專利名稱：數(shù)控系統(tǒng)中多次誤差加權(quán)疊加的補(bǔ)償系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及精密控制和精密加工領(lǐng)域，更具體地說，涉及數(shù)控機(jī)床中的誤差補(bǔ)償系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
數(shù)控機(jī)床控制軸的定位精度是反映機(jī)床性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是影響加工工件精度的重要因素。高精度的數(shù)控機(jī)床和高檔的數(shù)控系統(tǒng)(CNC)，都需要使用誤差補(bǔ)償系統(tǒng)用以提聞數(shù)控機(jī)床的定位精度。 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床一般都是以伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠進(jìn)行位置控制，減少了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，改善了傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，避免了多級(jí)傳動(dòng)帶來的累積誤差。對(duì)于較高檔數(shù)控機(jī)床，全閉環(huán)和半閉環(huán)機(jī)床是應(yīng)用較多的兩種形式。而全閉環(huán)數(shù)控機(jī)床，雖然能夠大大提高其控制精度，但制造成本高，且需要另外增加測量裝置、反饋裝置以及反饋傳感器補(bǔ)償裝置。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，在滿足控制精度要求的條件下，半閉環(huán)數(shù)控機(jī)床應(yīng)用更為廣泛。與此相適應(yīng)，如何提高半閉環(huán)數(shù)控機(jī)床控制精度是需要解決的關(guān)鍵問題。數(shù)控系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償功能是提高數(shù)控機(jī)床精度的一個(gè)重要功能，隨著數(shù)控系統(tǒng)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，誤差補(bǔ)償從傳統(tǒng)的硬件補(bǔ)償向軟件補(bǔ)償轉(zhuǎn)化，軟件補(bǔ)償以其靈活方便、更改容易和補(bǔ)償精度較高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償功能設(shè)置過程一般是這樣的，例如為了對(duì)數(shù)控機(jī)床的某一個(gè)軸的絲杠螺距誤差進(jìn)行補(bǔ)償，提高數(shù)控機(jī)床控制精度，就需要測量出數(shù)控機(jī)床某一個(gè)軸的螺距誤差值，測量數(shù)控機(jī)床螺距誤差值是設(shè)置螺距誤差補(bǔ)償?shù)牡谝徊健Ｒ话憷脝晤l激光干涉儀能夠精確測量數(shù)控機(jī)床定位精度，并可得出絲杠傳動(dòng)誤差。例如使用RENISHAW公司的MLlO激光干涉儀系統(tǒng)進(jìn)行測量，測量過程如下(I)安裝激光干涉儀測量系統(tǒng)各組件，如圖I所示。(2)在數(shù)控機(jī)床需測量誤差的軸線上安裝光學(xué)測量儀器鏡組，例如測量X軸方向精度典型安裝如圖2所示。調(diào)整激光頭和測量鏡組，使得測量激光軸線與機(jī)床移動(dòng)軸線在一條直線上，即使得光路準(zhǔn)直。(3)待激光預(yù)熱之后，輸入測量參數(shù)，例如測量點(diǎn)數(shù)、測量往復(fù)次數(shù)和暫停時(shí)間
坐寸ο(4)在CNC上編制標(biāo)準(zhǔn)的測量程序，使機(jī)床移動(dòng)并開始測量。(5)激光干涉儀對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行預(yù)處理，例如處理溫度、空氣壓力變化引起的誤差，生成誤差測量文件，如果需要可以打印輸出結(jié)果。通過以上操作測量出機(jī)床的X軸的螺距誤差和反向間隙誤差等，將測量結(jié)果直接輸入到數(shù)控系統(tǒng)中或根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)誤差補(bǔ)償文件格式要求生成誤差補(bǔ)償文件再導(dǎo)入到數(shù)控系統(tǒng)中，使數(shù)控系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償功能生效，再通過以上第一步到第五步過程再測量一遍機(jī)床的定位誤差，檢查再次測量到的經(jīng)過補(bǔ)償后的機(jī)床定位精度，是否達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，如果已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，則表示誤差補(bǔ)償功能設(shè)置完畢。如果未達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，就需要采用調(diào)整機(jī)床的機(jī)械安裝等方法，或引入其他補(bǔ)償因素(例如溫度誤差補(bǔ)償)等進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后再對(duì)機(jī)床的誤差進(jìn)行測量，再將測量的誤差數(shù)據(jù)重新輸入到數(shù)控系統(tǒng)中，使補(bǔ)償生效，再檢查測量到機(jī)床的定位精度結(jié)果看是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，如此反復(fù)，直到機(jī)床的定位精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。可以看出，采用以上所描述傳統(tǒng)誤差補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行誤差補(bǔ)償時(shí)，當(dāng)使用某次測量得到結(jié)果進(jìn)行誤差補(bǔ)償時(shí)，要么誤差補(bǔ)償后的定位精度達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，完成誤差補(bǔ)償功能的設(shè)置，要么經(jīng)過誤差補(bǔ)償后定位精度沒有達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，就得經(jīng)過一些調(diào)整手段后重新測量誤差補(bǔ)償值，重新進(jìn)行補(bǔ)償，無法在已有的測量和補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)誤差補(bǔ)償進(jìn)行調(diào)整或追加再次測量的誤差補(bǔ)償，傳統(tǒng)誤差補(bǔ)償系統(tǒng)方法有操作復(fù)雜，重復(fù)工作多，工作時(shí)間長等缺點(diǎn)
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問題，本發(fā)明重新設(shè)計(jì)了誤差補(bǔ)償系統(tǒng)，較傳統(tǒng)的誤差補(bǔ)償系統(tǒng)，本發(fā)明不限制誤差補(bǔ)償文件中所描述的補(bǔ)償項(xiàng)目的數(shù)量，補(bǔ)償項(xiàng)目是以添加的方式輸入到系統(tǒng)中的，相同補(bǔ)償特征項(xiàng)目可以有多個(gè)，多個(gè)補(bǔ)償項(xiàng)目的輸出相疊加，某一補(bǔ)償項(xiàng)目的輸出還可以乘以一個(gè)權(quán)值，大大的提高了誤差補(bǔ)償功能的靈活性。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明一種數(shù)控系統(tǒng)中多次誤差加權(quán)疊加的補(bǔ)償系統(tǒng)，包括用于誤差測量的儀器。還包括添加誤差補(bǔ)償文件的單元、誤差文件解釋器、誤差補(bǔ)償擬合算法運(yùn)算器，計(jì)算誤差補(bǔ)償值的單元，以及接收誤差補(bǔ)償值指令的伺服位置閉環(huán)控制器。其中，所述添加誤差補(bǔ)償文件的單元，根據(jù)所述誤差測量儀器測量的誤差向誤差補(bǔ)償文件中添加數(shù)據(jù)；所述誤差補(bǔ)償文件是記錄測量誤差樣本點(diǎn)的數(shù)據(jù)文件，是保存了誤差補(bǔ)償需要的數(shù)據(jù)，由補(bǔ)償數(shù)據(jù)段組成，每段用來描述一個(gè)坐標(biāo)的一次測量得到的一組誤差數(shù)據(jù)樣本；所述補(bǔ)償數(shù)據(jù)段包括補(bǔ)償數(shù)據(jù)信息描述部分和誤差樣本數(shù)據(jù)部分；所述補(bǔ)償數(shù)據(jù)信息描述部分，用于描述補(bǔ)償過程參數(shù)，包括相關(guān)參數(shù)的名稱或編號(hào)、被測軸的名稱或編號(hào)、參數(shù)的變化量、參數(shù)測量及補(bǔ)償起始位置和終止位置、參數(shù)測量及補(bǔ)償方向，以及誤差補(bǔ)償權(quán)值；所述誤差樣本數(shù)據(jù)部分包括一組樣本點(diǎn)，所述樣本點(diǎn)的數(shù)據(jù)中包括參數(shù)值和誤差值兩部分；根據(jù)所述誤差補(bǔ)償文件可以得到最終誤差Ex補(bǔ)償曲線的公式Ex = EX1+EX2+EX3 = K1XF1 (X，Y, Z) +K2XF2 (X，Y, Z) +K3XF3 (X，Y, Z)+......其中X，Y，Z表示當(dāng)前位置，F(xiàn)n (X，Y，Z )為根據(jù)第η次測量誤差樣本擬合得到的誤差函數(shù)，Kn為所述誤差補(bǔ)償權(quán)值，η取1，2，3......自然數(shù)；所述誤差文件解釋器，用于檢查誤差補(bǔ)償文件的格式是否正確，提取所述誤差補(bǔ)償文件中的誤差補(bǔ)償信息，分項(xiàng)在內(nèi)存中建立誤差補(bǔ)償項(xiàng)數(shù)據(jù)列表；所述誤差補(bǔ)償擬合算法運(yùn)算器，用于計(jì)算中間點(diǎn)誤差；采用直線擬合算法，計(jì)算出
(X - X Λχ(Ε -E )
補(bǔ)償方程& = --— + Exi，并以一定的格式放入內(nèi)存；其中，誤差Ex為中間
點(diǎn)誤差，Exi和Ex2為前后點(diǎn)誤差，X1和X2為當(dāng)前位置；計(jì)算誤差補(bǔ)償值的單元包括程序代碼解析器、插補(bǔ)器；其中，所述程序代碼解析器，用于解析用戶編寫的自動(dòng)加工程序，滿足插補(bǔ)器的輸入需要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，解析執(zhí)行用戶自動(dòng)加工程序中的宏指令，包括表達(dá)式計(jì)算、循環(huán)、調(diào)轉(zhuǎn)、邏輯判斷及系統(tǒng)參數(shù)和宏變量的讀寫操作；所述插補(bǔ)器根據(jù)所述程序代碼解析器輸入的基本數(shù)據(jù)，通過計(jì)算，把工件輪廓的形狀描述出來，一邊計(jì)算一邊根據(jù)計(jì)算結(jié)果向所述伺服位置閉環(huán)控制器發(fā)送誤差補(bǔ)償值指令；所述伺服位置閉環(huán)控制器，用于驅(qū)動(dòng)刀具將工件加工出所需的輪廓形狀。本發(fā)明在高性能數(shù)控系統(tǒng)上，基于軟件補(bǔ)償原理成功實(shí)現(xiàn)了誤差的多次疊加補(bǔ)償功能，通過實(shí)際的測試實(shí)驗(yàn)證明與傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)誤差補(bǔ)償功能比較起來，本發(fā)明的多次疊加誤差補(bǔ)償系統(tǒng)能提高數(shù)控機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度，給用戶的機(jī)床精度調(diào)試帶來極大的方便，同時(shí)還提供對(duì)誤差進(jìn)行加權(quán)補(bǔ)償操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)全測量范圍的補(bǔ)償調(diào)整，而不是單一補(bǔ)償點(diǎn)的局部修正。本發(fā)明具體涉及一種數(shù)控系統(tǒng)(CNC)使用的誤差補(bǔ)償系統(tǒng)，相對(duì)于傳統(tǒng)的數(shù)控系·統(tǒng)的誤差補(bǔ)償系統(tǒng)，本誤差補(bǔ)償系統(tǒng)的能夠?qū)崿F(xiàn)誤差的多次疊加補(bǔ)償，同時(shí)也可以對(duì)某項(xiàng)誤差補(bǔ)償曲線進(jìn)行加權(quán)操作，從而使用戶可以不斷改進(jìn)數(shù)控機(jī)床的定位精度，也給用戶機(jī)床安裝調(diào)試過程帶來極大的方便。


圖I是現(xiàn)有技術(shù)激光干涉儀連接2是現(xiàn)有技術(shù)誤差測量的安裝示意圖；圖3是現(xiàn)有技術(shù)誤差補(bǔ)償系統(tǒng)的CNC補(bǔ)償功能工作流程示意圖；圖4是本發(fā)明多次誤差加權(quán)疊加補(bǔ)償系統(tǒng)的CNC補(bǔ)償功能流程示意圖；圖5是現(xiàn)有技術(shù)誤差補(bǔ)償系統(tǒng)的工作流程示意圖；圖6是本發(fā)明多次誤差加權(quán)疊加補(bǔ)償系統(tǒng)的工作流程示意圖；圖7是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)技術(shù)方案中涉及的各個(gè)模塊的功能框圖；圖8是根據(jù)測量的兩個(gè)樣本點(diǎn)建立直線擬合的示意圖；圖9是本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方式圖；圖10是誤差補(bǔ)償器誤差補(bǔ)償值計(jì)算流程圖。
具體實(shí)施例方式一、技術(shù)方案誤差補(bǔ)償值實(shí)質(zhì)上是指令位置的函數(shù)，其修正量隨著絲杠的實(shí)際移動(dòng)位置的不同而不斷變化。本發(fā)明較傳統(tǒng)誤差補(bǔ)償?shù)膬?yōu)勢在于，在原來已經(jīng)生效的誤差補(bǔ)償基礎(chǔ)上，還可以繼續(xù)測量誤差，然后將測得新的誤差值再添加到數(shù)控系統(tǒng)中，將新的誤差誤差補(bǔ)償值疊加到原誤差補(bǔ)償之上，從而不斷改善數(shù)控機(jī)床的定位精度，使數(shù)控機(jī)床精度達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。同時(shí)還可以對(duì)某一個(gè)誤差補(bǔ)償項(xiàng)設(shè)置補(bǔ)償權(quán)值進(jìn)行設(shè)定，為用戶提供更加靈活的誤差補(bǔ)償調(diào)試功能，使人機(jī)接口更加靈活友好。機(jī)床誤差補(bǔ)償過程可以理解為對(duì)位置的修正過程，這種修正可以是針對(duì)指令的，也可以是針對(duì)反饋環(huán)節(jié)的。誤差往往與許多因素相關(guān)的，包括機(jī)床當(dāng)前位置，多個(gè)相關(guān)溫度等。以X軸誤差為例，可以表達(dá)為如下形式
Ex = F(X, Y, Z, T1, T2, T3,......)其中X，Y，Z表示當(dāng)前位置，T1, T2, T3,分別表示機(jī)床不同位置溫度及環(huán)境溫度。也可以通過誤差分離，表達(dá)為如下形式Ex = F1 (X) +F2 (Y) +F3 (Z) +F4 (T1) +F5 (T2) +F6 (T3) +……)誤差補(bǔ)償過程就是通過測量得到一系列的誤差樣本，如果忽略溫度影響，既得到
系列誤差點(diǎn)(EX1，X1, Y1, Z1)，(Ex2, X2, Y2, Z2)，(Ex3, X3, Y3，Z3)，.......通過擬合算法得到
擬合方程Ex = F(X, Y, Z) 在實(shí)際運(yùn)動(dòng)控制中隨時(shí)可以修正X的實(shí)際位置 X實(shí)際位置=X理論位置+F (X, Y, Z)本發(fā)明提出的技術(shù)方案可以實(shí)現(xiàn)多次疊加補(bǔ)償和補(bǔ)償?shù)臋?quán)值，如下表達(dá)式所示SI，首次測量誤差樣本擬合得到的誤差函數(shù)=Exi = K1XF1(Xjj);其中&為權(quán)重，通常取1，可以根據(jù)實(shí)際補(bǔ)償效果增減；Fi(X，Y，Z)為根據(jù)首次測量誤差樣本擬合得到的誤差函數(shù)S2，將誤差函數(shù)納入系統(tǒng)實(shí)際位置相關(guān)補(bǔ)償運(yùn)算后，繼續(xù)進(jìn)行誤差測量，得到一系列新的誤差樣本，擬合得到新的誤差函數(shù)=Ex2 = K2XF2(X，Y，Z)，既系統(tǒng)得到新的誤差擬合Ex = EX1+EX2 = K1XF1 (X，Y, Z) +K2XF2 (X，Y, Z)S3，將誤差函數(shù)納入系統(tǒng)實(shí)際位置相關(guān)補(bǔ)償運(yùn)算后，繼續(xù)進(jìn)行誤差測量，得到一系列新的誤差樣本，擬合得到新的誤差函數(shù)Ex3 = K3XF3(X，Y，Z)，既系統(tǒng)得到新的誤差擬合Ex = EX1+EX2+EX3 = K1XF1 (X，Y, Z) +K2XF2 (X，Y, Z) +K3XF3 (X，Y, Z)；以此類推，重復(fù)上述測量和補(bǔ)償操作直至系統(tǒng)精度提升不明顯位置，即達(dá)到上述補(bǔ)償方法改善定位精度的極限，最后的誤差補(bǔ)償曲線的公式是EX = EX1+EX2+EX3 =K1X F1 (X，Y, Z) +K2 X F2 (X，Y, Z) +K3 X F3 (X，Y, Z)+......實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案各個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)如圖7所示，實(shí)現(xiàn)技術(shù)方案中涉及的各個(gè)模塊的功能描述如下I. I誤差補(bǔ)償文件補(bǔ)償文件是記錄測量誤差樣本點(diǎn)的數(shù)據(jù)文件，是誤差補(bǔ)償運(yùn)算的依據(jù)，其中保存了誤差補(bǔ)償需要的數(shù)據(jù)。補(bǔ)償文件由若干補(bǔ)償數(shù)據(jù)段組成，每個(gè)段用來描述一個(gè)坐標(biāo)的一次測量得到的一組誤差數(shù)據(jù)樣本。補(bǔ)償數(shù)據(jù)段由兩部分構(gòu)成，包括補(bǔ)償數(shù)據(jù)信息描述部分和誤差樣本數(shù)據(jù)部分 補(bǔ)償數(shù)據(jù)信息描述部分，用來描述補(bǔ)償過程參數(shù)，應(yīng)包括以下內(nèi)容■相關(guān)參數(shù)的名稱或編號(hào)。例如測量X軸在Y不同位置的誤差Εχγ，則此項(xiàng)需要說明Y軸名稱或編號(hào)。如果相關(guān)參數(shù)有幾項(xiàng)，測需要依次說明?！霰粶y軸的名稱或編號(hào)。例如測量X軸的誤差Exy，則此項(xiàng)需要說明X軸的編號(hào)或名稱?！鱿嚓P(guān)參數(shù)的變化量。該項(xiàng)為等幅變化相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量時(shí)，減少文件中的重復(fù)的數(shù)據(jù)量。例如Y軸每次增加100mm，測量X的誤差Exy，則此項(xiàng)說明為100。對(duì)于非等幅變化的測量，相關(guān)量的數(shù)值需要直接體現(xiàn)在樣本數(shù)據(jù)中?！鱿嚓P(guān)參數(shù)測量及補(bǔ)償起始位置和終止位置。該項(xiàng)為等幅變化相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量時(shí)，減少文件中的重復(fù)的數(shù)據(jù)量。例如測量X軸在Y不同位置的誤差Εχγ，Y軸測量范圍從
O-IOOOmm,則上述數(shù)據(jù)需要被記錄下來。對(duì)于等幅變化的測量，相關(guān)量的數(shù)值需要直接體現(xiàn)在樣本數(shù)據(jù)中?！鱿嚓P(guān)參數(shù)測量及補(bǔ)償方向?？紤]到有些物理規(guī)律具有雙向不一致性，例如機(jī)械坐標(biāo)由于換向時(shí)的反向間隙，即同一物理量正向達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)和反向達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)被測結(jié)果不同，因此要指明除了明確相關(guān)參數(shù)值外還需要記錄測量點(diǎn)逼近的方向?！稣`差補(bǔ)償權(quán)值。在機(jī)床上有時(shí)候需要強(qiáng)化或弱化補(bǔ)償效果，對(duì)補(bǔ)償計(jì)算的誤差結(jié)果進(jìn)行加權(quán)值處理。通常該項(xiàng)為0-100%間的一個(gè)數(shù)，可以由用戶修改，O表示補(bǔ)償無效， 100%表示補(bǔ)償全面生效。對(duì)于有些慣量較大的系統(tǒng)，該系數(shù)也可能大于100%。 誤差樣本數(shù)據(jù)部分，包括一組樣本點(diǎn)。通常每一個(gè)樣本點(diǎn)的數(shù)據(jù)中包括相關(guān)參數(shù)的值和誤差值兩部分。對(duì)于等幅變化相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量時(shí)，在補(bǔ)償數(shù)據(jù)信息描述部分包含相關(guān)參數(shù)的變化量和相關(guān)參數(shù)測量及補(bǔ)償起始位置和終止位置信息的前提下，可以減少省略相關(guān)參數(shù)的值，以測量點(diǎn)序號(hào)代替。本發(fā)明公開的補(bǔ)償文件是由若干補(bǔ)償數(shù)據(jù)段組成，每組補(bǔ)償數(shù)據(jù)在初次加載運(yùn)行時(shí)均還原到系統(tǒng)內(nèi)存中，并推演出一個(gè)補(bǔ)償模型。對(duì)于同一個(gè)被測軸，可以存在多個(gè)補(bǔ)償數(shù)據(jù)段，系統(tǒng)將依據(jù)文件中記錄次序，逐一驗(yàn)算相應(yīng)的補(bǔ)償模型，最終補(bǔ)償值將對(duì)所有誤差驗(yàn)算結(jié)果進(jìn)行疊加。即實(shí)現(xiàn)如下公式效果Ex = EX1+EX2+EX3 = K1XF1 (X，Y, Z) +K2XF2 (X，Y, Z) +K3XF3 (X，Y，Z) +......；I. 2誤差文件解釋器檢查誤差補(bǔ)償文件的格式是否正確，提取誤差補(bǔ)償文件中的誤差補(bǔ)償信息，分項(xiàng)在內(nèi)存中建立誤差補(bǔ)償項(xiàng)數(shù)據(jù)列表。由于數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境的不同，所以開發(fā)者會(huì)定義出各種各樣的補(bǔ)償文件格式，不同格式的補(bǔ)償文件就需要有不同的誤差文件解釋器來將文件解釋并放入內(nèi)存，所以本發(fā)明并未定義誤差文件的格式和解釋器具體實(shí)現(xiàn)。I. 3誤差補(bǔ)償擬合算法運(yùn)算器由于誤差文件給出的是一些離散點(diǎn)的誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)，例如每隔40mm給出一個(gè)誤差補(bǔ)償值，而兩個(gè)離散點(diǎn)中間的部分的數(shù)據(jù)并未給出，這樣就需要系統(tǒng)運(yùn)算出兩個(gè)離散點(diǎn)中間點(diǎn)的誤差補(bǔ)償值，那么計(jì)算這些中間點(diǎn)誤差的算法，就是誤差補(bǔ)償擬合算法，通常采用直線擬合算法。那么誤差補(bǔ)償擬合算法運(yùn)算器的功能就是，根據(jù)離散的誤差補(bǔ)償值，計(jì)算出補(bǔ)償方程并以一定的格式放入內(nèi)存。例如，參據(jù)圖8根據(jù)測量的兩個(gè)樣本點(diǎn)(XliExi), (X2,Ex2)建立直線擬合算法的公式是Εχ ~Εχ =推倒出誤差補(bǔ)償值計(jì)算公式為
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A2-A1I. 4程序代碼解析器負(fù)責(zé)解析用戶編寫的自動(dòng)加工程序；為滿足插補(bǔ)器的輸入需要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化；解析執(zhí)行用戶自動(dòng)加工程序中的宏指令，包括表達(dá)式計(jì)算、循環(huán)、調(diào)轉(zhuǎn)、邏輯判斷及系統(tǒng)參數(shù)和宏變量的讀寫操作。I. 5插補(bǔ)器負(fù)責(zé)對(duì)來自程序代碼解析器和界面手動(dòng)操作的運(yùn)動(dòng)服務(wù)請求。這些運(yùn)動(dòng)服務(wù)請求包括直線、圓弧等常規(guī)幾何軌跡。在數(shù)控機(jī)床中，刀具不能嚴(yán)格地按照要求加工的曲線運(yùn)動(dòng)，只能用折線軌跡逼近所要加工的曲線。插補(bǔ)(interpolation)是機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)依照一定方法確定刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的過程。也可以說，已知曲線上的某些數(shù)據(jù)，按照某種算法計(jì)算已知點(diǎn)之間的中間點(diǎn)的方法，也稱為“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化”。插補(bǔ)器根據(jù)“程序代碼解析器”輸入的基本數(shù)據(jù)，通過計(jì)算，把工件輪廓的形狀描述出來，一邊計(jì)算一邊根據(jù)計(jì)算結(jié)果向邊向位置閉環(huán)發(fā)送位置指令，從而將工件加工出所需要輪廓的形狀。二、實(shí)現(xiàn)方式本發(fā)明提出的控制方法依據(jù)數(shù)控系統(tǒng)選用的不同 的操作系統(tǒng)和開發(fā)工具有多種實(shí)現(xiàn)方式。如圖9展示了本發(fā)明的一種具體實(shí)施例。數(shù)控系統(tǒng)由數(shù)控系統(tǒng)硬件、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)軟件三大部分構(gòu)成。2. I數(shù)控系統(tǒng)硬件可以有多種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，例如X86PC構(gòu)架、ARM處理器構(gòu)架、DSP處理器構(gòu)架、單片機(jī)構(gòu)架以及多個(gè)上述處理器構(gòu)成的多CPU構(gòu)架。中央處理器CPU通過內(nèi)部計(jì)算機(jī)總線與其他設(shè)備連接，包括數(shù)控所必需的實(shí)時(shí)鐘、伺服及I/o設(shè)備接口、存儲(chǔ)介質(zhì)和顯示設(shè)備及輸入設(shè)備。采用X86PC構(gòu)架的硬件系統(tǒng)可以用機(jī)內(nèi)8253或其兼容時(shí)鐘體系作實(shí)時(shí)鐘；可通過PCI總線或ISA總線接口模擬量輸出卡和數(shù)字量輸入輸出卡實(shí)現(xiàn)伺服及I/O設(shè)備接口，對(duì)于現(xiàn)場總線接口的伺服及I/O設(shè)備，可采用相應(yīng)現(xiàn)場總線通訊接口卡實(shí)現(xiàn)伺服及I/O設(shè)備接口 ；可采用標(biāo)準(zhǔn)硬盤或SD卡、CF卡作為文件系統(tǒng)存儲(chǔ)介質(zhì)。2. 2實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以選用VxWorks, RTLinux等專業(yè)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),也可以選用Windows結(jié)合實(shí)時(shí)擴(kuò)展GRTK (光洋科技產(chǎn)品)，或在系統(tǒng)性能要求較低時(shí)選擇Windows CE等具有一定軟實(shí)時(shí)特征的操作系統(tǒng)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中除了支持常規(guī)的文件管理及存儲(chǔ)介質(zhì)驅(qū)動(dòng)和圖形用戶接口 GUI，主要通過實(shí)時(shí)鐘定時(shí)中斷處理程序作為實(shí)現(xiàn)周期性地實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度。數(shù)控設(shè)備驅(qū)動(dòng)可以采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)框架，封裝對(duì)伺服及I/O設(shè)備接口的數(shù)據(jù)操作，這些數(shù)據(jù)包括對(duì)伺服的指令及對(duì)I/O的指令，也包括采集來自伺服的反饋數(shù)據(jù)及I/O的數(shù)據(jù)。2. 3數(shù)控系統(tǒng)軟件可用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)支持的應(yīng)用程序開發(fā)工具來開發(fā)，例如RTLinux操作系統(tǒng)支持的GCC開發(fā)環(huán)境，對(duì)于選擇Windows+GRTK作為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的選擇VC開發(fā)環(huán)境進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)軟件的開發(fā)。數(shù)控系統(tǒng)軟件主要包括多個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)程序代碼解析器、插補(bǔ)器、PLC子系統(tǒng)。依據(jù)不同的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的工作方式，上述實(shí)時(shí)任務(wù)可以是實(shí)時(shí)線程，也可以是能夠被實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)加載運(yùn)行的循環(huán)函數(shù)體。數(shù)控軟件各部分實(shí)現(xiàn)的原理如下2. 3. I數(shù)控加工程序文件操作器負(fù)責(zé)從數(shù)控系統(tǒng)得文件系統(tǒng)中打開被選擇的文件。數(shù)控加工程序大多以回車換行字符作為行結(jié)束的標(biāo)志。通常數(shù)控加工程序文件操作器處于被調(diào)用的運(yùn)行方式，不具備自主運(yùn)行的要求，即可以一組服務(wù)函數(shù)的形式實(shí)現(xiàn)，也可以具有一組服務(wù)接口的對(duì)象實(shí)現(xiàn)。
2.3.2數(shù)控人機(jī)交互子系統(tǒng)負(fù)責(zé)接受來自鍵盤等輸入設(shè)備的用戶操作信息；同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)其他構(gòu)成單元的信息顯示。在操作系統(tǒng)圖形用戶接口的支持下，數(shù)控人機(jī)交互子系統(tǒng)可以進(jìn)程的形式實(shí)現(xiàn)，與數(shù)控系統(tǒng)軟件的其他構(gòu)成部分以進(jìn)程通信的方式進(jìn)行信息交互，包括共享內(nèi)存、管道、Socket等；數(shù)控人機(jī)交互子系統(tǒng)也可以與數(shù)控系統(tǒng)軟件的其他部分公用一個(gè)進(jìn)程，以線程的形式實(shí)現(xiàn)，則與其它部分共享進(jìn)程內(nèi)存空間。在Windows族類操作系統(tǒng)支持下，數(shù)控人機(jī)交互子系統(tǒng)可以采用MFC提供的Doc/View模式開發(fā)實(shí)現(xiàn)。不論何種方式，數(shù)控人機(jī)交互子系統(tǒng)均采用主動(dòng)運(yùn)行的工作方式，包括查詢操作輸入和周期性的數(shù)據(jù)顯示刷新。在Windows族類操作系統(tǒng)支持下,輸入可以采用Windows消息實(shí)現(xiàn),數(shù)據(jù)顯示刷新可以在timer或多媒體定時(shí)器的周期任務(wù)中實(shí)現(xiàn)刷新觸發(fā)。數(shù)控人機(jī)交互子系統(tǒng)作為主動(dòng)運(yùn)行的子系統(tǒng)因其實(shí)時(shí)性要求比較低，通?？梢圆患{入到實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度中，或以較低的優(yōu)先級(jí)參 與任務(wù)調(diào)度。2. 3. 3 插補(bǔ)器負(fù)責(zé)接受來自程序代碼解析器解析和預(yù)處理過的宏觀運(yùn)動(dòng)指令(直線、圓弧、NURBS曲線等)；將運(yùn)動(dòng)指令插值為伺服設(shè)備能夠執(zhí)行的微觀增量指令，并且嚴(yán)格周期(lms, 2ms, 4ms ^)方式通過數(shù)控設(shè)備驅(qū)動(dòng)向伺服位置閉環(huán)控制器輸出。由于對(duì)插補(bǔ)器具有嚴(yán)格周期輸出的需求，通常插補(bǔ)器以實(shí)時(shí)線程或?qū)崟r(shí)任務(wù)的形式，納入實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度。通常插補(bǔ)器的核心插補(bǔ)算法可以是經(jīng)典的逐點(diǎn)比較法、數(shù)值積分法，也可以其他具有微分功能的參數(shù)方程等算法。2. 3. 4伺服位置閉環(huán)控制器負(fù)責(zé)接收插補(bǔ)器計(jì)算結(jié)果，并根據(jù)該結(jié)果及伺服位置信息對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)進(jìn)行位置閉環(huán)，從而控制電機(jī)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)精確的位置運(yùn)動(dòng)。伺服位置閉環(huán)控制器具有運(yùn)行調(diào)度接口，在實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度子系統(tǒng)調(diào)度下嚴(yán)格周期性(1ms，2ms，4ms等)循環(huán)運(yùn)行。位置閉環(huán)控制器可以采用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)結(jié)合前饋控制算法，以給定位置為控制目標(biāo)，以來自數(shù)控設(shè)備驅(qū)動(dòng)的電機(jī)位置/角度反饋為反饋信息，以伺服驅(qū)動(dòng)的速度控制量為控制輸出；計(jì)算得到的速度控制量通過數(shù)控設(shè)備驅(qū)動(dòng)，最終送達(dá)伺服執(zhí)行。2. 3. 5PLC 子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)設(shè)備(數(shù)控機(jī)床)控制所必需的輔助功能，包括冷卻、潤滑、主軸開關(guān)等。PLC子系統(tǒng)可以采用梯形圖掃描方式執(zhí)行，也可以將梯形圖轉(zhuǎn)化為布爾助記符語言、功能表圖語言、功能模塊圖語言及結(jié)構(gòu)化語句描述語言解釋執(zhí)行，或?qū)⑦壿嬚Z言最終編譯為機(jī)器語言運(yùn)行。為了響應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)加工程序中的^3\1'指令，PLC子系統(tǒng)為程序代碼解析器提供M\S\T指令的服務(wù)接口 ；PLC子系統(tǒng)將接受到的M\S\T指令作為觸發(fā)相應(yīng)邏輯子程序的開關(guān)，一旦接受來自程序代碼解析器的服務(wù)請求則啟動(dòng)相應(yīng)的邏輯功能子程序。2. 3. 6程序代碼解析器主要負(fù)責(zé)調(diào)用數(shù)控加工程序文件操作器服務(wù)接口，為插補(bǔ)器提供宏觀數(shù)據(jù)，具有一定的實(shí)時(shí)輸出的需求，通常程序代碼解析器以優(yōu)先級(jí)較低的實(shí)時(shí)線程或?qū)崟r(shí)任務(wù)的形式，納入實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度。程序代碼解析器以行為單位獲取數(shù)控加工程序；將字符串型的數(shù)控加工程序行經(jīng)過詞法分析(可以選用Lex)。指令類別甄別器在語法分析(可以選用Yacc)的基礎(chǔ)上，針對(duì)每個(gè)解析出的關(guān)鍵字進(jìn)行分類處理，例如對(duì)G代碼的逐一處理，對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)的逐一處理，對(duì)M、S、T代碼的逐一處理，上述工作由常規(guī)運(yùn)動(dòng)指令解析器完成，處理結(jié)果主要是根據(jù)G代碼表征的運(yùn)動(dòng)請求結(jié)合坐標(biāo)信息，轉(zhuǎn)化為與插補(bǔ)器約定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過插補(bǔ)器對(duì)程序代碼解析器的接口調(diào)用送入插補(bǔ)器。2. 3. 7誤差補(bǔ)償器主要由從CNC系統(tǒng)中讀取系統(tǒng)運(yùn)行信息(主要是位置信息、軸的運(yùn)動(dòng)方向和溫度信息等)用保存在其中的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，計(jì)算出誤差補(bǔ)償值，圖11是其工作流程圖。誤差補(bǔ)償功能是數(shù)控系統(tǒng)等高精度控制設(shè)備所必備功能，本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有誤差補(bǔ)償系統(tǒng)技術(shù)中的不足，重新設(shè)計(jì)了誤差補(bǔ)償系統(tǒng)的工作流程。如圖3-4展示了使用傳統(tǒng)誤差補(bǔ)償系統(tǒng)與使用本發(fā)明誤差補(bǔ)償系統(tǒng)的CNC補(bǔ)償功 能工作流程的差別。比較傳統(tǒng)的補(bǔ)償方法，在數(shù)控系統(tǒng)中使用我們發(fā)明的誤差補(bǔ)償方法后，可以在已經(jīng)生效的誤差補(bǔ)償效果基礎(chǔ)上，繼續(xù)追加新的誤差補(bǔ)償，就可以逐步的使機(jī)床精度得到提高，逐步改善機(jī)床的精度，從而達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，而無需一遍一遍的反復(fù)測量和修正誤差補(bǔ)償值，這樣就大大的減少了許多重復(fù)的工作量。如圖5-6所示，比較了傳統(tǒng)誤差補(bǔ)償系統(tǒng)與本發(fā)明的工作流程上的主要區(qū)別。本發(fā)明各個(gè)模塊都可在各種數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境中，以各種的計(jì)算機(jī)編程語言來實(shí)現(xiàn)。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)控系統(tǒng)中多次誤差加權(quán)疊加的補(bǔ)償系統(tǒng)，包括用于誤差測量的儀器；其特征在于，還包括添加誤差補(bǔ)償文件的單元、誤差文件解釋器、誤差補(bǔ)償擬合算法運(yùn)算器，計(jì)算誤差補(bǔ)償值的單元，以及接收誤差補(bǔ)償值指令的伺服位置閉環(huán)控制器；其中， 所述添加誤差補(bǔ)償文件的單元，根據(jù)所述誤差測量儀器測量的誤差向誤差補(bǔ)償文件中添加數(shù)據(jù)；所述誤差補(bǔ)償文件是記錄測量誤差樣本點(diǎn)的數(shù)據(jù)文件，是保存了誤差補(bǔ)償需要的數(shù)據(jù)，由補(bǔ)償數(shù)據(jù)段組成，每段用來描述一個(gè)坐標(biāo)的一次測量得到的一組誤差數(shù)據(jù)樣本；所述補(bǔ)償數(shù)據(jù)段包括補(bǔ)償數(shù)據(jù)信息描述部分和誤差樣本數(shù)據(jù)部分；所述補(bǔ)償數(shù)據(jù)信息描述部分，用于描述補(bǔ)償過程參數(shù)，包括相關(guān)參數(shù)的名稱或編號(hào)、被測軸的名稱或編號(hào)、參數(shù)的變化量、參數(shù)測量及補(bǔ)償起始位置和終止位置、參數(shù)測量及補(bǔ)償方向，以及誤差補(bǔ)償權(quán)值；所述誤差樣本數(shù)據(jù)部分包括一組樣本點(diǎn)，所述樣本點(diǎn)的數(shù)據(jù)中包括參數(shù)值和誤差值兩部分；根據(jù)所述誤差補(bǔ)償文件可以得到最終誤差Ex補(bǔ)償曲線的公式Ex = EX1+EX2+EX3 = K1X F1 (X，Y，Z) +K2 X F2 (X，Y，Z) +K3X F3 (X，Y，Z) +...... 其中X，Y，Z表示當(dāng)前位置，F(xiàn)n(X，Y，Z )為根據(jù)第η次測量誤差樣本擬合得到的誤差函數(shù)，Kn為所述誤差補(bǔ)償權(quán)值，η取1，2，3......自然數(shù)； 所述誤差文件解釋器，用于檢查誤差補(bǔ)償文件的格式是否正確，提取所述誤差補(bǔ)償文件中的誤差補(bǔ)償信息，分項(xiàng)在內(nèi)存中建立誤差補(bǔ)償項(xiàng)數(shù)據(jù)列表； 所述誤差補(bǔ)償擬合算法運(yùn)算器，用于計(jì)算中間點(diǎn)誤差；采用直線擬合算法，計(jì)算出補(bǔ)償 方程
全文摘要
一種數(shù)控系統(tǒng)中多次誤差加權(quán)疊加的補(bǔ)償系統(tǒng)，包括用于誤差測量的儀器，還包括添加誤差補(bǔ)償文件的單元、誤差文件解釋器、誤差補(bǔ)償擬合算法運(yùn)算器，計(jì)算誤差補(bǔ)償值的單元，以及接收誤差補(bǔ)償值指令的伺服位置閉環(huán)控制器；計(jì)算誤差補(bǔ)償值的單元包括程序代碼解析器、插補(bǔ)器。本發(fā)明多次疊加誤差補(bǔ)償系統(tǒng)能提高數(shù)控機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度，給用戶的機(jī)床精度調(diào)試帶來極大的方便，同時(shí)還提供對(duì)誤差進(jìn)行加權(quán)補(bǔ)償操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)全測量范圍的補(bǔ)償調(diào)整，可以對(duì)某項(xiàng)誤差補(bǔ)償曲線進(jìn)行加權(quán)操作，從而使用戶可以不斷改進(jìn)數(shù)控機(jī)床的定位精度，也給用戶機(jī)床安裝調(diào)試過程帶來極大的方便。
文檔編號(hào)G05B19/404GK102789199SQ20111012923
公開日2012年11月21日 申請日期2011年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月18日
發(fā)明者于德海, 劉慶宏, 劉沛, 林猛, 湯洪濤, 王聲文, 王大偉, 白彥慶, 耿文劍, 董大鵬, 陳虎 申請人:大連光洋科技工程有限公司