專利名稱：數(shù)控機床誤差虛擬補償系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種數(shù)控機械加工技術領域的裝置，具體是一種數(shù)控機床誤差虛 擬補償系統(tǒng)。
背景技術：
隨著數(shù)控技術的不斷發(fā)展，數(shù)控機床廣泛應用于機械加工各個領域。然而，由于數(shù) 控機床存在原始靜態(tài)幾何誤差以及切削過程中產(chǎn)生的熱誤差、刀具磨損誤差和切削力引起 的誤差等動態(tài)誤差因素，這些誤差嚴重影響數(shù)控機床的加工精度，特別是在精密及超精密 加工中，單靠提高數(shù)控機床自身精度難以完全消除這些誤差，特別是加工過程中產(chǎn)生的熱 誤差、切削力引起的誤差及刀具磨損誤差，這類誤差屬于動態(tài)誤差，與切削條件(切削用量 rua^f和刀具參數(shù)1^、λ3、α(ι、Y(l等)有關。誤差補償是提高數(shù)控機床加工精度經(jīng)濟有 效的方法，可以在不提高機床本身精度的前提下獲得比機床自身精度更高的加工精度，已 得到國際公認并已部分應用于數(shù)控機床(如刀具半徑補償、刀具長度補償、絲杠螺距補償 和刀具磨損補償?shù)?。
由于數(shù)控機床誤差因素具有多樣性、復雜性和動態(tài)特性，數(shù)控機床誤差補償技術 應適應數(shù)控機床誤差因素的特性并具有魯棒性?，F(xiàn)有技術中，德國的Hermle Harald發(fā)明 了 一種機床熱膨脹補償裝置并獲得德國專利，該裝置可以迅速而精確地補償數(shù)控機床機構 在工作過程中產(chǎn)生的線性熱膨脹，在機床起動后加熱期具有特效。美國的H. ^uden David 發(fā)明了 一種可連續(xù)測量精密車床熱變形裝置并獲得美國專利，該裝置可連續(xù)測量精密車床 熱變形并將這些變形信息傳遞給機床數(shù)控系統(tǒng)，以便數(shù)控系統(tǒng)CNC在控制數(shù)控機床工作機 構移動過程中予以補償。菲迪亞公司發(fā)明了一種用于在數(shù)控機床上補償靜態(tài)誤差的方法和 系統(tǒng)(中國專利號CN 1308741A)，該誤差補償系統(tǒng)應用激光測量裝置測量數(shù)控機床的靜態(tài) 誤差，該裝置能自動檢測測量點并發(fā)送合并的數(shù)據(jù)給控制裝置，根據(jù)測量數(shù)據(jù)生成靜態(tài)誤 差模型進行誤差補償。
上述技術主要針數(shù)控機床的某項誤差因素而開發(fā)的誤差補償裝置，這些誤差補償 裝置無法實現(xiàn)數(shù)控機床誤差綜合補償并且不能自動適應加工條件的變化，為實現(xiàn)數(shù)控機床 綜合誤差補償及自動適應不同切削條件下的誤差補償，需要開發(fā)一種專門數(shù)控機床誤差預 報與補償系統(tǒng)。發(fā)明內容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，提供一種數(shù)控機床誤差虛擬補償系統(tǒng)，采 用多模塊嵌套方式，外部信息采集模塊采集環(huán)境信息、數(shù)控機床信息、切削用量及刀具參數(shù) 等信息，采集到的信息經(jīng)動態(tài)建模模塊及模型泛化模塊生成誤差模型，經(jīng)誤差擬合模塊輸 出誤差擬合曲線，經(jīng)誤差補償模塊輸出NC代碼，由通訊模塊通過COM串行口及RS232串行 口實現(xiàn)與CNC的實時通訊和數(shù)據(jù)采集。本系統(tǒng)可用來預報數(shù)控機床在各種切削條件下的綜 合誤差并實現(xiàn)誤差實時補償。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括外部數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)字建模 模塊、數(shù)據(jù)優(yōu)化模塊、動態(tài)建模模塊、模型泛化模塊、誤差擬合補償模塊和通訊模塊，其中 外部數(shù)據(jù)采集模塊采集外部信息并輸出至動態(tài)建模模塊、模型泛化模塊和誤差擬合補償模 塊，數(shù)字建模模塊生成零件圖形并將建模數(shù)據(jù)輸出至數(shù)據(jù)優(yōu)化模塊，數(shù)據(jù)優(yōu)化模塊將工件 坐標數(shù)據(jù)優(yōu)化后輸出至動態(tài)建模模塊進行誤差初建模，動態(tài)建模模塊通過矩陣運算得到初 步誤差模型并輸出至模型泛化模塊，模型泛化模塊對初步誤差模型進行泛化處理并以最小 二乘形式輸出誤差模型及誤差擬合曲線至誤差擬合補償模塊，誤差擬合補償模塊根據(jù)誤差 模型及工件坐標信息對應其內部集成的通用數(shù)控系統(tǒng)的NC代碼格式輸出NC代碼至通訊模 塊，通訊模塊將NC代碼輸出至CNC數(shù)控系統(tǒng)。
所述的外部數(shù)據(jù)采集模塊用于采集數(shù)控加工外部信息并將采集到的數(shù)據(jù)轉換為 浮點數(shù)格式，經(jīng)數(shù)據(jù)輸出通道以地址傳遞方式輸出至相應模塊。
所述的數(shù)字建模模塊包括工件坐標輸入單元、圖形界面單元和數(shù)據(jù)輸出通道，工 件坐標輸入單元由TextBox控件及數(shù)據(jù)轉換程序組成，用于輸入工件坐標系下的工件坐標 并將坐標數(shù)據(jù)轉換為浮點數(shù)格式；圖形界面單元由PictureBox控件及圖形生成程序組成， 根據(jù)工件坐標生成可視化工件圖形；數(shù)據(jù)輸出通道由數(shù)據(jù)存儲位和數(shù)據(jù)傳遞程序組成，以 地址傳遞方式將工件坐標數(shù)據(jù)輸送至數(shù)據(jù)優(yōu)化模塊。
所述的數(shù)據(jù)優(yōu)化模塊包括數(shù)據(jù)優(yōu)化函數(shù)單元和優(yōu)化數(shù)據(jù)輸出通道，其中數(shù)據(jù) 優(yōu)化函數(shù)單元將數(shù)字建模模塊生成的零件圖形的坐標數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理，并將優(yōu)化后的坐 標數(shù)據(jù)經(jīng)優(yōu)化數(shù)據(jù)輸出通道以地址傳遞方式輸出至動態(tài)建模模塊。
所述的動態(tài)建模模塊包括神經(jīng)網(wǎng)絡單元、集成初始權值矩陣和初始閾值矩陣的 矩陣運算單元和模型輸出通道，其中經(jīng)數(shù)據(jù)優(yōu)化模塊優(yōu)化后的坐標數(shù)據(jù)經(jīng)權值矩陣和閾 值矩陣加權處理，通過矩陣運算單元計算后輸出至神經(jīng)網(wǎng)絡單元計算誤差數(shù)據(jù)，模型輸出 通道將誤差數(shù)據(jù)以地址傳遞方式輸出至模型泛化模塊，所述的初始權值矩陣和初始閾值矩 陣經(jīng)MATLAB訓練獲得。
所述的模型泛化模塊包括泛化函數(shù)單元和數(shù)據(jù)輸出通道，其中泛化函數(shù)單元 根據(jù)外部信息采集模塊采集到的外部信息數(shù)據(jù)完成誤差模型的泛化處理，數(shù)據(jù)輸出通道將 誤差模型以地址傳遞方式輸出至誤差擬合補償模塊。
所述的誤差擬合補償模塊包括由PictureBox控件、TextBox控件、最小二乘程序 及圖形生成程序組成的誤差擬合單元，用于輸出誤差擬合曲線、最大最小誤差及誤差模型 至誤差擬合單元；由TextBox控件、宏指令代碼和通用數(shù)控機床NC代碼格式組成的NC代碼 處理單元，用于輸出基于宏的NC代碼至NC代碼處理單元及通訊模塊。
本發(fā)明不僅可以實現(xiàn)數(shù)控機床加工誤差的預報，而且可以實現(xiàn)數(shù)控機床加工誤差 的實時補償，尤其在變切削條件及批量加工中，能夠實現(xiàn)動態(tài)建模，保證誤差補償模型的魯 棒性，有助于數(shù)控機床加工精度的提高。本發(fā)明的數(shù)控機床誤差虛擬補償系統(tǒng)操作簡便，集 成了神經(jīng)網(wǎng)絡、庫函數(shù)、泛化函數(shù)單元及優(yōu)化函數(shù)功能，同時該系統(tǒng)可自動適應不同切削條 件及各種數(shù)控機床，使用方便，適用于各種車削類零件的誤差建模及補償。


圖1為本發(fā)明結構示意圖。
圖2為實施例中誤差補償系統(tǒng)單件工件誤差擬合曲線及殘差示意圖。
圖3為實施例中誤差補償系統(tǒng)批量工件誤差擬合曲線及殘差示意圖。
具體實施方式
下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。
如圖1所示，本實施例包括外部數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)字建模模塊、數(shù)據(jù)優(yōu)化模塊、動 態(tài)建模模塊、模型泛化模塊、誤差擬合補償模塊和通訊模塊，其中外部數(shù)據(jù)采集模塊通過 環(huán)境信息采集單元采集外部信息經(jīng)數(shù)據(jù)轉換程序及數(shù)據(jù)輸出通道輸出至動態(tài)建模模塊、模 型泛化模塊、誤差擬合補償模塊；數(shù)字建模模塊根據(jù)輸入的工件坐標經(jīng)數(shù)據(jù)轉換程序及圖 形生成程序生成零件圖形，輸入的工件坐標數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)輸出通道以地址傳遞方式輸出至數(shù) 據(jù)優(yōu)化模塊；數(shù)據(jù)優(yōu)化模塊將工件坐標經(jīng)優(yōu)化函數(shù)優(yōu)化后通過數(shù)據(jù)輸出通道以地址傳遞方 式輸出至動態(tài)建模模塊進行誤差初建模；動態(tài)建模模塊集成神經(jīng)網(wǎng)絡單元、初始權值矩陣、 初始閾值矩陣和矩陣運算單元，優(yōu)化后的坐標數(shù)據(jù)經(jīng)初始權值矩陣和初始閾值矩陣加權處 理后通過矩陣運算及神經(jīng)網(wǎng)絡單元輸出初步誤差模型并經(jīng)模型輸出通道以地址傳遞方式 輸出至模型泛化模塊；模型泛化模塊根據(jù)外部信息經(jīng)模型泛化函數(shù)單元對初步誤差模型進 行泛化處理并通過數(shù)據(jù)輸出通道以地址傳遞方式輸出至誤差擬合補償模塊；誤差擬合及補 償模塊根據(jù)工件坐標及泛化后的誤差模型經(jīng)誤差曲線生成程序以最小二乘形式輸出誤差 曲線及誤差模型至誤差擬合單元，經(jīng)宏指令代碼程序及通用數(shù)控代碼格式輸出NC代碼至 NC代碼處理單元及通訊模塊；通訊模塊通過通訊協(xié)議將NC代碼輸出至CNC數(shù)控系統(tǒng)并實 時采集CNC側的有關數(shù)據(jù)信息。
所述的外部信息包括溫度、切削液使用情況、機床精度、切削用量和刀具參數(shù)信 肩、ο
所述的NC代碼格式包括FANUC、SIEMENS、華中數(shù)控、廣州數(shù)控數(shù)控等數(shù)控系統(tǒng)指 令格式。
如圖2所示，用本實施例所述的數(shù)控機床誤差虛擬補償系統(tǒng)對單件工件的誤差擬 合及補償效果。由圖2可知，數(shù)控機床的單件誤差在2. 7 12. 9 μ m,并且呈現(xiàn)非線性分布， 在精密及超精密加工中，該誤差嚴重超出誤差極限范圍，通過補償，誤差降低到士 1 μ m，補 償了 85%，有效提高數(shù)控機床單件加工精度。
如圖3所示，用本實施例所述的數(shù)控機床誤差虛擬補償系統(tǒng)對批量工件的誤差擬 合及補償效果。由圖3可知，數(shù)控機床的批量加工誤差在3. 5 65 μ m，并且呈現(xiàn)動態(tài)分布， 該誤差嚴重超出誤差極限范圍，通過補償，誤差降低到3 μ m,補償了 95 %，有效提高數(shù)控機 床批量加工精度。
根據(jù)圖2、3和實驗結果可以得出，該誤差補償系統(tǒng)具有以下特點
(1)同時高精度、高可靠地預報單件及批量工件加工誤差；
(2)誤差補償總有效率為85% ；
(3)可實現(xiàn)不同生成模式下的誤差預報及誤差補償。權利要求
1.一種數(shù)控機床誤差虛擬補償系統(tǒng)，其特征在于，包括外部數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)字建模 模塊、數(shù)據(jù)優(yōu)化模塊、動態(tài)建模模塊、模型泛化模塊、誤差擬合補償模塊和通訊模塊，其中 外部數(shù)據(jù)采集模塊采集外部信息并輸出至動態(tài)建模模塊、模型泛化模塊和誤差擬合補償模 塊，數(shù)字建模模塊生成零件圖形并將建模數(shù)據(jù)輸出至數(shù)據(jù)優(yōu)化模塊，數(shù)據(jù)優(yōu)化模塊將工件 坐標數(shù)據(jù)優(yōu)化后輸出至動態(tài)建模模塊進行誤差初建模，動態(tài)建模模塊通過矩陣運算得到初 步誤差模型并輸出至模型泛化模塊，模型泛化模塊對初步誤差模型進行泛化處理并以最小 二乘形式輸出誤差模型及誤差擬合曲線至誤差擬合補償模塊，誤差擬合補償模塊根據(jù)誤差 模型及工件坐標信息對應其內部集成的通用數(shù)控系統(tǒng)的NC代碼格式輸出NC代碼至通訊模 塊，通訊模塊將NC代碼輸出至CNC數(shù)控系統(tǒng)。
2.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)控機床誤差虛擬補償系統(tǒng)，其特征是，所述的外部數(shù)據(jù)采 集模塊用于采集數(shù)控加工外部信息并將采集到的數(shù)據(jù)轉換為浮點數(shù)格式，經(jīng)數(shù)據(jù)輸出通道 以地址傳遞方式輸出至相應模塊。
3.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)控機床誤差虛擬補償系統(tǒng)，其特征是，所述的數(shù)字建模模 塊包括工件坐標輸入單元、圖形界面單元和數(shù)據(jù)輸出通道，工件坐標輸入單元由TextBox 控件及數(shù)據(jù)轉換程序組成，用于輸入工件坐標系下的工件坐標并將坐標數(shù)據(jù)轉換為浮點數(shù) 格式；圖形界面單元由PictureBox控件及圖形生成程序組成，根據(jù)工件坐標生成可視化工 件圖形；數(shù)據(jù)輸出通道由數(shù)據(jù)存儲位和數(shù)據(jù)傳遞程序組成，以地址傳遞方式將工件坐標數(shù) 據(jù)輸送至數(shù)據(jù)優(yōu)化模塊。
4.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)控機床誤差虛擬補償系統(tǒng)，其特征是，所述的數(shù)據(jù)優(yōu)化模 塊包括數(shù)據(jù)優(yōu)化函數(shù)單元和優(yōu)化數(shù)據(jù)輸出通道，其中數(shù)據(jù)優(yōu)化函數(shù)單元將數(shù)字建模模 塊生成的零件圖形的坐標數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理，并將優(yōu)化后的坐標數(shù)據(jù)經(jīng)優(yōu)化數(shù)據(jù)輸出通道 以地址傳遞方式輸出至動態(tài)建模模塊。
5.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)控機床誤差虛擬補償系統(tǒng)，其特征是，所述的動態(tài)建模模 塊包括神經(jīng)網(wǎng)絡單元、集成初始權值矩陣和初始閾值矩陣的矩陣運算單元和模型輸出通 道，其中經(jīng)數(shù)據(jù)優(yōu)化模塊優(yōu)化后的坐標數(shù)據(jù)經(jīng)權值矩陣和閾值矩陣加權處理，通過矩陣運 算單元計算后輸出至神經(jīng)網(wǎng)絡單元計算誤差數(shù)據(jù)，模型輸出通道將誤差數(shù)據(jù)以地址傳遞方 式輸出至模型泛化模塊，所述的初始權值矩陣和初始閾值矩陣經(jīng)MATLAB訓練獲得。
6.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)控機床誤差虛擬補償系統(tǒng)，其特征是，所述的模型泛化模 塊包括泛化函數(shù)單元和數(shù)據(jù)輸出通道，其中泛化函數(shù)單元根據(jù)外部信息采集模塊采集 到的外部信息數(shù)據(jù)完成誤差模型的泛化處理，數(shù)據(jù)輸出通道將誤差模型以地址傳遞方式輸 出至誤差擬合補償模塊。
7.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)控機床誤差虛擬補償系統(tǒng)，其特征是，所述的誤差擬合補 償模塊包括由PictureBox控件、TextBox控件、最小二乘程序及圖形生成程序組成的誤差 擬合單元，用于輸出誤差擬合曲線、最大最小誤差及誤差模型至誤差擬合單元；由TextBox 控件、宏指令代碼和通用數(shù)控機床NC代碼格式組成的NC代碼處理單元，用于輸出基于宏的 NC代碼至NC代碼處理單元及通訊模塊。
全文摘要
一種數(shù)控機械加工技術領域的數(shù)控機床誤差虛擬補償系統(tǒng)，包括外部數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)字建模模塊、數(shù)據(jù)優(yōu)化模塊、動態(tài)建模模塊、模型泛化模塊、誤差擬合補償模塊和通訊模塊。本發(fā)明采用多模塊嵌套方式，外部信息采集模塊采集環(huán)境信息、數(shù)控機床信息、切削用量及刀具參數(shù)等信息，采集到的信息經(jīng)動態(tài)建模模塊及模型泛化模塊生成誤差模型，經(jīng)誤差擬合模塊輸出誤差擬合曲線，經(jīng)誤差補償模塊輸出NC代碼，由通訊模塊通過COM串行口及RS232串行口實現(xiàn)與CNC的實時通訊和數(shù)據(jù)采集。本系統(tǒng)可用來預報數(shù)控機床在各種切削條件下的綜合誤差并實現(xiàn)誤差實時補償。
文檔編號G05B19/404GK102033509SQ20111000977
公開日2011年4月27日 申請日期2011年1月18日 優(yōu)先權日2011年1月18日
發(fā)明者侯廣鋒, 楊建國, 王維, 范開國 申請人:上海交通大學