号之间的电平转换；所述的输入输出卡为PCI-1753。

所述的中央控制单元包括有实时补偿模块、温度信号处理模块、在线自动建模模块、动态调整模块和机床性能分析模块，所述实时补偿模块分别与温度信号处理模块、在线自动建模模块、动态调整模块以及I/O数据交互单元相连接，所述温度信号处理模块、动态调整模块与温度实时监测单元相连接，所述机床性能分析模块与I/O数据交互单元相连接。

所述的温度信号处理模块对采集的温度信息进行平稳预处理、保存、提取和自动标定，所述的平稳预处理是指对温度信号进行去噪和平稳处理，所述的温度信息保存、提取是指在测量机床各种热态下的定位误差时，将各温度测点的温度信息保存到温度历史记录数据库中并在后期得以提取，所述的温度信息自动标定是指根据基准温度传感器对其它温度传感器进行包括零位校正和比例系数确定在内的自动标定。

所述的在线自动建模模块提取数控机床的温度信息和实时状态信息，完成补偿模型的自动建模和更新，并将正向与反向各自的补偿模型传递给实时补偿模块；该补偿模型的表达式为：

Er(x，T)＝Er(x)+Er(T)＝Er(x)+tanβ(P_x-P₀)

tanβ＝k₁ΔT_螺母+k₂ΔT_轴承座，

式中，Er(x)为位置误差的几何部分，只与工作台位置有关，

Er(T)为位置误差的热部分，与工作台位置和温度均有关，

tanβ为对应误差曲线的线性拟合斜率，只与温度有关，

P₀为工作台的当前机械坐标位置，P_x为参考点的机械坐标位置，

ΔT_螺母、ΔT_轴承座为机床关键测点的温度变化量，k₁、k₂为增益系数。

所述的动态调整模块实时监测数控机床的温度信息和实时状态信息，并据此修正调整因子，实时更新补偿模型。

所述的实时补偿模块根据数控机床的温度信息、实时状态信息以及动态调整模块反馈的信息，由实时更新的补偿模型确定补偿值并将之输出给数控机床的数控系统。

所述的机床性能分析模块读取补偿前后的数控机床实时状态信息，分析处理获得机床补偿前后的定位精度、重复定位精度、系统偏差和反向间隙，并且输出给数控机床的控制系统。

与现有技术相比，本发明取得了下述有益效果：

本发明就是在控制系统硬件结构与控制方法上采取措施，能够实时监测外界环境温度和加工工况的变化，并据此实时更新补偿模型，提高补偿模型的鲁棒性，进而对数控机床运动轴的几何与热复合位置误差进行双向补偿，提高了机床加工时的定位精度与重复定位精度，更好地解决了数控机床的精度补偿问题。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明中央控制单元的工作流程示意图。

图3为机床位置误差几何部分与热误差的分离示意图。

图4为综合补偿模型的拟合效果图。

图5为动态调整模块的工作原理图。

图6为机床性能分析模块的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例。

本发明基于Labview平台、嵌入式工控机、Advantech多功能数据采集卡开发，以机床的外部原点偏置功能和数控系统PMC窗口读取功能为基础，集温度监测单元、I/O数据交互单元、实时补偿模块、在线自动建模模块、动态调整模块、机床性能分析模块、远程监控模块于一体的智能化控制平台。

所述数控机床几何与热复合位置误差的智能补偿系统能够根据实时采集的机床温度场信息，监测外界环境温度及加工工况的变化，并随之变化引入动态修正因子，实时修正和更新补偿模型，提高补偿模型的鲁棒性，进而对机床运动轴的几何与热复合位置误差进行双向补偿，提高机床加工时的定位精度与重复定位精度。

如图1所示，本发明所述数控机床几何与热复合位置误差的智能补偿系统包括数控机床、温度实时监测单元、I/O数据交互单元和中央控制单元。其中，数控机床包括有床身和数控系统，温度实时监测单元与数控机床的床身连接并且对床身及其环境的温度信息进行采集，该温度实时监测单元还与中央控制单元连接并且将温度信息实时反馈给中央控制单元，I/O数据交互单元与数控机床的数控系统连接并且与之进行数据交互，I/O数据交互单元由数控系统读取包括当前的机床坐标位置、伺服电机方向和冷却液工作状态在内的实时状态信息，并且向数控系统输入补偿值，I/O数据交互单元还与中央控制单元连接并且与之进行数据交互，I/O数据交互单元将当前的实时状态信息输入中央控制单元，中央控制单元根据来自温度实时监测单元的温度信息和来自I/O数据交互单元的实时状态信息，自动实时建立和更新补偿模型，并且将由补偿模型获得的补偿值传输给I/O数据交互单元。

所述的温度实时监测单元主要包括前后依次连接的pt100电阻式温度传感器、隔离式温度变送器和综合数据采集卡PCI-1711。分布在数控机床床身各关键温度测量点上的精度±0.1℃的pt100电阻式温度传感器通过表面镀银的三芯屏蔽线与隔离式温度变送器相连，然后经过隔离式温度变送器后连接到综合数据采集卡PCI-1711的模拟量采集通道上，综合数据采集卡PCI-1711连接中央控制单元，该pt100电阻式温度传感器实时采集温度信息并通过综合数据采集卡PCI-1711实时传输给中央控制单元。所述的隔离式温度变送器的量程为0～50℃，其含有电容式滤波电路，将实时采集的温度信号转变成与温度信号成线性的0～5V电压信号输出，隔离式温度变送器可以将输入和输出信号相隔离，增加了共模抗干扰能力。

所述的I/O数据交互单元主要包括前后依次连接的外部I/O扩展模块、光电耦合电路和数字量输入输出卡PCI-1753。I/O数据交互单元通过外部I/O扩展模块与数控机床的数控系统进行连接以及数据交互，数字量输入输出卡PCI-1753连接中央控制单元。外部I/O扩展模块通过PMC窗口功能读取机床各运动轴的当前机床坐标位置、伺服电机方向、冷却液工作状态等数控机床的实时状态信息，然后经数字量输入输出卡PCI-1753的DI通道输入到中央控制单元，中央控制单元将当前各轴的补偿值经数字量输入输出卡PCI-1753的DO通道传送给外部I/O扩展模块，再由PMC窗口写入功能将补偿值输入数控系统的补偿单元。所述的光电耦合电路主要完成数控系统24V数字信号与中央控制单元5V数字信号之间的电平转换，用光电耦合电路代替继电器，不仅装置体积小，而且节省成本。

所述的中央控制单元是整个数控机床几何与热复合位置误差的智能补偿系统的控制中心，它是以嵌入式工控机为载体，基于Labview平台实现控制算法，该嵌入式工控机型号为UNO 3072LA；中央控制单元主要包括有实时补偿模块、温度信号处理模块、在线自动建模模块、动态调整模块、机床性能分析模块和远程监控模块，所述实时补偿模块分别与温度信号处理模块、在线自动建模模块、动态调整模块以及I/O数据交互单元相连接，所述温度信号处理模块、动态调整模块与温度实时监测单元相连接，所述机床性能分析模块与I/O数据交互单元相连接。整个中央控制单元的工作流程示意图如图2所示。

所述的温度信号处理模块主要是对采集的温度信息进行平稳预处理、保存、提取和自动标定。所述的平稳预处理是指基于VC++语言编写的功能函数对温度信号进行去噪、平稳处理，消除机床振动噪声和测量电路带来的干扰信号，得到平稳的温度信号；所述的温度信息的保存、提取是指在测量机床各种热态下的定位误差时，以设定的文件名、路径、保存格式(支持Excel的*.xls格式和Labview的簇数据类型)将各温度测点的温度信息保存到温度历史记录数据库中，以备在后期的自动建模、实时补偿中提取相关记录；所述的自动标定是指在测量中根据基准温度传感器对其它温度传感器进行自动标定，包括零位校正和比例系数确定，从而保证采集到准确的温度信息。所述的温度历史记录数据库用于存放机床各温度测点的温度信息、冷却液处于不同工作状态下的增益系数检索表，在自动建模和实时补偿时，将记录参数反馈给各个功能模块。

所述的在线自动建模模块提取数控机床的温度信息和实时状态信息，完成补偿模型的自动建模和更新，并将正向与反向各自的补偿模型传递给实时补偿模块。该在线自动建模模块读取指定目录下的激光干涉仪测量文件，提取其中的关键信息，包括机床不同位置的定位误差值、对应的机床坐标位置和机床的运动方向，并对同一方向的多次测量结果进行均值处理，读取温度历史记录文件，提取出不同温度测点下测量机床定位误差时各个温度测点的温度值；根据提取的误差数据、机床坐标位置和运动方向、温度信息，自动调用Matlab函数与VC++语言编写的建模功能模块，完成综合补偿模型的自动建模和更新，并将正向与反向各自的补偿模型传递给实时补偿模块。

数控机床丝杆螺母副的位置误差是动态误差，不仅与机床坐标位置有关，而且与机床的温度场也有关。经实验研究发现，随着机床受热温度升高，机床的定位误差误差曲线形状变化不大，而曲线斜率不断增大。定位热误差曲线随着温度升高，以参考点为基准不断向上呈扇形摆动。因此，如图3所示，可以将数控机床运动轴的位置误差分为几何误差与热误差两部分：几何误差Er(x)即为常温螺距误差，是在机床冷态时测得的定位误差曲线，它只与机床工作台的位置有关，是机床坐标位置的高次多项式拟合函数，拟合次数可以根据定位误差曲线形状动态调整。热误差Er(T)与工作台位置和温度均有关，tanβ是工作台关键测点丝杆螺母、轴承坐温度变化量的多元线性拟合函数，综合补偿模型的建模效果如图4所示。

因此，用以确定补偿值的补偿模型的表达式为：

Er(x，T)＝Er(x)+Er(T)＝Er(x)+tanβ(P_x-P₀)

tanβ＝k₁ΔT_螺母+k₂ΔT_轴承座，

式中，Er(x)为位置误差的几何部分，只与工作台位置有关，

Er(T)为位置误差的热部分，与工作台位置和温度均有关，

tanβ为对应误差曲线的线性拟合斜率，只与温度有关，

P₀为工作台的当前机械坐标位置，P_x为参考点的机械坐标位置，

ΔT_螺母、ΔT_轴承座为机床关键测点的温度变化量，k₁、k₂为增益系数。

所述的动态调整模块实时监测数控机床的温度信息和实时状态信息，并据此修正调整因子，实时更新补偿模型。

机床几何位置误差受环境温度变化影响较大，随季节、室温发生变化，原先预设的补偿值或补偿模型的补偿精度降低。精密加工车间为了减少环境温度的影响，将机床置于20℃的恒温车间中，但恒温车间耗能大、成本高，不经济。

经过ANSYS仿真分析和在不同的季节、室温下测量的大量实验数据验证表明，大气与机床长时间充分接触后，其变化量在运动轴上形成的温度场是均匀温度场，对几何误差的影响如下所示：

ΔEr＝ρ×ΔT_环境×(P_x-P₀)

式中：ΔEr为几何误差的调整因子；

ΔT_环境为环境温度变化量；

ρ为线性热膨胀系数，其与丝杆螺母副材料，装配方式有关。

切削加工时，冷却液是否打开及其工作状态对热误差影响较大。机床各关键测点温度信息不变，而冷却液工作状态发生变化时，机床热误差大小随之变化。为了评估冷却液的影响，减少其对补偿精度的影响，补偿模型需要随其工作状态变化做相应调整。

据此可以在冷却液处于不同工作状况时，分别测量ΔT_螺母与ΔT_轴承座前的增益系数，然后以数据检索表的形式保存在温度历史数据库中，实际切削加工时，根据冷却液的工作状况选择相应的增益系数。

所述的动态调整模块的工作原理如图5所示，其实时监测外部环境温度，与建模时的基准环境温度做比较，并根据变化量ΔT_环境，实时修正动态调整因子ΔEr，对补偿模型的几何部分进行实时修正；同时实时监测机床冷却液是否打开，如果打开，则根据冷却液的工作状况检索温度历史数据库中的工况影响数据记录表，并根据检索结果调整补偿模型中ΔT_螺母与Δ_轴承座的增益系数，对补偿模型的热误差部分进行实时更新。

所述的实时补偿模块，主要负责数据的交互、控制算法的执行和补偿值的输出，其根据数控机床的温度信息、实时状态信息以及动态调整模块反馈的信息，由实时更新的补偿模型确定补偿值并将之输出给数控机床的数控系统。该实时补偿模块从温度实时监测单元PCI-1711的AI通道接收机床各关键测点的实时温度；通过I/O数据交互单元，读取机床的当前坐标位置和伺服电机方向；根据动态调整模块反馈的信息，修正动态调整因子，对补偿模型进行实时更新；根据伺服电机方向调用相应的补偿模型，并根据机床的坐标位置和温度信息，计算确定补偿值，通过I/O数据交互单元将补偿值输出给数控机床的数控系统，对运动轴的复合位置误差进行双向补偿。

所述的机床性能分析模块，其主要负责计算、分析机床补偿前后的精度性能参数，其工作原理结构框图如图6所示。该机床性能分析模块读取补偿前后的激光干涉仪测量文件，提取各个测点在不同运动方向上多次测得的误差信息，调用Matlab Function函数编写的分析模块对提取数据进行分析处理，分别计算出机床补偿前后的定位精度、重复定位精度、系统偏差、反向间隙，并输出给数控机床的控制系统，以波形图的形式在人机交互界面上显示补偿前后的误差曲线对比图。

所述的远程监控模块是基于Labview平台的Web Server网络发布模块，其将所述补偿系统的中央控制单元连接到网络或内部局域网上，操作人员只要输入正确的网络地址和登入密码，就可以在办公室或家中的计算机上通过网络直接操作位于加工现场的数控机床几何与热复合位置误差的智能补偿系统，实时监测温度采集信息和在线动态补偿过程。

下面给出实施例的实施过程，具体实施步骤如下：

1)硬件通讯平台搭建

首先按照结构框图1搭建硬件通讯平台，分布在机床各关键测点的温度传感器通过表面镀银的三芯屏蔽线与温度变送器相连，经过滤波电路后连接到PCI-1711的模拟量采集通道上，将温度信息实时反馈给中央控制单元。由于加工现场环境恶劣，测得的温度值往往不稳定，经电容式滤波电路的滤波和温度预处理模块的预处理，得到温度信号精度要稳定在±0.1℃。

温度信号测量稳定后，应用温度信号处理模块中的温度标定模块，根据基准温度传感器对其它温度传感器进行自动标定，包括零位校正和比例系数确定，从而保证采集到准确的温度信息。

将数控系统的外部I/O扩展模块经光电耦合电路实现电平转换后，与PCI-1753的DI/DO通道相连，使得补偿系统和数控系统能进行数据交互。嵌入式工控机能和数控系统正常通信后，在数控系统的PMC窗口编写相应的PLC程序代码，使得中央处理单元能从数控系统中正确读取X轴、Y轴、Z轴的机械坐标位置和伺服电机方向，此外X轴、Y轴、Z轴各自的补偿值也能写到对应的补偿单元中。最后激活补偿功能(参数EMS置1)，即可启动补偿功能。

嵌入式工控机和数据采集卡是硬件系统的核心部件，其主要性能参数如下：

嵌入式工控机(UNO 3072LA)：结构小巧、性能高，采用Intel的1.6G凌动处理器，1G内存，160G存储硬盘，支持2个PCI扩展槽。

PCI-1711：16路模拟量采集通道，模数转换(A/D)精度为12位，采样速率可达100KHz。

PCI-1753：96路总线型数字量DI/DO卡，每一路的DI/DO模式均可设置。

2)机床几何与热复合位置误差的在线测量

为了对机床运动轴的位置误差进行综合评估与补偿，其常温螺距误差和不同温度下的热态定位误差均需测量。激光干涉仪测量数控机床的定位精度时，测量点的间距根据轴长合理设定，一般取值20～25mm，重复测量次数设定3～5次，并设置双向测量。

在测量热态定位误差时，X、Y、Z轴同时以2000mm/min～4000mm/min的进给速度高速运动模拟实际切削加工，然后在不同的温度节点测量相应工作台的定位误差。以工作台的最敏感温度测点(如丝杆螺母)为标准，其温度每升高0.5℃测量一次定位误差，最后直至机床达到热饱和。

激光干涉仪测量数控机床的定位精度时，同时启用温度实时监测单元采集机床各温度测点的温度信号。经温度信号处理模块的预处理后，将测量期间的温度信息做均值处理后保存在温度历史记录数据库中。

3)综合补偿模型的建立

数控机床丝杆螺母副的位置误差是动态误差，不仅与机床坐标位置有关，与机床的温度场信息也有关。经实验研究发现，随着机床受热温度升高，机床的定位误差误差曲线形状变化不大，而曲线斜率不断增大，定位热误差曲线随着温度升高，以参考点为基准不断向上呈扇形摆动。因此，可以将数控机床运动轴的位置误差的综合补偿模型分为几何误差与热误差两部分：

Er(x，T)＝Er(x)+Er(T)＝Er(x)+tanβ(P_x-P₀)

tanβ＝k₁ΔT_螺母+k₂ΔT_轴承座

式中：Er(x)为位置误差的几何部分，其只与工作台位置有关。

Er(T)为位置误差的热部分，它与工作台位置和温度均有关；

tanβ为对应误差曲线的线性拟合斜率，其只与温度有关；

P₀为工作台的当前机械坐标位置，P_x为参考点的机械坐标位置；

ΔT_螺母、ΔT_轴承座为机床关键测点的温度变化量，k₁、k₂为增益系数。

几何误差Er(x)即为常温螺距误差，是在机床冷态时测得的定位误差曲线，它只与机床工作台的位置有关，是机床坐标位置的高次多项式拟合函数，拟合次数可以根据定位误差曲线形状动态调整。热误差Er(T)与工作台位置和温度均有关，tanβ是工作台关键测点丝杆螺母、轴承坐温度变化量的多元线性拟合函数，用以确定补偿值的补偿模型以上式为表达式。

自动建模模块根据提取的误差数据、温度信息，自动调用Matlab函数与VC++语言编写的建模功能模块，完成综合补偿模型的自动建模，并将正向与反向各自的补偿模型传递给实时补偿模块。

4)实时补偿的实施

首先完成交互参数的设置，包括设定X、Y、Z轴脉冲当量δ、编程方式(直径编程或半径编程)、及参考点坐标位置的设定，之后就可以启动补偿功能。

实时补偿模块从温度采集单元采集机床各关键测点的实时温度，通过I/O数据交互单元，读取机床的当前坐标位置和伺服电机方向。实时补偿模块根据伺服电机方向调用相应的综合补偿模型，并根据机床实时坐标位置和温度信息，计算出补偿值，通过I/O数据交互单元将补偿值输出给数控系统的补偿单元。此外实时补偿模块根据动态调整模块反馈的信息，修正动态调整因子，对补偿模型进行实时更新。

5)现场实验检测

为了验证补偿系统的补偿效果，对机床X轴、Y轴、Z轴的补偿效果均进行了现场测试实验。在机床冷态和热态的各个温度测点下，用激光干涉仪分别测量工作台补偿前后的定位误差，并应用机床性能分析模块对测量数据进行对比分析。为了验证补偿模型的鲁棒性和动态修正因子的改善效果，还需在不同的日期测量模型的补偿效果。

X、Y、Z轴热态定位误差补偿前后对比如下表。

	补偿前(μm)	补偿后(μm)	精度提高百分比
				X轴	35.90	4.60	87.19％
Y轴	25.03	7.20	71.23％
				Z轴	22.03	7.30	66.86％

可见，补偿效果良好，总体可将机床的双向定位精度提高约70％为了进一步验证实际切削加工中，X、Y、Z三轴联动的补偿效果如何，以数控机床出厂检测标准件为例进行了现场切削加工实验，其主要工序为加工一个

的中心圆孔，然后以其为中心在四周加工四个中心距彼此为100mm的

定位孔。数控机床在补偿前、补偿后分别加工一个标准件，并用三坐标测量仪检测标准件的加工效果，主要检测参数为中心圆的圆度误差和4个定位孔的中心距误差。

经三坐标测量仪检测数据如下图所示：

	补偿前	补偿后	精度提高百分比
				中心圆的圆度误差	11um	6um	45.5％
4个定位孔的中心距误差	10um-12um	4um-7um	50.5％

测量结果表明，在实际切削加工中，本发明所述智能补偿系统的补偿效果也是很明显的。

Claims (12)

1.一种数控机床几何与热复合位置误差的智能补偿系统，其特征在于：所述的智能补偿系统包括数控机床、温度实时监测单元、I/O数据交互单元和中央控制单元，其中，数控机床包括有床身和数控系统，温度实时监测单元与数控机床的床身连接并且对床身及其环境的温度信息进行采集，该温度实时监测单元还与中央控制单元连接并且将温度信息实时反馈给中央控制单元，I/O数据交互单元与数控机床的数控系统连接并且与之进行数据交互，I/O数据交互单元由数控系统读取包括当前的机床坐标位置、伺服电机方向和冷却液工作状态在内的实时状态信息，并且向数控系统输入补偿值，I/O数据交互单元还与中央控制单元连接并且与之进行数据交互，I/O数据交互单元将当前的实时状态信息输入中央控制单元，中央控制单元根据来自温度实时监测单元的温度信息和来自I/O数据交互单元的实时状态信息，自动实时建立和更新补偿模型，并且将由补偿模型获得的补偿值传输给I/O数据交互单元。

2.根据权利要求1所述的数控机床几何与热复合位置误差的智能补偿系统，其特征在于：所述的温度实时监测单元包括前后依次连接的温度传感器、温度变送器和数据采集卡，其中，温度传感器分布于数控机床床身上的各温度测量点，数据采集卡连接中央控制单元，温度变送器含有电容式滤波电路并且将温度信号转变成与温度信号成线性关系的电压信号，该温度传感器实时采集温度信息并通过数据采集卡传输给该中央控制单元。

3.根据权利要求2所述的数控机床几何与热复合位置误差的智能补偿系统，其特征在于：所述的温度传感器为pt100电阻式温度传感器，温度变送器为隔离式温度变送器，数据采集卡为PCI-1711。

4.根据权利要求1所述的数控机床几何与热复合位置误差的智能补偿系统，其特征在于：所述的I/O数据交互单元包括前后依次连接的外部I/O扩展模块、光电耦合电路和输入输出卡，其中，外部I/O扩展模块连接数控机床的数控系统，输入输出卡连接中央控制单元，该外部I/O扩展模块读取数控机床的实时状态信息并经输入输出卡输入到中央控制单元，该输入输出卡自中央控制单元接收补偿值并经外部I/O扩展模块输入数控系统，该光电耦合电路完成数控系统的信号与中央控制单元的信号之间的电平转换。

5.根据权利要求4所述的数控机床几何与热复合位置误差的智能补偿系统，其特征在于：所述的输入输出卡为PCI-1753。

6.根据权利要求1所述的数控机床几何与热复合位置误差的智能补偿系统，其特征在于：所述的中央控制单元包括有实时补偿模块、温度信号处理模块、在线自动建模模块、动态调整模块和机床性能分析模块，所述实时补偿模块分别与温度信号处理模块、在线自动建模模块、动态调整模块以及I/O数据交互单元相连接，所述温度信号处理模块与温度实时监测单元相连接，所述机床性能分析模块与I/O数据交互单元相连接。

7.根据权利要求6所述的数控机床几何与热复合位置误差的智能补偿系统，其特征在于：所述的温度信号处理模块对采集的温度信息进行平稳预处理、保存、提取和自动标定，所述的平稳预处理是指对温度信号进行去噪和平稳处理，所述的温度信息保存、提取是指在测量机床各种热态下的定位误差时，将各温度测点的温度信息保存到温度历史记录数据库中并在后期得以提取，所述的温度信息自动标定是指根据基准温度传感器对其它温度传感器进行包括零位校正和比例系数确定在内的自动标定。

8.根据权利要求6所述的数控机床几何与热复合位置误差的智能补偿系统，其特征在于：所述的在线自动建模模块提取数控机床的温度信息和实时状态信息，完成补偿模型的自动建模和更新，并将正向与反向各自的补偿模型传递给实时补偿模块。

9.根据权利要求8所述的数控机床几何与热复合位置误差的智能补偿系统，其特征在于：所述的补偿模型的表达式为：

Er(x，T)＝Er(x)+Er(T)＝Er(x)+tanβ(P_x-P₀)

tanβ＝k₁ΔT_螺母+k₂ΔT_轴承座，

式中，Er(x)为位置误差的几何部分，只与工作台位置有关，

Er(T)为位置误差的热部分，与工作台位置和温度均有关，

tanβ为对应误差曲线的线性拟合斜率，只与温度有关，

P₀为工作台的当前机械坐标位置，P_x为参考点的机械坐标位置，

ΔT_螺母、ΔT_轴承座为机床关键测点的温度变化量，k₁、k₂为增益系数。

10.根据权利要求6所述的数控机床几何与热复合位置误差的智能补偿系统，其特征在于：所述的动态调整模块实时监测数控机床的温度信息和实时状态信息，并据此修正调整因子，实时更新补偿模型。

11.根据权利要求6所述的数控机床几何与热复合位置误差的智能补偿系统，其特征在于：所述的实时补偿模块根据数控机床的温度信息、实时状态信息以及动态调整模块反馈的信息，由实时更新的补偿模型确定补偿值并将之输出给数控机床的数控系统。

12.根据权利要求6所述的数控机床几何与热复合位置误差的智能补偿系统，其特征在于：所述的机床性能分析模块读取补偿前后的数控机床实时状态信息，分析处理获得机床补偿前后的定位精度、重复定位精度、系统偏差和反向间隙，并且输出给数控机床的控制系统。

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