[發明專利]基于虛擬儀器的數控機床誤差實時補償系統

有效

• 申請號: 201110085904.5
• 申請日: 2011-04-07
• 公開（公告）號: CN102736557A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發明（設計）人: 楊建國;姚曉棟;侯廣鋒;姜輝
• 申請（專利權）人: 楊建國;姚曉棟
• 主分類號: G05B19/404
• 分類號: G05B19/404
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于虛擬儀器的數控機床誤差實時補償系統，其特征在于由誤差補償硬件系統和基于虛擬儀器的軟件系統構成：硬件系統作為軟件的載體和執行部件，用于實現各功能模塊之間的連接和通訊、數據存儲及人機交互；軟件系統基于虛擬儀器編程，用于實現溫度和誤差數據信號的預處理、機床誤差數學模型的建模、誤差數據實時計算、補償系統與PLC之間的數據交互、專家系統的優化、自學習系統的自動識別和優化；通過硬件系統和軟件系統的協同工作，實現數控機床誤差的實時在線補償；

所述的誤差補償硬件系統包括：工控機、觸摸式顯示器、電阻式溫度傳感器、渦流位移傳感器、溫度轉換模塊、位移傳感器變送模塊、A/D轉換功能卡、數據交互功能卡；工控機通過視頻線和USB線與觸摸顯示器連接，用485通訊接口與溫度轉換模塊連接，采用PCI總線方式與數據交互卡和A/D轉換功能卡連接；觸摸顯示器用于實現人機交互，用戶可在觸摸式顯示器上輸入和讀出數據；電阻式溫度傳感器安放在機床熱源位置，并通過屏蔽電纜與溫度轉換模塊連接，將熱源溫度轉變為電阻阻值變化；溫度轉換模塊完成對熱電阻阻值變化的辨識，通過信號濾波、放大和A/D轉換，將溫度數據轉變為二進制格式數據，并通過RS?485通訊模式，將數據傳送到工控機；渦流位移傳感器通過屏蔽電纜連接位移傳感器變送模塊，用于測量機床各控制軸的實際誤差值；位移傳感器變送模塊用于將渦流位移傳感器輸出的信號進行調理和放大，并轉換輸出直流電壓信號；A/D轉換功能卡將位移傳感器變送模塊輸出的模擬信號轉變為可供計算機處理的數字信號，并通過PCI總線將數據傳送到工控機；數據交互功能卡通過PCI總線與工控機實現通訊，另一端用并口數據總線連接到數控系統的PLC的I/O擴展模塊，實現與機床數控系統的數據交互。

2.根據權利要求1所述的數據交互功能卡，其特征是，包括數控機床各控制軸絕對坐標位置輸入卡和控制軸誤差補償值輸出卡；數控機床各控制軸絕對坐標位置輸入卡通過并口數據線與機床PLC的I/O擴展模塊的數字量輸出接口連接，PLC通過窗口功能讀出機床各控制軸的當前絕對坐標位置，再通過其數字量輸出接口將坐標值傳送到絕對坐標位置輸入卡；工控機則通過誤差補償值輸出卡將當前各軸的誤差補償數據傳送到機床PLC的I/O擴展模塊的數字量輸入接口，由PLC將補償數據送到機床數控系統處理器端，并激活機床的外部機械原點偏移功能實現實時誤差補償。

3.根據權利要求1所述的基于虛擬儀器的編程模式，其特征是，采用LabVIEW圖形化編程語言作為編程工具，構建基于虛擬儀器的數據交互平臺和專家系統，并通過軟件實現溫度和誤差數據預處理、機床數學模型自動建模、控制軸誤差計算、與機床PLC的數據交互、專家系統的優化以及自學習數據庫識別和優化等獨立的功能模塊。

4.根據權利要求2所述的溫度和誤差數據的預處理，其特征是，對溫度采樣數據去偶化，消除由于溫度測試點相關性所帶來的誤差；對誤差采樣數據進行零均值化和行平穩化處理，消除隨機噪聲和機床系統噪聲引起的誤差；對溫度數據和誤差數據進行整合，判別誤差敏感方向，并將測試數據自動保存在專家系統和自學習系統中。

5.根據權利要求1所述的機床誤差數學模型的建模，其特征是，首先，根據空間齊次坐標變換原理，構建機床參考坐標系，并通過刀具和工件之間聯結的封閉矢量鏈，構建機床綜合誤差數學模型的理論計算公式；然后，采用誤差元素建模技術，根據誤差敏感方向，針對影響機床加工精度較大的誤差元素進行建模，采用基于時間序列算法的建模方法，并結合正交試驗設計建模法的校驗，考慮溫度采集系統噪聲極小化和環境變化極小化的外部條件，構建各誤差元素的數學模型；最后，構建的各誤差元素數學模型自動存儲在專家系統數學模型庫中，模型系數存入自學習系統的數據庫中，構建的誤差數學模型可通過自學習系統的訓練和修正而實時優化。

6.根據權利要求1所述的誤差數據實時計算，其特征是，根據機床結構類型、參數設置和加工條件、環境溫度等綜合因素，自動調用專家系統數學模型庫中的適用模型并調整增益系數，把實時溫度數據導入誤差數學模型，同時通過數控機床各控制軸絕對坐標位置輸入卡將坐標值也導入模型，根據數學模型的誤差元素識別判定條件以及計算公式，誤差補償系統自動識別出敏感誤差元素項，并計算出當前各控制軸運行的補償值，所得的補償值根據誤差元素類型自動存放到專家系統的補償值數據緩存區中，在閾值判定和運行條件判定后送入控制軸誤差補償值輸出卡。