熱誤差智能檢測補償系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種熱誤差智能檢測補償系統(tǒng)，包括硬件部分和內(nèi)置于該硬件部分中的軟件部分；所述系統(tǒng)硬件部分包括溫度傳感器、位移傳感器、溫度采集卡、位移采集卡和計算機；所述系統(tǒng)軟件部分包括熱誤差檢測模塊、熱誤差建模模塊和熱誤差補償模塊。本發(fā)明可克服現(xiàn)有的熱誤差檢測系統(tǒng)自動化程度不夠，效率低和對操作人員的專業(yè)水平要求較高的缺點，同時，可提供多種熱誤差建模算法，快速高效的進行熱誤差建模，適用于工業(yè)現(xiàn)場的機床熱誤差補償，另外，具有低成本的優(yōu)點，可進行大批量數(shù)控機床熱誤差智能檢測和熱誤差補償。
【專利說明】熱誤差智能檢測補償系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種熱誤差智能檢測補償系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]熱誤差補償技術(shù)是通過研究數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)熱特性，建立熱誤差補償策略，減少熱誤差影響，提高數(shù)控機床精度。在工程實驗中，從有限的溫度測點中辨識出幾個溫度關(guān)鍵點即熱敏感點，建立熱誤差補償模型。將熱誤差模型導入機床數(shù)控系統(tǒng)，通過對熱敏感點的溫度值檢測后得出的熱誤差補償量分配到各個軸，從而完成熱誤差補償。如申請?zhí)枮?01120033687.0、名稱為“數(shù)控機床熱誤差測量系統(tǒng)”的中國專利中公開了一種熱誤差測量系統(tǒng)，包括溫度傳感器、位移傳感器和數(shù)據(jù)采集卡及工控機，用于實時保存各溫度檢測數(shù)據(jù)及熱位移變形量檢測數(shù)據(jù)，利用熱誤差函數(shù)進行實施階段性建模并進行各溫度檢測數(shù)據(jù)及熱位移變形量檢測數(shù)據(jù)的精度評定，判斷模型的穩(wěn)定性及精度。又如申請?zhí)枮?01310245088.9、名稱為“基于人機界面二次開發(fā)的數(shù)控機床誤差補償系統(tǒng)及方法”的中國專利中公開了 一種數(shù)控機床誤差補償系統(tǒng)，通過溫度傳感器對數(shù)控機床熱誤差實施在線補償，基于人機界面和DDE讀取機床參數(shù)，可實現(xiàn)良好的在線狀態(tài)監(jiān)控。這兩個專利文獻中記載的技術(shù)方案無法滿足數(shù)控機床同時進行熱誤差建模和補償?，F(xiàn)有的熱誤差檢測系統(tǒng)只能進行數(shù)據(jù)采集，需要專業(yè)的人員對所采集的數(shù)據(jù)進行分析和處理，確立熱敏感點和建立熱誤差模型，效率較低。針對特定的用途，亟需設(shè)計專用的熱誤差檢測和補償系統(tǒng)，既能滿足實際需要，又能降低成本，適用于機床企業(yè)針對批量生產(chǎn)的機床進行熱誤差分析和補償。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種熱誤差智能檢測補償系統(tǒng)。
[0004]為達到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:
[0005]包括硬件部分和軟件部分；所述硬件部分包括溫度傳感器、位移傳感器、溫度采集卡、位移采集卡、控制主板、計算機和數(shù)控系統(tǒng)PCU，溫度傳感器與溫度采集卡相連，位移傳感器與位移采集卡相連，位移采集卡以及溫度采集卡與控制主板相連，控制主板與計算機以及數(shù)控系統(tǒng)PCU相連；所述軟件部分包括熱誤差檢測模塊、熱誤差建模模塊和熱誤差補償模塊，熱誤差檢測模塊采用動態(tài)分配站號的方式建立溫度采集卡以及位移采集卡與控制主板的多機通信系統(tǒng)，并將溫度傳感器以及位移傳感器采集的溫度值和位移值經(jīng)控制主板發(fā)送到計算機，熱誤差建模模塊利用計算機對溫度值和位移值進行存儲和數(shù)字曲線實時顯示并根據(jù)溫度值和位移值建模，得出熱敏感點和熱誤差模型，熱誤差補償模塊利用數(shù)控系統(tǒng)PCU根據(jù)熱誤差模型分析熱敏感點溫度值得到熱變形量，并將熱變形量分解到機床各運動軸上后進行熱誤差補償。
[0006]所述溫度傳感器為鉬熱電阻，溫度傳感器分布在機床的關(guān)鍵溫度測點上；所述位移傳感器為電渦流位移傳感器，位移傳感器安裝在各運動軸上。
[0007]所述溫度采集卡以及位移采集卡包括調(diào)理電路和下位機，溫度傳感器或位移傳感器測量的模擬信號經(jīng)調(diào)理電路濾波和放大后，再經(jīng)過下位機轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。
[0008]所述下位機與控制主板上的上位機之間通過CAN總線形成控制器局域網(wǎng)絡(luò)，并采用RS485半雙工通信；控制主板上的上位機與計算機采用RS232全雙工通信。
[0009]所述多機通信系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)流格式為:
[0010]起始位+命令+數(shù)據(jù)個數(shù)+數(shù)據(jù)+校驗位+結(jié)束位
[0011]其中，起始位和結(jié)束位中包含溫度采集卡或位移采集卡的站號，將待發(fā)送數(shù)據(jù)流中的命令、數(shù)據(jù)個數(shù)和數(shù)據(jù)求和后作為校驗位，校驗位作為數(shù)據(jù)流的一部分發(fā)送和接收，若根據(jù)接收的數(shù)據(jù)流計算出的校驗和與該數(shù)據(jù)流的校驗位不相等，則舍棄所述接收的數(shù)據(jù)流，校驗和為所述接收的數(shù)據(jù)流的命令、數(shù)據(jù)個數(shù)和數(shù)據(jù)的求和結(jié)果。
[0012]所述動態(tài)分配站號的具體步驟如下:
[0013]由控制主板給溫度采集卡以及位移采集卡逐一發(fā)送站號命令，若控制主板得到溫度采集卡或位移采集卡的確認回應(yīng)，則對應(yīng)溫度采集卡或位移采集卡的站號分配完成，下一個溫度采集卡或位移采集卡結(jié)束等待，并開始接受分配站號，若控制主板沒有得到溫度采集卡或位移采集卡的確認回應(yīng)，則控制主板重復發(fā)送站號命令，并等待確認回應(yīng)，若多次發(fā)送站號后仍未得到確認回應(yīng)，則動態(tài)分配站號過程結(jié)束。
[0014]溫度采集卡或位移采集卡通過控制主板發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng)PCU或計算機的數(shù)據(jù)格式如下:
[0015]STX+傳送數(shù)據(jù)+ETX+校驗和+EOT
[0016]其中，STX表示報文開始，ETX表示報文結(jié)束，EOT表示結(jié)束符，校驗和的計算方法為:將每位傳送數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為16進制的ASCII碼，然后求和，并取求和結(jié)果的末兩位。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點:
[0018]1、可克服現(xiàn)有的熱誤差檢測系統(tǒng)自動化程度低和對操作人員的專業(yè)水平要求較聞的缺點。
[0019]2、可提供多種現(xiàn)有熱誤差建模算法，快速高效的進行熱誤差建模，適用于工業(yè)現(xiàn)場的機床熱誤差補償。
[0020]3、具有低成本的優(yōu)點，適用于大批量數(shù)控機床熱誤差智能檢測和熱誤差補償。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明所述熱誤差智能檢測補償系統(tǒng)技術(shù)路線圖；
[0022]圖2是單片機多機通信協(xié)議圖；
[0023]圖3是單片機站號初始化時序框圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作詳細說明。
[0025]參見圖1，本發(fā)明所述熱誤差智能檢測補償系統(tǒng)包括熱誤差智能檢測補償系統(tǒng)硬件部分和內(nèi)置于該硬件部分中的熱誤差智能檢測補償系統(tǒng)軟件部分。
[0026]所述硬件部分包括溫度傳感器、位移傳感器、溫度采集卡、位移采集卡、控制主板、計算機和數(shù)控系統(tǒng)PCU。所述溫度傳感器為鉬熱電阻PT100，溫度傳感器分布在機床的關(guān)鍵溫度測點上，測量范圍為0-100°C，測量分辨率可達到0.12°C;所述位移傳感器為WD502A型電渦流位移傳感器，位移傳感器用夾具進行夾持，安裝在各運動軸上，測量熱變形量，量程為2.0mm ;所述數(shù)控系統(tǒng)PCU為數(shù)控系統(tǒng)自帶的計算機，數(shù)控系統(tǒng)PCU的控制軟件存儲在該計算機中。溫度傳感器與溫度采集卡相連，位移傳感器與位移采集卡相連，位移采集卡以及溫度采集卡通過RS485與控制主板相連，控制主板通過RS232串口與計算機以及數(shù)控系統(tǒng)PCU相連，從而可以實時將溫度傳感器測量值以及位移傳感器測量值傳送到計算機用于監(jiān)測和建模，或者實時傳輸溫度傳感器測量值到數(shù)控系統(tǒng)PCU，并根據(jù)熱誤差模型得到機床熱變形量用于熱誤差補償。所述溫度采集卡以及位移采集卡包括調(diào)理電路和下位機(單片機C8051F206作為下位機)，溫度傳感器或位移傳感器測量的模擬信號經(jīng)調(diào)理電路濾波和放大后，再經(jīng)過下位機轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，對被測量連續(xù)多次采樣并取均值后發(fā)送給控制主板，控制主板可將被測量發(fā)送到計算機或數(shù)控系統(tǒng)PCU，也可存儲在控制主板所包含的128M NandFlash (K9F1G08U0D-SCB0)中，溫度采集卡以及位移采集卡可進行擴展，最多可擴展至8張。所述下位機與控制主板上的上位機(單片機C8051F340作為上位機)之間通過CAN總線形成控制器局域網(wǎng)絡(luò)，并采用RS485半雙工通信，通過動態(tài)分配站號實現(xiàn)溫度采集卡以及位移采集卡的站號初始化；控制主板上的上位機與計算機采用RS232全雙工通信。
[0027]所述軟件部分包括熱誤差檢測模塊、熱誤差建模模塊和熱誤差補償模塊，熱誤差檢測模塊采用C語言編程模式，熱誤差建模模塊和熱誤差補償模塊采用VB編程模式，熱誤差檢測模塊采用動態(tài)分配站號的方式建立溫度采集卡以及位移采集卡與控制主板的多機通信系統(tǒng)，并將溫度傳感器以及位移傳感器按一定周期循環(huán)采集的溫度值和位移值經(jīng)控制主板發(fā)送到計算機，熱誤差建模模塊利用計算機對溫度值和位移值進行存儲和數(shù)字曲線實時顯示并根據(jù)溫度值和位移值采用模糊聚類、灰色聚類、遺傳算法、多元線性回歸等現(xiàn)有的熱誤差建模方法建模，得出熱敏感點和熱誤差模型，將熱誤差模型嵌入到熱誤差補償模塊(數(shù)控系統(tǒng)的二次開發(fā)模塊)后，熱誤差補償模塊利用數(shù)控系統(tǒng)PCU根據(jù)所建立的熱誤差模型分析熱敏感點溫度值得到熱變形量，并將熱變形量分解到機床各運動軸上后進行熱誤差補償。
[0028]參見圖2，熱誤差檢測模塊通過RS485半雙工通信可以方便、快捷地實現(xiàn)多個溫度采集卡以及位移采集卡采集數(shù)據(jù)與控制主板之間的傳輸。為了保證多機通信的安全可靠，需要建立多機通信協(xié)議，所述多機通信系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)流格式如下:
[0029]起始位+命令+數(shù)據(jù)個數(shù)+數(shù)據(jù)+校驗位+結(jié)束位
[0030]其中，起始位和結(jié)束位中包含溫度采集卡或位移采集卡的站號，單片機發(fā)送時，均使RB8/TB8=1，使得上位機或下位機明白所發(fā)的字節(jié)為起始位和結(jié)束位。將待發(fā)送數(shù)據(jù)流中的命令(16位)、數(shù)據(jù)個數(shù)和數(shù)據(jù)求和后作為校驗位，校驗位作為數(shù)據(jù)流的一部分發(fā)送和接收，若根據(jù)接收的數(shù)據(jù)流計算出的校驗和與該數(shù)據(jù)流的校驗位不同，則舍棄所述接收的數(shù)據(jù)流，這樣，可大大降低多機通信錯誤率，校驗和為所述接收的數(shù)據(jù)流的命令、數(shù)據(jù)個數(shù)和數(shù)據(jù)的求和結(jié)果。
[0031]考慮到熱誤差檢測模塊多機通信時，每一個溫度采集卡或位移采集卡應(yīng)具有唯一站號。另外，熱誤差檢測面向的機床不同和布置的溫度傳感器以及位移傳感器的數(shù)目不同，同時為了最大限度的提高溫度采集卡以及位移采集卡使用的靈活性，本發(fā)明采用動態(tài)分配站號的方法。參見圖3，所述動態(tài)分配站號的具體步驟如下:由控制主板給溫度采集卡以及位移采集卡逐一發(fā)送站號命令，若控制主板得到溫度采集卡或位移采集卡的確認回應(yīng)，則對應(yīng)溫度采集卡或位移采集卡的站號分配完成，下一個溫度采集卡或位移采集卡結(jié)束等待，并開始接受分配站號，若控制主板沒有得到溫度采集卡或位移采集卡的確認回應(yīng)(例如在5ms內(nèi))，則控制主板重復發(fā)送站號，并等待確認回應(yīng)，若多次(例如7次)發(fā)送站號后仍未得到確認回應(yīng)，說明沒有溫度采集卡或位移采集卡，或者溫度采集卡或位移采集卡有故障，則動態(tài)分配站號過程結(jié)束，此時，完成動態(tài)分配站號的溫度采集卡或位移采集卡都具有唯一站號。
[0032]溫度采集卡或位移采集卡通過控制主板發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng)PCU或計算機的數(shù)據(jù)格式如下:
[0033]STX (報文開始)+傳送數(shù)據(jù)+ETX (報文結(jié)束)+校驗和+結(jié)束符EOT
[0034]其中，校驗和:將每位傳送數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為ASCII碼的16進制，然后求和，取其末兩位。校驗和的對象包括STX到ETX之間的數(shù)據(jù)，不含STX和ETX。如傳送數(shù)據(jù)位01F4CA33，則校驗和為 30H+31H+46H+34H+43H+41H+33H+33H=1C5H 的末兩位 C5。
[0035]數(shù)控系統(tǒng)或計算機接收到串口端發(fā)送來的數(shù)據(jù)時，對其進行求和校驗。若和接收的校驗和不一致，則發(fā)生通信出錯，返回ENQ (數(shù)據(jù)請求)給控制主板要求重新發(fā)送數(shù)據(jù)。若連續(xù)三次校驗不一致，則認為發(fā)生通信錯誤，發(fā)送NAK (拒絕接收)信息給控制主板中斷連接。若接收數(shù)據(jù)正常，則發(fā)送ACK (通信正常)消息反饋給控制主板。
[0036]采集的溫度以及位移數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到計算機上的熱誤差建模模塊后，熱誤差建模模塊選擇記錄數(shù)據(jù)功能時，生成數(shù)據(jù)文本文件。根據(jù)選通所需記錄數(shù)據(jù)的通道可將對應(yīng)通道數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)文本并且顯示在數(shù)據(jù)界面中。曲線界面中選通通道可將對應(yīng)的通道數(shù)據(jù)以不同顏色顯示在曲線界面中。熱誤差建模模塊對溫度一位移數(shù)據(jù)采用模糊聚類、多元線性回歸等現(xiàn)有熱誤差建模方法建模，得出熱敏感點和熱誤差模型。
[0037]采用鉬熱電阻PT100 (溫度傳感器)貼于機床熱敏感點，通過溫度采集卡采集溫度傳感器信號并將數(shù)據(jù)經(jīng)控制主板以RS232串行通信的方式發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng)P⑶。將開發(fā)的熱誤差補償模塊的HMI界面程序嵌入數(shù)控系統(tǒng)中，數(shù)控系統(tǒng)的串口接收采集自熱敏感點的溫度值，將其傳遞給PLC內(nèi)存中，通過PLC梯形圖將相應(yīng)參數(shù)傳遞到數(shù)控系統(tǒng)的NC控制模塊，對機床插補指令進行修正，從而實現(xiàn)熱誤差補償。
【權(quán)利要求】
1.一種熱誤差智能檢測補償系統(tǒng)，其特征在于:包括硬件部分和軟件部分；所述硬件部分包括溫度傳感器、位移傳感器、溫度采集卡、位移采集卡、控制主板、計算機和數(shù)控系統(tǒng)PCU,溫度傳感器與溫度采集卡相連，位移傳感器與位移采集卡相連，位移采集卡以及溫度采集卡與控制主板相連，控制主板與計算機以及數(shù)控系統(tǒng)PCU相連；所述軟件部分包括熱誤差檢測模塊、熱誤差建模模塊和熱誤差補償模塊，熱誤差檢測模塊采用動態(tài)分配站號的方式建立溫度采集卡以及位移采集卡與控制主板的多機通信系統(tǒng)，并將溫度傳感器以及位移傳感器采集的溫度值和位移值經(jīng)控制主板發(fā)送到計算機，熱誤差建模模塊利用計算機對溫度值和位移值進行存儲和數(shù)字曲線實時顯示并根據(jù)溫度值和位移值建模，得出熱敏感點和熱誤差模型，熱誤差補償模塊利用數(shù)控系統(tǒng)PCU根據(jù)熱誤差模型分析熱敏感點溫度值得到熱變形量，并將熱變形量分解到機床各運動軸上后進行熱誤差補償。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種熱誤差智能檢測補償系統(tǒng)，其特征在于:所述溫度傳感器為鉬熱電阻，溫度傳感器分布在機床的關(guān)鍵溫度測點上；所述位移傳感器為電渦流位移傳感器，位移傳感器安裝在各運動軸上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種熱誤差智能檢測補償系統(tǒng)，其特征在于:所述溫度采集卡以及位移采集卡包括調(diào)理電路和下位機，溫度傳感器或位移傳感器測量的模擬信號經(jīng)調(diào)理電路濾波和放大后，再經(jīng)過下位機轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種熱誤差智能檢測補償系統(tǒng)，其特征在于:所述下位機與控制主板上的上位機之間通過CAN總線形成控制器局域網(wǎng)絡(luò)，并采用RS485半雙工通信；控制主板上的上位機與計算機采用RS232全雙工通信。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種熱誤差智能檢測補償系統(tǒng)，其特征在于:所述多機通信系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)流格式為: 起始位+命令+數(shù)據(jù)個數(shù)+數(shù)據(jù)+校驗位+結(jié)束位 其中，起始位和結(jié)束位中包含溫度采集卡或位移采集卡的站號，將待發(fā)送數(shù)據(jù)流中的命令、數(shù)據(jù)個數(shù)和數(shù)據(jù)求和后作為校驗位，校驗位作為數(shù)據(jù)流的一部分發(fā)送和接收，若根據(jù)接收的數(shù)據(jù)流計算出的校驗和與該數(shù)據(jù)流的校驗位不相等，則舍棄所述接收的數(shù)據(jù)流，校驗和為所述接收的數(shù)據(jù)流的命令、數(shù)據(jù)個數(shù)和數(shù)據(jù)的求和結(jié)果。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種熱誤差智能檢測補償系統(tǒng)，其特征在于:所述動態(tài)分配站號的具體步驟如下: 由控制主板給溫度采集卡以及位移采集卡逐一發(fā)送站號命令，若控制主板得到溫度采集卡或位移采集卡的確認回應(yīng)，則對應(yīng)溫度采集卡或位移采集卡的站號分配完成，下一個溫度采集卡或位移采集卡結(jié)束等待，并開始接受分配站號，若控制主板沒有得到溫度采集卡或位移采集卡的確認回應(yīng)，則控制主板重復發(fā)送站號命令，并等待確認回應(yīng)，若多次發(fā)送站號后仍未得到確認回應(yīng)，則動態(tài)分配站號過程結(jié)束。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種熱誤差智能檢測補償系統(tǒng)，其特征在于:溫度采集卡或位移采集卡通過控制主板發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng)P⑶或計算機的數(shù)據(jù)格式如下: STX+傳送數(shù)據(jù)+ETX+校驗和+EOT 其中，STX表示報文開始，ETX表示報文結(jié)束，EOT表示結(jié)束符，校驗和的計算方法為:將每位傳送數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為16進制的ASCII碼，然后求和，并取求和結(jié)果的末兩位。
【文檔編號】G05B19/404GK103941642SQ201410148753
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月14日
【發(fā)明者】梅雪松, 黃曉勇, 陶濤, 張東升, 馮斌, 牟恩旭, 任建功, 郭世杰 申請人:西安交通大學