CN115284070B - 数控机床负载定位误差补偿方法、装置、电子设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种数控机床负载定位误差补偿方法、装置、电子设备及介质，其方法包括：测量预设切削参数下的切削力，并建立切削力经验公式；基于切削力经验公式测量数控机床移动部件在切削负载工况下的第一定位误差；基于第一定位误差计算回归系数，并基于回归系数建立定位误差与进给位置的第一函数关系模型；获取不同切削力下的回归系数值，并基于回归系数值与不同切削力的对应关系建立定位误差、进给位置及切削力的第二函数关系模型；基于第一函数关系模型、第二函数关系模型预测并补偿数控机床移动部件的第二定位误差。本发明体现了定位误差随切削力及进给位置的变化特征，提高了数控机床在切削负载工况下的误差补偿精度。
Description
技术领域
本发明涉及数控机床技术领域，尤其涉及一种数控机床负载定位误差补偿方法、装置、电子设备及介质
背景技术
数控机床是当代机械制造业的主流装备，其进给系统的定位精度是影响数控机床加工精度和工作稳定性的重要因素。
传统的误差补偿方法主要在空载工况下对定位误差数据进行测量，建立相应的误差模型，并将其嵌入到数控系统中，在机床运动时对采样点进行补偿。该方法虽然可以在一定程度上提高了机床的定位精度，但是由于没有考虑机床在切削加工时的力变形误差。当机床处于切削加工状态时，切削负载力经传动链传递到进给系统部件上，会使进给系统产生弹性变形，而由这部分弹性变形引起的力变形误差对进给系统的定位精度有较大影响，进而使负载工况下的定位误差更加复杂。此外，传统的误差补偿方法没有考虑切削力对定位误差的影响，所建立的误差模型应用也较为局限，且该方法随着时间的推移补偿效果也逐渐降低。
因此如何解决在数控机床切削加工时的由于力变形误差导致的机床定位精度低，是一个亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种数控机床负载定位误差补偿方法、装置、电子设备及介质，用以解决根据现有误差模型对数控机床进行误差补偿后机床定位精度较低的问题。
为了解决上述问题，第一方面，本发明提供一种数控机床负载定位误差补偿方法，包括：
测量预设切削参数下的切削力，并建立切削力经验公式；
基于所述切削力经验公式测量数控机床移动部件在切削负载工况下的第一定位误差；
基于所述第一定位误差计算回归系数，并基于所述回归系数建立定位误差与进给位置的第一函数关系模型；
获取不同切削力下的回归系数值，并基于所述回归系数值与不同切削力的对应关系建立定位误差、进给位置及切削力的第二函数关系模型；
基于所述第一函数关系模型、第二函数关系模型预测并补偿数控机床移动部件的第二定位误差。
进一步的，所述预设切削参数包括主轴转速、每齿进给量、切削宽度以及切削深度；
所述测量预设切削参数下的切削力，包括：
对主轴转速、每齿进给量、切削宽度以及切削深度进行正交试验，获取多个切削参数组，并测量每一切削参数组对应的切削力。
进一步的，所述方法还包括：
利用多元线性回归对所述切削力经验公式的主轴转速、每齿进给量、切削宽度及切削深度进行辨识。
进一步的，所述基于所述切削力经验公式测量数控机床移动部件在切削负载工况下的第一定位误差，包括：
基于所述切削力经验公式检测在指定切削力下数控机床移动部件的第一实际位移值与第一理论位移值，并根据第一实际位移值与第一理论位移值的差值结果确定数控机床移动部件在切削负载工况下的第一定位误差。
进一步的，所述基于所述回归系数建立定位误差与进给位置的第一函数关系模型，包括：
对所述回归系数进行方差分析及检验，并将检验结果通过正交函数回代建立定位误差与进给位置的第一函数关系模型。
进一步的，所述基于所述回归系数值与不同切削力的对应关系建立定位误差、进给位置及切削力的第二函数关系模型，包括：
采用牛顿插值方法计算回归系数值与不同切削力的对应关系的各阶差商，并基于各阶差商建立回归系数与切削力的插值方程；
基于所述插值方程建立定位误差、进给位置与切削力的第二函数关系模型。
进一步的，所述基于所述第一函数关系模型、第二函数关系模型预测并补偿数控机床移动部件的第二定位误差，包括：
在数控机床运动过程中，通过上位机将控制指令发送到I/O端子，以实时记录移动部件的第二实际位移值与第二理论位移值，并基于第一函数关系模型预测数控机床移动部件的第二定位误差；
基于所述第二定位误差通过上位机将补偿指令发送至虚拟主轴，以使虚拟主轴与移动部件的电机实轴进行耦合；
将所建立的第二函数关系模型以电子凸轮的形式导入数控机床的控制系统中，以使控制系统中采用电子凸轮表的形式，利用虚拟主轴的理论运动实现对电机实轴的第二定位误差补偿。
第二方面，本发明还提供一种数控机床负载定位误差补偿装置包括：
第一测量模块，用于测量预设切削参数下的切削力，并建立切削力经验公式；
第二测量模块，用于基于所述切削力经验公式测量数控机床移动部件在切削负载工况下的第一定位误差；
第一模型建立模块，用于基于所述第一定位误差计算回归系数，并基于所述回归系数建立定位误差与进给位置的第一函数关系模型；
第二模型建立模块，用于获取不同切削力下的回归系数值，并基于所述回归系数值与不同切削力的对应关系建立定位误差、进给位置及切削力的第二函数关系模型；
误差补偿模块，用于基于所述第一函数关系模型、第二函数关系模型预测并补偿数控机床移动部件的第二定位误差。
第三方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述数控机床负载定位误差补偿方法中的步骤。
第四方面，本发明还提供一种计算机存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述数控机床负载定位误差补偿方法中的步骤。
采用上述实施例的有益效果是：本发明基于数控机床移动部件在切削负载工况下的第一定位误差建立定位误差与进给位置的建立第一函数关系模型，又通过不同切削力下的回归系数值，建立定位误差、进给位置及切削力三者之间的第二函数关系模型，即在建立数控机床在切削负载工况下的第一、第二函数关系模型的过程中，考虑了切削加工过程中的力变形误差，解决了传统误差模型应用局限的问题，并且根据第一、第二函数关系模型预测移动部件未来时刻的定位误差值，并对移动部件进行误差补偿。体现了定位误差随切削力及进给位置的变化特征，提高了数控机床在切削负载工况下的误差补偿精度。
附图说明
图1为本发明提供的数控机床负载定位误差补偿方法的一实施例的流程示意图；
图2为本发明一实施例提供的一种搭载双驱进给系统的龙门机床结构图；
图3为本发明一实施例测得的原始定位误差预测模型参考图；
图4是本发明一实施例建立的理论定位误差预测模型参考图；
图5为本发明一实施例中基于虚拟轴的电子凸轮补偿方法原理图；
图6为本发明一实施例中提供的未补偿定位误差、仅补偿空载定位误差与补偿负载定位误差的补偿结果对比图；
图7为本发明提供的数控机床负载定位误差补偿装置的一实施例的结构示意图；
图8为本发明提供的一种电子设备的一实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。此外，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
当机床处于切削加工状态时，切削负载力经传动链传递到进给系统部件上，会使进给系统产生弹性变形，而由这部分弹性变形引起的力变形误差对进给系统的定位精度有较大影响，进而使负载工况下的定位误差更加复杂。故在建立误差模型的过程中，需要考虑到切削力的影响，进而使得构建的误差模型可以精准实现补偿。
以下分别对具体实施例进行详细说明：
请参阅图1，图1为本发明提供的数控机床负载定位误差补偿方法的一实施例的流程示意图，本发明的一个具体实施例，公开了一种数控机床负载定位误差补偿方法，包括：
步骤S101：测量预设切削参数下的切削力，并建立切削力经验公式；
步骤S102：基于切削力经验公式测量数控机床移动部件在切削负载工况下的第一定位误差；
步骤S103：基于第一定位误差计算回归系数，并基于回归系数建立定位误差与进给位置的第一函数关系模型；
步骤S104：获取不同切削力下的回归系数值，并基于回归系数值与不同切削力的对应关系建立定位误差、进给位置及切削力的第二函数关系模型；
步骤S105：基于第一函数关系模型、第二函数关系模型预测并补偿数控机床移动部件的第二定位误差。
通过测量数控机床的切削力，利用多元线性回归对切削力经验公式的主轴转速、每齿进给量、切削宽度及切削深度等参数进行辨识；依据切削力经验公式在特定切削力下对数控机床移动部件的实际位移值进行检测，将实际位移值与移动部件的理论位移值进行对比，得到移动部件在切削负载工况下的定位误差；依据定位误差计算各项回归系数，并进行方差分析及检验，通过正交函数回代建立第一函数关系模型，依据不同切削力下的回归系数值，采用牛顿插值方法计算各阶差商，建立第二函数关系模型；并依据第一、第二函数关系模型预测未来时刻的定位误差值，根据定位误差随进给位置、切削力的变化关系对移动部件进行误差补偿。
本发明基于数控机床移动部件在切削负载工况下的第一定位误差建立定位误差与进给位置的建立第一函数关系模型，又通过不同切削力下的回归系数值，建立定位误差、进给位置及切削力三者之间的第二函数关系模型，即在建立数控机床在切削负载工况下的第一、第二函数关系模型的过程中，考虑了切削加工过程中的力变形误差，解决了传统误差模型应用局限的问题，并且根据第一、第二函数关系模型预测移动部件未来时刻的定位误差值，并对移动部件进行误差补偿。体现了定位误差随切削力及进给位置的变化特征，提高了数控机床在切削负载工况下的误差补偿精度。
在本发明的一个具体实施例中，预设切削参数包括主轴转速、每齿进给量、切削宽度以及切削深度；
测量预设切削参数下的切削力，包括：
对主轴转速、每齿进给量、切削宽度以及切削深度进行正交试验，获取多个切削参数组，并测量每一切削参数组对应的切削力。
可以理解的是，可以根据不同数控机床在切削加工时的机械结构特点设置切削力正交试验，对主轴转速、每齿进给量、切削宽度以及切削深度进行组数划分并拟定切削参数表，然后依据测力仪等设备对特定切削参数下的切削力进行测量。
在本发明的一个具体实施例中，方法还包括：
利用多元线性回归对切削力经验公式的主轴转速、每齿进给量、切削宽度及切削深度进行辨识。
具体的，首先建立切削力经验公式的通式，其在X方向、Y方向以及Z方向的通式如下：
其中，为铣削力的相关系数；ae为铣削宽度，单位为mm；n为主轴转速，单位为r/min；fz为每齿进给量，单位为mm；ap为铣削深度，单位为mm；αx、βx和γx为相关切削参数的指数系数。
进一步地，对通式的左端和右端取对数可以得到如下结果：
lgFi＝lgCFi+αilgae+βilgn+γilgfz+λilgap
其中，i代表X、Y和Z三个方向，将上式进行整理，则多元线性回归方程如下：S＝b0+b1x1+b2x2+b3x3+b4x4。
其中，S为方程的统计变量，b0到b4为方程的回归系数。
进一步地，以测量的切削力数据为基础，进行如下变换：
其中，εi为随机变量误差。经过整理后得到矩阵：
进一步地，根据最小二乘法，变量系数b0-b4应使得数观察值y1-y16及回归参数的偏差平方和的值达到最小：
再由极值定理可以推到得出，b0-b4为下面方程组的解：
进一步地，依据上述理论可以推导得出切削力的回归模型，对多元回归的相关系数R2以及显著性指标M进行检验,判断切削力的辨识结果是否符合要求，进而应用到后续的定位误差建模中。
具体实施时，首先选取4个切削参数，每个切削参数分为4组，主轴转速分别为1000r/min、2000r/min、3000r/min、4000r/min；每齿进给量分别为0.05mm、0.1mm、0.15mm、0.2mm；切削宽度分别为1.5mm、 3mm、4.5mm、6mm；切削深度分别为0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm。下表为正交试验的试验方案及结果。
表1正交试验的试验方案及结果
对上表的数据进行对数处理，根据最小二乘法，变量系数b0-b4应使得观察值y1-y16及所述回归参数的偏差平方和的值达到最小：
由极值定理可以推到得出，b0-b4为下面方程组的解：
经过计算，得到最终的切削力辨识结果为：
R2＝0.9734 F＝100.7943
R2＝0.9783 F＝124.2133
R2＝0.9699 F＝88.4813
可见，上式的R2均大于0.95，证明所辨识的切削力经验公式拟合精度较高；F检验服从(m，n-m-1)的分布，本试验变量个数m为4，试验次数n为16。当显著性水平为0.01时，查表知F0.01(4,11)＝5.668，X、 Y、Z三个方向的F值均大于5.668，所以各切削参数与切削力的相关性较大。
需要说明的是，虽然切削力与F检验都使用了“F”作为参数，但是二者表示不同的含义，其中，切削力F为受力情况，F检验是数理统计中的检验，为避免混淆，现在此进行说明。
在本发明的一个具体实施例中，基于切削力经验公式测量数控机床移动部件在切削负载工况下的第一定位误差，包括：
基于切削力经验公式检测在指定切削力下数控机床移动部件的第一实际位移值与第一理论位移值，并根据第一实际位移值与第一理论位移值的差值结果确定数控机床移动部件在切削负载工况下的第一定位误差。
在本发明的一个具体实施例中，基于回归系数建立定位误差与进给位置的第一函数关系模型，包括：
对回归系数进行方差分析及检验，并将检验结果通过正交函数回代建立定位误差与进给位置的第一函数关系模型。
具体的，可以将切削工况下的定位误差σ表示为进给位置X的p次多项式：σ＝β0+β1X+β2X2+…+βpXp，其中，σ为坐标X处的轴定位误差；β0为回归常数，βi为回归系数。
进一步地，作如下变换：故多项式可以转换为如下方程式：/>基于各因素等间隔取值的原则，对因素x进行等间隔处理：/>N为间隔取值次数。
进一步地，其结构矩阵为：
进一步地，对上述误差方程构造正规方程矩阵，以便计算待求参数：
其中，
进一步地，对各变量作正交变换处理，可令：
则正规方程可表示为如下矩阵形式：
进一步地，回归系数可表示为：
为简化计算，取正交多项式组如下：
其中，为x的水平均值，/>Δ为x的水平间隔，Δ＝xi+1-xi。
进一步地，通过上述公式建立定位误差-进给位置误差模型，依据表 2对回归系数的显著性进行检验，保留显著项，删除不显著项。
表2回归系数显著性检验
在具体实施过程中，数控机床以双电机驱动的龙门机床为例，请参阅图2，图2是本发明一实施例提供的一种搭载双驱进给系统的龙门机床结构图，其中，1-龙门横梁；2-电主轴；3-刀具；4-滚珠丝杠；5-联轴器；6-伺服电机；7-床身；8-导轨；9-光栅尺。
龙门横梁1通过X1和X2两根进给轴共同驱动其运动，每根进给轴都包括伺服电机6、联轴器5、滚珠丝杠4、导轨8组成。同时，龙门横梁1的移动也会带动电主轴2及刀具3对工件进行加工。光栅尺9采集的位移数据与进给轴的实际位置值得差值为定位误差。而由于两根进给轴的伺服参数及机械参数存在差异，故X1进给轴的定位误差σX1和X2 进给轴的定位误差σX2并不相同。
本实施例中的龙门机床在X方向的有效行程为2000mm，根据行程长度来设定测量间距，将其等距划分测量点，设置间距值为200mm，则测量点数为11。
根据已辨识的切削力经验公式，设定在X方向的切削合力为0-1200N，间距值为200N，对工件进行切削加工。利用光栅尺对负载工况下的定位误差数据进行实时采集，连续记录多次误差数据，并取测量均值作为最终的定位误差值；测量时，在控制器中编写采集程序，并记录数据。如表3为X1轴在切削合力为0-1200N时的定位误差检测结果，测量时主轴位于横梁中部，故X1轴和X2轴所受力为合力的一半。
表3切削合力为0-1200N时的定位误差检测结果
优选的，以X1轴在切削合力为400N时的误差数据为例，首先建立正交多项式表，测量所得到数据共有11个。因此选择N＝13的正交多项式表，如表4所示。
表4正交多项式表
然后计算回归系数：
其中，同时计算/>将上述所得值，填入表4对应位置中。
优选的，对方差进行分析，如表5所示，并计算总偏差如下:
表5正交多项式方差分析表
优选的，进行F检验。由于Fi的自由度为(1,k-n-1)，所以F0.05(1,5)＝6.61，。由上表可知，一次、二次项高度显著，三次、四次项较显著，五次项不显著，则可将五次项剔除，建立回归方程如下：
优选的，进行正交函数回代。将正交函数族中的 代入上式可得：
优选的，进行函数变换x＝(x+200)/200。至此，得到了切削合力为400N 时的定位误差-进给位置关系模型如下：
在本发明的一个具体实施例中，基于回归系数值与不同切削力的对应关系建立定位误差、进给位置及切削力的第二函数关系模型，包括：
采用牛顿插值方法计算回归系数值与不同切削力的对应关系的各阶差商，并基于各阶差商建立回归系数与切削力的插值方程；
基于插值方程建立定位误差、进给位置与切削力的第二函数关系模型。
具体的，基于建立的第一函数关系模型，对回归系数β进行整理，并建立误差模型σ(X,F)。可以理解的是，误差回归系数β与轴切削力F 存在关系式β(F)，β(F)在区间[a,b]上有定义，当F取一系列不相等的 F0,F1,F2…,Fn时，可以得到：其中，β[Fi+1,Fi]称为β(F)在Fi+1,Fi处的一阶差商。那么β(F)在F0,F1,F2…,Fn的k(k≥2)阶差商为：
进一步地，由以上定义可得β(F)各阶差商如表6表所示：
表6β(F)各阶差商表
将任意切削力F替代Fi+a(a＝1,2,…,n)，为了充分利用节点数据，令i＝0，考虑全部的n个节点，可得多项式如下：
将各多项式进行迭代消元，得到牛顿插值方程如下：
β(F)＝β(F0)+β[F0，F1](F-F0)+β[F0，F1，F2](F-F0)(F-F1)+… +β[F0，F1，F2，…，Fn](F-F0)(F-F1)(F-F2)…(F-Fn)
因此可以根据牛顿插值方程得到第二函数关系模型。
具体的，还以双电机驱动的龙门机床为例，根据已辨识的切削力经验公式，分别设定在X方向的切削合力为200N、800N、1000N、1200N、 1400N、1600N、1800N、2000N时，对工件进行切削加工。加工时，主轴位于横梁中部，则X1轴和X2轴分别受到切削合力的一半。利用光栅尺对负载工况下的定位误差数据进行实时采集，连续记录多次误差数据，并取测量均值作为最终的定位误差值；测量时，在控制器中编写采集程序，并记录数据。以上述实施例的建模步骤为基础，分别建立不同切削力下的定位误差模型，并将各回归系数归纳到表7。
表7不同切削力下的各回归系数计算表
优选的，误差回归系数β与轴切削力F存在关系式β(v)，β(v)在区间[a,b]上有定义，当F取一系列不相等的F0,F1,F2…,Fn时，可以得到：
上式中，β[Fi+1,Fi]称为β(F)在Fi+1,Fi处的一阶差商。那么β(v)在 F0,F1,F2…,Fn的k(k≥2)阶差商为：
以β0为例，对X1轴在切削力为100N、200N、300N、400N、500N、600N时进行插值计算，得到各阶差商如表8所示下：
表8回归系数差商计算表
依据表8，将各系数带入到插值方程中可以得到：
β0(F)＝-76.6452-0.0371(F-100)+28.7100e-5(F-100)(F-200) +…-2.6890e-11(F-100)(F-200)(F-300)(F-400)(F-500)
化简该表达式为：
β0(F)＝-2.6890e-11F5+4.7777e-8F4-3.2057e-5F3+9.9988e-3F2-1.4260F-6.4893
同理可以得到其它回归系数的方程如下：
β1(F)＝-4.4154e-12F5+8.2808e-9F4-5.8949e-6F3+1.9573e-3F2-0.29553F+2.1043
β2(F)＝-5.6825e-13F5+1.0965e-9F4-7.9943e-7F3+2.7050e-4F2-0.041103F-2.9117
β3(F)＝-6.1600e-13F5+1.0531e-9F4-6.7048e-7F3+1.9621e-4F2-0.026149F+1.1049
β4(F)＝3.7242e-13F5-6.5621e-10F4+4.4089e-7F3-1.3661e-4F2+0.018898F-1.5274
为了验证所建立模型的准确性，将原始数据模型和所建立的理论误差模型进行对比，请参阅图3、图4，图3为本发明一实施例测得的原始定位误差预测模型参考图，图4是本发明一实施例建立的理论定位误差预测模型参考图。至此，得到了X1轴对应的第二函数关系模型为：
同理X2轴对应的第二函数关系模型为：
在本发明的一个具体实施例中，基于第一函数关系模型、第二函数关系模型预测并补偿数控机床移动部件的第二定位误差，包括：
在数控机床运动过程中，通过上位机将控制指令发送到I/O端子，以实时记录移动部件的第二实际位移值与第二理论位移值，并基于第一函数关系模型预测数控机床移动部件的第二定位误差；
基于第二定位误差通过上位机将补偿指令发送至虚拟主轴，以使虚拟主轴与移动部件的电机实轴进行耦合；
将所建立的第二函数关系模型以电子凸轮的形式导入数控机床的控制系统中，以使控制系统中采用电子凸轮表的形式，利用虚拟主轴的理论运动实现对电机实轴的第二定位误差补偿。
可以理解的是，本发明实施例中采用基于虚拟轴的电子凸轮补偿方法对数控机床在切削负载工况下的定位误差进行补偿，请参阅图5，图5 为本发明一实施例中基于虚拟轴的电子凸轮补偿方法原理图。
补偿原理的实质是主从控制策略。在运动控制系统中，有实轴和虚轴之分。实轴是指关联有实际的物理轴，而虚拟轴是没有实际的物理轴与之关联，虚轴的理论运动则代表了电机轴无误差时的运动。补偿时，一方面，在控制系统中创建一根虚拟轴，代表龙门机床在X方向的理想运动，将虚拟轴作为主轴，电机实轴作为从轴，并进行耦合。
一方面，在机床运动的过程中，上位机将控制指令发送到I/O端子，进而控制光栅尺实时记录其运动位置，并将该位置与虚拟轴的理论位置进行对比，预测得龙门机床的定位误差。另一方面，将补偿指令传送给虚拟主轴，与龙门机床X方向的两个伺服电机进行耦合。在控制系统内部采用C语言根据上述第一函数关系模型与第二函数关系模型建立定位误差模型，并通过ADS与PLC程序进行通讯，将所建立的定位误差模型以电子凸轮的形式导入到控制系统中，将电机实轴的误差值经过理论换算得到其与虚拟轴的位置对应关系，进而在控制系统中采用电子凸轮表的形式，利用虚拟轴的理论运动实现对电机实轴的误差补偿，从而减小龙门机床的定位误差。
需要说明的是，该补偿方法的优点在于只需要在双驱控制系统中创建一根虚拟轴，不需要修改控制系统程序代码、不改变原有硬件设置、不需要对控制系统的信号进行相应的操作，避免了信号紊乱。
并且与传统的误差建模方法相比，本发明建立了数控机床在切削负载工况下的定位误差模型，考虑了切削加工过程中的力变形误差，解决了传统误差模型应用局限的问题。本发明还采用光栅尺对切削负载工况下的定位误差进行实时测量，在线测量的方式无需搭建实验平台，节约成本，通过建立的误差模型以电子凸轮的形式导入到控制系统中，进而提高数控机床的定位精度。
还需要说明的是，本发明实施例中的技术方案本质上是一种主动补偿方案，即数控机床在为加工之前对负载工况下的定位误差进行补偿。可以及时对误差及进行补偿，补偿效果较佳。
为了进一步验证本发明所提出的补偿模型的正确性，在机床空载运动过程中对定位误差进行测量，并依据前文建模方法建立空载定位误差模型，并采用基于虚拟轴的电子凸轮补偿方法进行补偿，将补偿结果与补偿了切削负载定位误差的结果进行对比，以切削合力分别为200N、 600N、1000N为案例进行补偿实验，请参阅图6，图6为本发明一实施例中提供的未补偿定位误差、仅补偿空载定位误差与补偿负载定位误差的补偿结果对比图。从图中可以看出，X1轴在未补偿前的定位误差随着切削力的增大定位误差也会随之增加，且随着进给位置的变化，不同切削力下的定位误差有着相似的趋势性；仅补偿空载定位误差后的定位误差得到了大幅度的降低，但仍然具有该线性增加的趋势，整体误差控制在[-8.239μm,1.038μm]之间；而补偿切削负载工况下定位误差后的定位误差进一步降低，整体在[-2.965μm,2.265μm]之间波动。因此，补偿负载定位误差后的补偿效果相较于仅补偿空载定位误差的补偿效果更为理想，进而验证了本发明所建立的定位误差预测模型的准确性及补偿方法的有效性。
为了更好实施本发明实施例中的数控机床负载定位误差补偿方法，在数控机床负载定位误差补偿方法基础之上，对应的，请参阅图7，图7 为本发明提供的数控机床负载定位误差补偿装置的一实施例的结构示意图，本发明实施例提供了一种数控机床负载定位误差补偿装置700，包括：
第一测量模块701，用于测量预设切削参数下的切削力，并建立切削力经验公式；
第二测量模块702，用于基于所述切削力经验公式测量数控机床移动部件在切削负载工况下的第一定位误差；
第一模型建立模块703，用于基于所述第一定位误差计算回归系数，并基于所述回归系数建立定位误差与进给位置的第一函数关系模型；
第二模型建立模块704，用于获取不同切削力下的回归系数值，并基于所述回归系数值与不同切削力的对应关系建立定位误差、进给位置及切削力的第二函数关系模型；
误差补偿模块705，用于基于所述第一函数关系模型、第二函数关系模型预测并补偿数控机床移动部件的第二定位误差。
这里需要说明的是：上述实施例提供的装置700可实现上述各方法实施例中描述的技术方案，上述各模块或单元具体实现的原理可参见上述方法实施例中的相应内容，此处不再赘述。
基于上述数控机床负载定位误差补偿方法，本发明实施例还相应的提供一种电子设备，包括：处理器和存储器以及存储在存储器中并可在处理器上执行的计算机程序；处理器执行计算机程序时实现如上述各实施例的数控机床负载定位误差补偿方法中的步骤。
图8中示出了适于用来实现本发明实施例的电子设备800的结构示意图。本发明实施例中的电子设备可以包括但不限于诸如移动电话、笔记本电脑、数字广播接收器、PDA(个人数字助理)、PAD(平板电脑)、 PMP(便携式多媒体播放器)、车载终端(例如车载导航终端)等等的移动终端以及诸如数字TV、台式计算机等等的固定终端。图8示出的电子设备仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
电子设备包括：存储器以及处理器，其中，这里的处理器可以称为下文的处理装置801，存储器可以包括下文中的只读存储器(ROM)802、随机访问存储器(RAM)803以及存储装置808中的至少一项，具体如下所示：
如图8所示，电子设备800可以包括处理装置(例如中央处理器、图形处理器等)801，其可以根据存储在只读存储器(ROM)802中的程序或者从存储装置808加载到随机访问存储器(RAM)803中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM803中，还存储有电子设备800操作所需的各种程序和数据。处理装置801、ROM802以及RAM803通过总线804彼此相连。输入/输出(I/O)接口805也连接至总线804。
通常，以下装置可以连接至I/O接口805：包括例如触摸屏、触摸板、键盘、鼠标、摄像头、麦克风、加速度计、陀螺仪等的输入装置806；包括例如液晶显示器(LCD)、扬声器、振动器等的输出装置807；包括例如磁带、硬盘等的存储装置808；以及通信装置809。通信装置809可以允许电子设备800与其他设备进行无线或有线通信以交换数据。虽然图8 示出了具有各种装置的电子设备800，但是应理解的是，并不要求实施或具备所有示出的装置。可以替代地实施或具备更多或更少的装置。
特别地，根据本发明的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在非暂态计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信装置809从网络上被下载和安装，或者从存储装置808被安装，或者从ROM802被安装。在该计算机程序被处理装置 801执行时，执行本发明实施例的方法中限定的上述功能。
基于上述数控机床负载定位误差补偿方法，本发明实施例还相应的提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上述各实施例的数控机床负载定位误差补偿方法中的步骤。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种数控机床负载定位误差补偿方法，其特征在于，包括：
测量预设切削参数下的切削力，并建立切削力经验公式；
基于所述切削力经验公式测量数控机床移动部件在切削负载工况下的第一定位误差；
基于所述第一定位误差计算回归系数，并基于所述回归系数建立定位误差与进给位置的第一函数关系模型，其中，所述基于所述回归系数建立定位误差与进给位置的第一函数关系模型，包括：
对所述回归系数进行方差分析及检验，并将检验结果通过正交函数回代建立定位误差与进给位置的第一函数关系模型；
获取不同切削力下的回归系数值，并基于所述回归系数值与不同切削力的对应关系建立定位误差、进给位置及切削力的第二函数关系模型，其中，所述基于所述回归系数值与不同切削力的对应关系建立定位误差、进给位置及切削力的第二函数关系模型，包括：
采用牛顿插值方法计算回归系数值与不同切削力的对应关系的各阶差商，并基于各阶差商建立回归系数与切削力的插值方程；
基于所述插值方程建立定位误差、进给位置与切削力的第二函数关系模型；
基于所述第一函数关系模型、第二函数关系模型预测并补偿数控机床移动部件的第二定位误差，其中，所述基于所述第一函数关系模型、第二函数关系模型预测并补偿数控机床移动部件的第二定位误差，包括：
在数控机床运动过程中，通过上位机将控制指令发送到I/O端子，以实时记录移动部件的第二实际位移值与第二理论位移值，并基于第一函数关系模型预测数控机床移动部件的第二定位误差；
基于所述第二定位误差通过上位机将补偿指令发送至虚拟主轴，以使虚拟主轴与移动部件的电机实轴进行耦合；
将所建立的第二函数关系模型以电子凸轮的形式导入数控机床的控制系统中，以使控制系统中采用电子凸轮表的形式，利用虚拟主轴的理论运动实现对电机实轴的第二定位误差补偿。
2.根据权利要求1所述的数控机床负载定位误差补偿方法，其特征在于，所述预设切削参数包括主轴转速、每齿进给量、切削宽度以及切削深度；
所述测量预设切削参数下的切削力，包括：
对主轴转速、每齿进给量、切削宽度以及切削深度进行正交试验，获取多个切削参数组，并测量每一切削参数组对应的切削力。
3.根据权利要求2所述的数控机床负载定位误差补偿方法，其特征在于，所述方法还包括：
利用多元线性回归对所述切削力经验公式的主轴转速、每齿进给量、切削宽度及切削深度进行辨识。
4.根据权利要求1所述的数控机床负载定位误差补偿方法，其特征在于，所述基于所述切削力经验公式测量数控机床移动部件在切削负载工况下的第一定位误差，包括：
基于所述切削力经验公式检测在指定切削力下数控机床移动部件的第一实际位移值与第一理论位移值，并根据第一实际位移值与第一理论位移值的差值结果确定数控机床移动部件在切削负载工况下的第一定位误差。
5.一种数控机床负载定位误差补偿装置，其特征在于，包括：
第一测量模块，用于测量预设切削参数下的切削力，并建立切削力经验公式；
第二测量模块，用于基于所述切削力经验公式测量数控机床移动部件在切削负载工况下的第一定位误差；
第一模型建立模块，用于基于所述第一定位误差计算回归系数，并基于所述回归系数建立定位误差与进给位置的第一函数关系模型，其中，所述基于所述回归系数建立定位误差与进给位置的第一函数关系模型，包括：
对所述回归系数进行方差分析及检验，并将检验结果通过正交函数回代建立定位误差与进给位置的第一函数关系模型；
第二模型建立模块，用于获取不同切削力下的回归系数值，并基于所述回归系数值与不同切削力的对应关系建立定位误差、进给位置及切削力的第二函数关系模型，其中，所述基于所述回归系数值与不同切削力的对应关系建立定位误差、进给位置及切削力的第二函数关系模型，包括：
采用牛顿插值方法计算回归系数值与不同切削力的对应关系的各阶差商，并基于各阶差商建立回归系数与切削力的插值方程；
基于所述插值方程建立定位误差、进给位置与切削力的第二函数关系模型；
误差补偿模块，用于基于所述第一函数关系模型、第二函数关系模型预测并补偿数控机床移动部件的第二定位误差，其中，所述基于所述第一函数关系模型、第二函数关系模型预测并补偿数控机床移动部件的第二定位误差，包括：
在数控机床运动过程中，通过上位机将控制指令发送到I/O端子，以实时记录移动部件的第二实际位移值与第二理论位移值，并基于第一函数关系模型预测数控机床移动部件的第二定位误差；
基于所述第二定位误差通过上位机将补偿指令发送至虚拟主轴，以使虚拟主轴与移动部件的电机实轴进行耦合；
将所建立的第二函数关系模型以电子凸轮的形式导入数控机床的控制系统中，以使控制系统中采用电子凸轮表的形式，利用虚拟主轴的理论运动实现对电机实轴的第二定位误差补偿。
6.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，其中，所述存储器，用于存储程序；所述处理器，与所述存储器耦合，用于执行所述存储器中存储的所述程序，以实现上述权利要求1至4中任一项所述数控机床负载定位误差补偿方法中的步骤。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机可读取的程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时，能够实现上述权利要求1至4中任一项所述数控机床负载定位误差补偿方法中的步骤。
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