CN103941642A - 热误差智能检测补偿系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热误差智能检测补偿系统，包括硬件部分和内置于该硬件部分中的软件部分；所述系统硬件部分包括温度传感器、位移传感器、温度采集卡、位移采集卡和计算机；所述系统软件部分包括热误差检测模块、热误差建模模块和热误差补偿模块。本发明可克服现有的热误差检测系统自动化程度不够，效率低和对操作人员的专业水平要求较高的缺点，同时，可提供多种热误差建模算法，快速高效的进行热误差建模，适用于工业现场的机床热误差补偿，另外，具有低成本的优点，可进行大批量数控机床热误差智能检测和热误差补偿。

Description

热误差智能检测补偿系统

技术领域

本发明涉及一种热误差智能检测补偿系统。

背景技术

热误差补偿技术是通过研究数控机床的结构热特性，建立热误差补偿策略，减少热误差影响，提高数控机床精度。在工程实验中，从有限的温度测点中辨识出几个温度关键点即热敏感点，建立热误差补偿模型。将热误差模型导入机床数控系统，通过对热敏感点的温度值检测后得出的热误差补偿量分配到各个轴，从而完成热误差补偿。如申请号为201120033687.0、名称为“数控机床热误差测量系统”的中国专利中公开了一种热误差测量系统，包括温度传感器、位移传感器和数据采集卡及工控机，用于实时保存各温度检测数据及热位移变形量检测数据，利用热误差函数进行实施阶段性建模并进行各温度检测数据及热位移变形量检测数据的精度评定，判断模型的稳定性及精度。又如申请号为201310245088.9、名称为“基于人机界面二次开发的数控机床误差补偿系统及方法”的中国专利中公开了一种数控机床误差补偿系统，通过温度传感器对数控机床热误差实施在线补偿，基于人机界面和DDE读取机床参数，可实现良好的在线状态监控。这两个专利文献中记载的技术方案无法满足数控机床同时进行热误差建模和补偿。现有的热误差检测系统只能进行数据采集，需要专业的人员对所采集的数据进行分析和处理，确立热敏感点和建立热误差模型，效率较低。针对特定的用途，亟需设计专用的热误差检测和补偿系统，既能满足实际需要，又能降低成本，适用于机床企业针对批量生产的机床进行热误差分析和补偿。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热误差智能检测补偿系统。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

包括硬件部分和软件部分；所述硬件部分包括温度传感器、位移传感器、温度采集卡、位移采集卡、控制主板、计算机和数控系统PCU，温度传感器与温度采集卡相连，位移传感器与位移采集卡相连，位移采集卡以及温度采集卡与控制主板相连，控制主板与计算机以及数控系统PCU相连；所述软件部分包括热误差检测模块、热误差建模模块和热误差补偿模块，热误差检测模块采用动态分配站号的方式建立温度采集卡以及位移采集卡与控制主板的多机通信系统，并将温度传感器以及位移传感器采集的温度值和位移值经控制主板发送到计算机，热误差建模模块利用计算机对温度值和位移值进行存储和数字曲线实时显示并根据温度值和位移值建模，得出热敏感点和热误差模型，热误差补偿模块利用数控系统PCU根据热误差模型分析热敏感点温度值得到热变形量，并将热变形量分解到机床各运动轴上后进行热误差补偿。

所述温度传感器为铂热电阻，温度传感器分布在机床的关键温度测点上；所述位移传感器为电涡流位移传感器，位移传感器安装在各运动轴上。

所述温度采集卡以及位移采集卡包括调理电路和下位机，温度传感器或位移传感器测量的模拟信号经调理电路滤波和放大后，再经过下位机转换成数字信号。

所述下位机与控制主板上的上位机之间通过CAN总线形成控制器局域网络，并采用RS485半双工通信；控制主板上的上位机与计算机采用RS232全双工通信。

所述多机通信系统采用的数据流格式为：

起始位+命令+数据个数+数据+校验位+结束位

其中，起始位和结束位中包含温度采集卡或位移采集卡的站号，将待发送数据流中的命令、数据个数和数据求和后作为校验位，校验位作为数据流的一部分发送和接收，若根据接收的数据流计算出的校验和与该数据流的校验位不相等，则舍弃所述接收的数据流，校验和为所述接收的数据流的命令、数据个数和数据的求和结果。

所述动态分配站号的具体步骤如下：

由控制主板给温度采集卡以及位移采集卡逐一发送站号命令，若控制主板得到温度采集卡或位移采集卡的确认回应，则对应温度采集卡或位移采集卡的站号分配完成，下一个温度采集卡或位移采集卡结束等待，并开始接受分配站号，若控制主板没有得到温度采集卡或位移采集卡的确认回应，则控制主板重复发送站号命令，并等待确认回应，若多次发送站号后仍未得到确认回应，则动态分配站号过程结束。

温度采集卡或位移采集卡通过控制主板发送给数控系统PCU或计算机的数据格式如下：

STX+传送数据+ETX+校验和+EOT

其中，STX表示报文开始，ETX表示报文结束，EOT表示结束符，校验和的计算方法为：将每位传送数据转为16进制的ASCII码，然后求和，并取求和结果的末两位。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、可克服现有的热误差检测系统自动化程度低和对操作人员的专业水平要求较高的缺点。

2、可提供多种现有热误差建模算法，快速高效的进行热误差建模，适用于工业现场的机床热误差补偿。

3、具有低成本的优点，适用于大批量数控机床热误差智能检测和热误差补偿。

附图说明

图1是本发明所述热误差智能检测补偿系统技术路线图；

图2是单片机多机通信协议图；

图3是单片机站号初始化时序框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作详细说明。

参见图1，本发明所述热误差智能检测补偿系统包括热误差智能检测补偿系统硬件部分和内置于该硬件部分中的热误差智能检测补偿系统软件部分。

所述硬件部分包括温度传感器、位移传感器、温度采集卡、位移采集卡、控制主板、计算机和数控系统PCU。所述温度传感器为铂热电阻PT100，温度传感器分布在机床的关键温度测点上，测量范围为0-100℃，测量分辨率可达到0.12℃；所述位移传感器为WD502A型电涡流位移传感器，位移传感器用夹具进行夹持，安装在各运动轴上，测量热变形量，量程为2.0mm；所述数控系统PCU为数控系统自带的计算机，数控系统PCU的控制软件存储在该计算机中。温度传感器与温度采集卡相连，位移传感器与位移采集卡相连，位移采集卡以及温度采集卡通过RS485与控制主板相连，控制主板通过RS232串口与计算机以及数控系统PCU相连，从而可以实时将温度传感器测量值以及位移传感器测量值传送到计算机用于监测和建模，或者实时传输温度传感器测量值到数控系统PCU，并根据热误差模型得到机床热变形量用于热误差补偿。所述温度采集卡以及位移采集卡包括调理电路和下位机（单片机C8051F206作为下位机），温度传感器或位移传感器测量的模拟信号经调理电路滤波和放大后，再经过下位机转换成数字信号，对被测量连续多次采样并取均值后发送给控制主板，控制主板可将被测量发送到计算机或数控系统PCU，也可存储在控制主板所包含的128M Nand Flash（K9F1G08U0D-SCB0）中，温度采集卡以及位移采集卡可进行扩展，最多可扩展至8张。所述下位机与控制主板上的上位机（单片机C8051F340作为上位机）之间通过CAN总线形成控制器局域网络，并采用RS485半双工通信，通过动态分配站号实现温度采集卡以及位移采集卡的站号初始化；控制主板上的上位机与计算机采用RS232全双工通信。

所述软件部分包括热误差检测模块、热误差建模模块和热误差补偿模块，热误差检测模块采用C语言编程模式，热误差建模模块和热误差补偿模块采用VB编程模式，热误差检测模块采用动态分配站号的方式建立温度采集卡以及位移采集卡与控制主板的多机通信系统，并将温度传感器以及位移传感器按一定周期循环采集的温度值和位移值经控制主板发送到计算机，热误差建模模块利用计算机对温度值和位移值进行存储和数字曲线实时显示并根据温度值和位移值采用模糊聚类、灰色聚类、遗传算法、多元线性回归等现有的热误差建模方法建模，得出热敏感点和热误差模型，将热误差模型嵌入到热误差补偿模块（数控系统的二次开发模块）后，热误差补偿模块利用数控系统PCU根据所建立的热误差模型分析热敏感点温度值得到热变形量，并将热变形量分解到机床各运动轴上后进行热误差补偿。

参见图2，热误差检测模块通过RS485半双工通信可以方便、快捷地实现多个温度采集卡以及位移采集卡采集数据与控制主板之间的传输。为了保证多机通信的安全可靠，需要建立多机通信协议，所述多机通信系统采用的数据流格式如下：

起始位+命令+数据个数+数据+校验位+结束位

其中，起始位和结束位中包含温度采集卡或位移采集卡的站号，单片机发送时，均使RB8/TB8=1，使得上位机或下位机明白所发的字节为起始位和结束位。将待发送数据流中的命令（16位）、数据个数和数据求和后作为校验位，校验位作为数据流的一部分发送和接收，若根据接收的数据流计算出的校验和与该数据流的校验位不同，则舍弃所述接收的数据流，这样，可大大降低多机通信错误率，校验和为所述接收的数据流的命令、数据个数和数据的求和结果。

考虑到热误差检测模块多机通信时，每一个温度采集卡或位移采集卡应具有唯一站号。另外，热误差检测面向的机床不同和布置的温度传感器以及位移传感器的数目不同，同时为了最大限度的提高温度采集卡以及位移采集卡使用的灵活性，本发明采用动态分配站号的方法。参见图3，所述动态分配站号的具体步骤如下：由控制主板给温度采集卡以及位移采集卡逐一发送站号命令，若控制主板得到温度采集卡或位移采集卡的确认回应，则对应温度采集卡或位移采集卡的站号分配完成，下一个温度采集卡或位移采集卡结束等待，并开始接受分配站号，若控制主板没有得到温度采集卡或位移采集卡的确认回应（例如在5ms内），则控制主板重复发送站号，并等待确认回应，若多次（例如7次）发送站号后仍未得到确认回应，说明没有温度采集卡或位移采集卡，或者温度采集卡或位移采集卡有故障，则动态分配站号过程结束，此时，完成动态分配站号的温度采集卡或位移采集卡都具有唯一站号。

温度采集卡或位移采集卡通过控制主板发送给数控系统PCU或计算机的数据格式如下：

STX（报文开始）+传送数据+ETX（报文结束）+校验和+结束符EOT

其中，校验和：将每位传送数据转为ASCII码的16进制，然后求和，取其末两位。校验和的对象包括STX到ETX之间的数据，不含STX和ETX。如传送数据位01F4CA33，则校验和为30H+31H+46H+34H+43H+41H+33H+33H=1C5H的末两位C5。

数控系统或计算机接收到串口端发送来的数据时，对其进行求和校验。若和接收的校验和不一致，则发生通信出错，返回ENQ（数据请求）给控制主板要求重新发送数据。若连续三次校验不一致，则认为发生通信错误，发送NAK（拒绝接收）信息给控制主板中断连接。若接收数据正常，则发送ACK（通信正常）消息反馈给控制主板。

采集的温度以及位移数据通过串口发送到计算机上的热误差建模模块后，热误差建模模块选择记录数据功能时，生成数据文本文件。根据选通所需记录数据的通道可将对应通道数据写入数据文本并且显示在数据界面中。曲线界面中选通通道可将对应的通道数据以不同颜色显示在曲线界面中。热误差建模模块对温度—位移数据采用模糊聚类、多元线性回归等现有热误差建模方法建模，得出热敏感点和热误差模型。

采用铂热电阻PT100（温度传感器）贴于机床热敏感点，通过温度采集卡采集温度传感器信号并将数据经控制主板以RS232串行通信的方式发送给数控系统PCU。将开发的热误差补偿模块的HMI界面程序嵌入数控系统中，数控系统的串口接收采集自热敏感点的温度值，将其传递给PLC内存中，通过PLC梯形图将相应参数传递到数控系统的NC控制模块，对机床插补指令进行修正，从而实现热误差补偿。

Claims (7)

1.一种热误差智能检测补偿系统，其特征在于：包括硬件部分和软件部分；所述硬件部分包括温度传感器、位移传感器、温度采集卡、位移采集卡、控制主板、计算机和数控系统PCU，温度传感器与温度采集卡相连，位移传感器与位移采集卡相连，位移采集卡以及温度采集卡与控制主板相连，控制主板与计算机以及数控系统PCU相连；所述软件部分包括热误差检测模块、热误差建模模块和热误差补偿模块，热误差检测模块采用动态分配站号的方式建立温度采集卡以及位移采集卡与控制主板的多机通信系统，并将温度传感器以及位移传感器采集的温度值和位移值经控制主板发送到计算机，热误差建模模块利用计算机对温度值和位移值进行存储和数字曲线实时显示并根据温度值和位移值建模，得出热敏感点和热误差模型，热误差补偿模块利用数控系统PCU根据热误差模型分析热敏感点温度值得到热变形量，并将热变形量分解到机床各运动轴上后进行热误差补偿。

2.根据权利要求1所述一种热误差智能检测补偿系统，其特征在于：所述温度传感器为铂热电阻，温度传感器分布在机床的关键温度测点上；所述位移传感器为电涡流位移传感器，位移传感器安装在各运动轴上。

3.根据权利要求1所述一种热误差智能检测补偿系统，其特征在于：所述温度采集卡以及位移采集卡包括调理电路和下位机，温度传感器或位移传感器测量的模拟信号经调理电路滤波和放大后，再经过下位机转换成数字信号。

4.根据权利要求3所述一种热误差智能检测补偿系统，其特征在于：所述下位机与控制主板上的上位机之间通过CAN总线形成控制器局域网络，并采用RS485半双工通信；控制主板上的上位机与计算机采用RS232全双工通信。

5.根据权利要求1所述一种热误差智能检测补偿系统，其特征在于：所述多机通信系统采用的数据流格式为：

起始位+命令+数据个数+数据+校验位+结束位

其中，起始位和结束位中包含温度采集卡或位移采集卡的站号，将待发送数据流中的命令、数据个数和数据求和后作为校验位，校验位作为数据流的一部分发送和接收，若根据接收的数据流计算出的校验和与该数据流的校验位不相等，则舍弃所述接收的数据流，校验和为所述接收的数据流的命令、数据个数和数据的求和结果。

6.根据权利要求1所述一种热误差智能检测补偿系统，其特征在于：所述动态分配站号的具体步骤如下：

由控制主板给温度采集卡以及位移采集卡逐一发送站号命令，若控制主板得到温度采集卡或位移采集卡的确认回应，则对应温度采集卡或位移采集卡的站号分配完成，下一个温度采集卡或位移采集卡结束等待，并开始接受分配站号，若控制主板没有得到温度采集卡或位移采集卡的确认回应，则控制主板重复发送站号命令，并等待确认回应，若多次发送站号后仍未得到确认回应，则动态分配站号过程结束。

7.根据权利要求1所述一种热误差智能检测补偿系统，其特征在于：温度采集卡或位移采集卡通过控制主板发送给数控系统PCU或计算机的数据格式如下：

STX+传送数据+ETX+校验和+EOT

其中，STX表示报文开始，ETX表示报文结束，EOT表示结束符，校验和的计算方法为：将每位传送数据转为16进制的ASCII码，然后求和，并取求和结果的末两位。