專利名稱：數(shù)控機(jī)床誤差虛擬補償系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種數(shù)控機(jī)械加工技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種數(shù)控機(jī)床誤差虛 擬補償系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工各個領(lǐng)域。然而，由于數(shù) 控機(jī)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(yán)重影響數(shù)控機(jī)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(jī)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(guān)。誤差補償是提高數(shù)控機(jī)床加工精度經(jīng)濟(jì)有 效的方法，可以在不提高機(jī)床本身精度的前提下獲得比機(jī)床自身精度更高的加工精度，已 得到國際公認(rèn)并已部分應(yīng)用于數(shù)控機(jī)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(jī)床誤差因素具有多樣性、復(fù)雜性和動態(tài)特性，數(shù)控機(jī)床誤差補償技術(shù) 應(yīng)適應(yīng)數(shù)控機(jī)床誤差因素的特性并具有魯棒性?，F(xiàn)有技術(shù)中，德國的Hermle Harald發(fā)明 了 一種機(jī)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(jī)床機(jī)構(gòu) 在工作過程中產(chǎn)生的線性熱膨脹，在機(jī)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(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，以便數(shù)控系統(tǒng)CNC在控制數(shù)控機(jī)床工作機(jī) 構(gòu)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(jī)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(yīng)用激光測量裝置測量數(shù)控機(jī)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(jìn)行誤差補償。
上述技術(shù)主要針數(shù)控機(jī)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(jī)床誤差綜合補償并且不能自動適應(yīng)加工條件的變化，為實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床 綜合誤差補償及自動適應(yīng)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(jī)床誤差預(yù) 報與補償系統(tǒng)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種數(shù)控機(jī)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(jī)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(yù)報數(shù)控機(jī)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(shù)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(biāo)數(shù)據(jù)優(yōu)化后輸出至動態(tài)建模模塊進(jìn)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(jìn)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(biāo)信息對應(yīng)其內(nèi)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(zhuǎn)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(yīng)模塊。
所述的數(shù)字建模模塊包括工件坐標(biāo)輸入單元、圖形界面單元和數(shù)據(jù)輸出通道，工 件坐標(biāo)輸入單元由TextBox控件及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序組成，用于輸入工件坐標(biāo)系下的工件坐標(biāo) 并將坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(biāo)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(biāo)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(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，并將優(yōu)化后的坐 標(biāo)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(luò)單元、集成初始權(quán)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(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)權(quán)值矩陣和閾 值矩陣加權(quán)處理，通過矩陣運算單元計算后輸出至神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(quán)值矩陣和初始閾值矩 陣經(jīng)MATLAB訓(xùn)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(jī)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(jī)床加工誤差的預(yù)報，而且可以實現(xiàn)數(shù)控機(jī)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?qū)崿F(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(jī)床加工精度的提高。本發(fā)明的數(shù)控機(jī)床誤差虛擬補償系統(tǒng)操作簡便，集 成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、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(yīng)不同切削條 件及各種數(shù)控機(jī)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(jié)構(gòu)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(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)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(zhuǎn)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(biāo)經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序及圖 形生成程序生成零件圖形，輸入的工件坐標(biāo)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(biāo)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(jìn)行誤差初建模；動態(tài)建模模塊集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單元、初始權(quán)值矩陣、 初始閾值矩陣和矩陣運算單元，優(yōu)化后的坐標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)初始權(quán)值矩陣和初始閾值矩陣加權(quán)處 理后通過矩陣運算及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jìn) 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(biāo)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(cè)的有關(guān)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(jī)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(jī)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(jī)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(yán)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(jī)床單件加工精度。
如圖3所示，用本實施例所述的數(shù)控機(jī)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(jī)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(yán)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(jī) 床批量加工精度。
根據(jù)圖2、3和實驗結(jié)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(yù)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(yù)報及誤差補償。權(quán)利要求
1.一種數(shù)控機(jī)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(biāo)數(shù)據(jù)優(yōu)化后輸出至動態(tài)建模模塊進(jìn)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(jìn)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(biāo)信息對應(yīng)其內(nèi)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(quán)利要求1所述的數(shù)控機(jī)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(zhuǎn)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(yīng)模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控機(jī)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(biāo)輸入單元、圖形界面單元和數(shù)據(jù)輸出通道，工件坐標(biāo)輸入單元由TextBox 控件及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序組成，用于輸入工件坐標(biāo)系下的工件坐標(biāo)并將坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(biāo)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(biāo)數(shù) 據(jù)輸送至數(shù)據(jù)優(yōu)化模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控機(jī)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(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，并將優(yōu)化后的坐標(biāo)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(quán)利要求1所述的數(shù)控機(jī)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(luò)單元、集成初始權(quán)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(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)權(quán)值矩陣和閾值矩陣加權(quán)處理，通過矩陣運 算單元計算后輸出至神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(quán)值矩陣和初始閾值矩陣經(jīng)MATLAB訓(xùn)練獲得。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控機(jī)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(quán)利要求1所述的數(shù)控機(jī)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(jī)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(jī)械加工技術(shù)領(lǐng)域的數(shù)控機(jī)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(jī)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(yù)報數(shù)控機(jī)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(quán)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(xué)