[發明專利]基于CPS的重型數控機床熱誤差補償控制系統及熱誤差補償方法

有效

• 申請號: 201710846670.9
• 申請日: 2017-09-19
• 公開（公告）號: CN107695775B
• 公開（公告）日: 2019-06-25
• 發明（設計）人: 婁平;李炆峰;胡建民;嚴俊偉;劉泉;周祖德
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: B23Q11/00
• 分類號: B23Q11/00;G06F17/50;G05B19/404
• 代理公司: 武漢開元知識產權代理有限公司 42104
• 代理人: 潘杰;劉琳

本發明公開了一種基于CPS的重型數控機床熱誤差補償控制系統及熱誤差補償方法，所述熱誤差補償控制系統包括：嵌入式采集卡：用于采集機床測點的溫度信息、機床主軸刀尖的位移熱誤差，并對數據經過預處理后發送至運算控制器；運算控制器：用于根據接收的溫度數據代入預測數學模型計算熱誤差預測值，并根據制定的補償策略將熱誤差預測值處理為實時補償值，并把熱誤差預測值和實時補償值通過無線網絡上傳至云端服務器，所述預測數學模型和補償策略通過無線網絡接收遠程更新；數控連接器；用于將接收的實時補償值通過NCUC總線輸入機床數控系統，機床數控系統在運行加工G代碼時讀取實時補償值，并控制機床X、Y、Z軸移動。

技術領域

本發明涉及數控機床熱誤差補償技術領域，具體地指一種基于 CPS的重型數控機床熱誤差補償控制系統及熱誤差補償方法。

背景技術

重型數控機床是當今高端裝備制造業的重要組成部分，更是國防工業、機械制造的基石。重型數控機床的加工精度代表著一個國家的工業發展水平，隨著“中國制造2025”戰略的提出，提升數控機床加工精度的要求愈發急切。重型機床因其體積大、行程大等特點，易受內外熱源的影響而產生熱誤差。大量研究表明，在數控機床加工系統的各類誤差中，熱誤差所占比例最大，最高可達數控機床總誤差的70％。在數控機床向高轉速、重載荷的發展過程中，熱誤差對其加工精度的影響會更加明顯。

信息物理系統(Cyber-Physical Systems,CPS)是通過計算 (Computation)、通信(Communication)與控制(Control)技術的有機與深度融合，集環境感知、網絡通信、控制計算功能于一體，實現計算資源與物理資源的緊密結合與協調的智能系統。CPS的基本組件包括傳感器(Sensors)、執行器(Actuator)和決策控制單元(Decision-making ControlUnit)。傳感器用于監測、感知外界的信號、物理條件或化學組成；執行器是一種嵌入式設備，能夠接受控制指令并對受控對象施加控制作用；決策控制單元是一種邏輯控制設備，能夠根據用戶定義的語義規則生成控制邏輯。

CPS系統是人與物理世界交互方式的未來發展方向。數控機床熱誤差補償過程綜合環境監測、網絡通信、決策控制等等功能部分，因此，基于CPS系統開發一種有效的數控機床熱誤差補償控制系統能夠將CPS的優點運用于傳統的機械制造領域，對智能制造的發展有著重要的意義。

目前，國內外眾多學者對數控機床的熱誤差補償做了充分研究，提出多種熱誤差補償方法并開發出對應的熱誤差補償裝置。華中科技大學的尹玲對華中8型數控系統內部插補算法和硬件結構進行二次開發，使得外部嵌入式補償器能夠通過開發的專用接口將補償值傳送到數控系統的插補層中(參看文獻“機床熱誤差魯棒補償技術研究”，來自華中科技大學博士學位論文，2011年8月)。該補償裝置雖然簡單有效，但是此補償方法只限于擁有華中數控系統高級開發權限的人員使用，不能推廣到其他數控系統和研究人員身上，幾乎沒有通用性。南京理工大學的李春雷利用FANUC數控系統的原點平移功能，研制出一種基于Cortex-M3的嵌入式補償器(參看文獻“數控機床綜合誤差補償嵌入式控制器研發”，來自南京理工大學碩士學位論文，2015年 11月)。該補償器通過溫度傳感器獲取機床溫度，通過FANUC數控系統的用戶I/O口獲取當前機床坐標，ARM芯片運行預測模型計算出誤差值后通過I/O口送入數控系統中。此補償裝置不需要電腦來采集數據，而且人機交互簡便。但此補償器只適用于提供了原點平移功能和相應I/O口的數控系統，對于SIEMENS、HEIDENHAIN、華中數控均不適用。武漢理工大學的胡建民使用反饋截斷法，以華中數控“世紀星”數控系統為平臺，開發出基于ARM和FPGA的嵌入式補償器(參考文獻“嵌入式數控機床熱誤差實時補償控制器的設計與實現”，來自武漢理工大學碩士學位論文，2014年4月)。此補償器利用STM32采集溫度、運行預測模型，然后通過FPGA產生反饋脈沖疊加到伺服電機。雖然該補償裝置能夠產生高速脈沖以達到實時補償的效果，但是反饋截斷法對伺服系統的干擾很大，容易引起機床急停，不是一種可以長時間穩定運行的補償方法。以上所有的補償裝置都沒有配備網絡通信模塊，沒有后臺云端服務器作支撐，不能通過互聯網達到更加智能化的補償效果。