本發(fā)明涉及一種數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，具體是一種面向精度保持的arm數(shù)控系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的控制核心，是發(fā)展國(guó)家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。為了滿足數(shù)控機(jī)床的控制要求，傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)大部分采用pc架構(gòu)，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力，滿足數(shù)控系統(tǒng)的加工速度、精度及效率等系統(tǒng)功能要求，如發(fā)那科的160i系統(tǒng)，西門(mén)子的840d系統(tǒng)等；除了基于pc架構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)外，在數(shù)控系統(tǒng)領(lǐng)域還涌現(xiàn)出一批以arm處理器為核心的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)，但是由于所采用的arm處理器計(jì)算能力較低，且系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，這些數(shù)控系統(tǒng)大多面向低端數(shù)控系統(tǒng)市場(chǎng)，如小型桌面雕刻機(jī)、切割機(jī)、滾齒機(jī)等系統(tǒng)，高中端數(shù)控系統(tǒng)市場(chǎng)仍然以pc架構(gòu)為主。

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，arm處理器的功能和性能也不斷提高，如cortexa8、a9、a15等，并且被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、平板電腦等電子消費(fèi)產(chǎn)品中，逐漸成為了嵌入式領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。因此，開(kāi)發(fā)基于arm處理器的通用型數(shù)控系統(tǒng)，滿足數(shù)控車(chē)床、銑床、加工中心等控制需求，提高數(shù)控系統(tǒng)的加工精度，成為了數(shù)控系統(tǒng)的一個(gè)研究方向。

傳統(tǒng)的arm數(shù)控系統(tǒng)主要具有以下不足：

1、處理器計(jì)算能力低，早期arm處理器的計(jì)算能力較低，需要相應(yīng)的輔助處理單元，如dsp、gpu等，通過(guò)不同處理器間的協(xié)同控制，滿足數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用需求；

2、系統(tǒng)功能簡(jiǎn)單，控制精度差，由于傳統(tǒng)arm處理器的計(jì)算能力較低，難以滿足復(fù)雜控制功能的計(jì)算要求，所以導(dǎo)致了arm數(shù)控系統(tǒng)的控制功能簡(jiǎn)單，難以滿足高精、高速等數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展要求；

3、數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了實(shí)現(xiàn)arm處理器和dsp、gpu等輔助處理器 間的數(shù)據(jù)交互，需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的硬件接口，實(shí)現(xiàn)不同處理器間的數(shù)據(jù)通信和互操作，從而導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜。

所謂精度保持，是指通過(guò)采用誤差補(bǔ)償方法，建立數(shù)控機(jī)床的誤差補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型，控制機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸之間的位置運(yùn)動(dòng)，減小刀具和工件之間的加工誤差，提高數(shù)控機(jī)床的加工精度。一般誤差補(bǔ)償方法除需滿足控制精度要求外，還要滿足動(dòng)態(tài)性、實(shí)時(shí)性、方便性和實(shí)用性等要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)傳統(tǒng)arm數(shù)控系統(tǒng)的計(jì)算能力低、控制精度差等系統(tǒng)問(wèn)題，本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種面向精度保持的arm數(shù)控系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，采用改進(jìn)的溫度補(bǔ)償控制方法，通過(guò)對(duì)機(jī)床整體進(jìn)行溫度區(qū)域劃分，每個(gè)運(yùn)動(dòng)方向上均采用一組溫度傳感器進(jìn)行采集，建立不同運(yùn)動(dòng)方向上的溫度/位置誤差數(shù)學(xué)模型，通過(guò)加工過(guò)程中各組溫度傳感器的溫度信息，計(jì)算出整體位置誤差信息，滿足數(shù)控機(jī)床的加工精度要求。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種基于arm處理器的數(shù)控系統(tǒng)精度保持設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

選取數(shù)控機(jī)床的一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸方向進(jìn)行溫度補(bǔ)償；

對(duì)該運(yùn)動(dòng)軸方向進(jìn)行溫度區(qū)域劃分，將該運(yùn)動(dòng)方向的移動(dòng)范圍劃分為多個(gè)溫度區(qū)域，每個(gè)溫度區(qū)域內(nèi)采用一個(gè)溫度傳感器進(jìn)行采集；

每個(gè)溫度區(qū)域內(nèi)，通過(guò)原溫度補(bǔ)償計(jì)算該區(qū)域內(nèi)的位置誤差信息；

根據(jù)不同區(qū)域內(nèi)的位置誤差信息建立基于不同溫度區(qū)域的多元齊次方程組，得出該運(yùn)動(dòng)方向上的整體位置誤差；

由運(yùn)動(dòng)控制模塊根據(jù)該運(yùn)動(dòng)方向上的整體位置誤差，對(duì)該運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行位置誤差補(bǔ)償。

所述通過(guò)原溫度補(bǔ)償計(jì)算該區(qū)域內(nèi)的位置誤差信息，具體為：

kj(x)＝aj(t)+tana(t)*(px-pj)(2)

其中，kj(x)是溫度區(qū)域j的溫度/位置誤差信息，j＝0，1，2…n，a(t)為溫度 區(qū)域j中溫度/位置誤差擬合直線和當(dāng)前運(yùn)動(dòng)軸間的夾角值，aj(t)為和當(dāng)前運(yùn)動(dòng)軸位置無(wú)關(guān)的偏移值，px為當(dāng)前運(yùn)動(dòng)軸的位置值，pj為當(dāng)前運(yùn)動(dòng)軸的位置誤差參考點(diǎn)。

所述該運(yùn)動(dòng)方向上的整體位置誤差通過(guò)下式求得：

k(x)＝w0b0k0(x)+w1b1k1(x)+…+wnbnkn(x)(1)

其中，k(x)為數(shù)控機(jī)床指定移動(dòng)方向上的整體位置誤差，wj為溫度區(qū)域j的位置誤差在整體誤差中的影響因子，bj是溫度區(qū)域j的位置誤差在整體誤差計(jì)算中的擬合因子；kj(x)是溫度區(qū)域j的溫度/位置誤差信息，j＝0，1，2…n。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：

1、降低了數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。采用獨(dú)立的arm處理器，滿足通用數(shù)控系統(tǒng)的加工控制需求，減少了多處理器間的數(shù)據(jù)通信和互操作，降低了整體設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

2、提高了數(shù)控系統(tǒng)的加工精度及工件質(zhì)量。由于數(shù)控機(jī)床高速加工過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱量，使機(jī)床部件產(chǎn)生熱變形，從而導(dǎo)致數(shù)控系統(tǒng)的加工精度降低，影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量，而在arm數(shù)控系統(tǒng)中集成精度保持控制方法，通過(guò)外部溫度傳感器采集系統(tǒng)加工過(guò)程中的溫度信息，并根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償控制方法，通過(guò)多組溫度傳感器采集機(jī)床不同區(qū)域的溫度信息，并根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的溫度/位置誤差數(shù)學(xué)模型，得到整體的位置誤差信息，對(duì)數(shù)控加工過(guò)程中的位置信息進(jìn)行補(bǔ)償，提高數(shù)控系統(tǒng)的加工精度。

3、提高了數(shù)控系統(tǒng)的可適應(yīng)性。隨著arm處理器芯片的處理能力和集成度不斷提高，可以將常用的數(shù)控總線協(xié)議、顯示驅(qū)動(dòng)模塊等全部集成到arm芯片中，這樣就可以有效的減小數(shù)控系統(tǒng)的整體大小，做到小型化、微型化，甚至完全可以嵌入到機(jī)械系統(tǒng)當(dāng)中，有效的提高了數(shù)控系統(tǒng)的可適應(yīng)性。

4、提高了數(shù)控系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。arm處理器提供了豐富的外部設(shè)備接口，以滿足不同系統(tǒng)環(huán)境的控制要求，方便用戶自由定制所需的人機(jī)操作界面，使得數(shù)控系統(tǒng)可以更好地與操作人員進(jìn)行交互，例如基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān) 控，基于modbus的數(shù)控系統(tǒng)無(wú)線通信等。

附圖說(shuō)明

圖1為熱誤差補(bǔ)償?shù)幕驹韴D；

圖2為改進(jìn)后溫度/位置誤差補(bǔ)償方法的基本原理圖；

圖3為arm數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖；

圖4為溫度補(bǔ)償方法的基本流程圖；

圖5為數(shù)控機(jī)床溫度補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，為熱誤差補(bǔ)償?shù)幕驹韴D，在溫度t下，數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生熱變形誤差，其熱變形誤差的數(shù)學(xué)模型可以表達(dá)為k(x)＝a0(t)+tana(t)*(px-p0)。其中，k(x)是x軸方向上在px位置時(shí)的位置誤差，a0(t)是與x軸當(dāng)前位置無(wú)關(guān)的偏移值；px是當(dāng)前x軸的實(shí)際位置；p0表示x軸位置誤差參考點(diǎn)；a為誤差擬合直線和x軸的夾角值。其中，a0(t)和tana(t)都是隨溫度變化的系統(tǒng)變量，在不同溫度下，通過(guò)采用測(cè)量工具測(cè)出實(shí)際位置誤差和當(dāng)前系統(tǒng)溫度，可以求出指定溫度下的值。

但是由于數(shù)控機(jī)床的溫度分布不均勻，不同區(qū)域的溫度變化過(guò)程不一致，其整體位置誤差受不同區(qū)域溫度的影響，因此本專(zhuān)利采用溫度區(qū)域劃分方法，采用多傳感器采集不同溫度區(qū)域的溫度信息，建立基于不同溫度傳感器的多元齊次方程,每個(gè)溫度區(qū)域內(nèi)，采用原溫度補(bǔ)償方法進(jìn)行計(jì)算，得出結(jié)果后，將結(jié)果帶入到多元齊次方程中，通過(guò)兩次線性計(jì)算得出整體位置誤差信息，提高數(shù)控機(jī)床的加工精度。

如圖2所示，為改進(jìn)后溫度/位置誤差補(bǔ)償方法的基本原理圖，首先，選取數(shù)控機(jī)床的一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸方向進(jìn)行溫度補(bǔ)償，根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及熱源分布信息，對(duì)該運(yùn)動(dòng)軸方向進(jìn)行溫度區(qū)域劃分，將該運(yùn)動(dòng)方向的移動(dòng)范圍劃分為多個(gè)溫度區(qū)域，每個(gè)溫度區(qū)域內(nèi)采用一個(gè)溫度傳感器進(jìn)行采集，建立基于不同溫度區(qū)域 的多元齊次方程，如公式1所示。

k(x)＝w0b0k0(x)+w1b1k1(x)+…+wnbnkn(x)(1)

其中，k(x)為數(shù)控機(jī)床指定移動(dòng)方向上的整體位置誤差，wj(j＝0，1，2…n)為溫度區(qū)域j的位置誤差在整體誤差中的影響因子，默認(rèn)值為1，如果在實(shí)際應(yīng)用中，溫度傳感器的安裝位置不太理想時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)影響因子wj，調(diào)節(jié)該區(qū)域的位置誤差補(bǔ)償效果；bj(j＝0，1，2…n)是溫度區(qū)域j的位置誤差在整體誤差計(jì)算中的擬合因子，實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)求解方程組求得；kj(x)(j＝0，1，2…n)是溫度區(qū)域j的溫度/位置誤差信息,該值由原溫度補(bǔ)償計(jì)算方法求得。

每個(gè)溫度區(qū)域內(nèi)，通過(guò)原溫度補(bǔ)償計(jì)算方法，如公式2所示，計(jì)算該區(qū)域內(nèi)的位置誤差信息kj(x)(j＝0，1，2…n)，并將計(jì)算結(jié)果帶入到公式1中，得出該運(yùn)動(dòng)方向上的整體位置誤差，然后由運(yùn)動(dòng)控制模塊對(duì)該運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行位置誤差補(bǔ)償，提高機(jī)床的加工精度。

k0(x)＝a0(t)+tana(t)*(px-p0)(2)

如圖3所示，為arm數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖，主要包括：人機(jī)操作界面、任務(wù)控制、運(yùn)動(dòng)控制、溫度補(bǔ)償、plc控制模塊等。其中，人機(jī)操作界面主要完成人機(jī)交互功能，包括開(kāi)機(jī)上電、操作模式選擇、功能選擇、系統(tǒng)初始化配置、選擇加工控制程序、顯示機(jī)床狀態(tài)、加工坐標(biāo)系、加工過(guò)程圖形顯示等；任務(wù)控制是數(shù)控系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)調(diào)用解釋器分析加工控制程序或從人機(jī)操作界面獲取的g代碼指令，把運(yùn)動(dòng)控制信息和邏輯操作分別發(fā)送給運(yùn)動(dòng)控制與plc控制模塊，并獲取系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)信息；運(yùn)動(dòng)控制模塊主要負(fù)責(zé)處理解釋器生成的運(yùn)動(dòng)控制信息，并且決定所需要的插補(bǔ)方法(直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、nurbs曲線插補(bǔ)等)，針對(duì)航空航天、船舶制造等裝備制造領(lǐng)域復(fù)雜工件的加工控制需求，在數(shù)控系統(tǒng)中提供了復(fù)雜曲線的平滑插補(bǔ)功能，減少直線擬合所產(chǎn)生的額外開(kāi)銷(xiāo)；溫度補(bǔ)償單元主要根據(jù)加工過(guò)程中的溫度/位置誤差計(jì)算模型，采取修正、抵消等措施，消除或減小機(jī)床加工誤差；plc控制模塊主要負(fù)責(zé)處理機(jī)床操作的開(kāi)關(guān)量信息，并且將其轉(zhuǎn)化為輸出信息，發(fā)送給io控制接口，實(shí) 現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的主軸起停、換刀、工件卡盤(pán)、液壓、冷卻、潤(rùn)滑等系統(tǒng)功能控制。

在本發(fā)明中，plc模塊負(fù)責(zé)采集溫度傳感器的溫度信息，并將溫度信息傳遞給溫度補(bǔ)償單元，由溫度補(bǔ)償單元根據(jù)各組溫度傳感器的溫度信息，根據(jù)公式1計(jì)算出整體的位置誤差信息，然后由運(yùn)動(dòng)控制模塊完成機(jī)床的位置誤差補(bǔ)償。

如圖4所示，為數(shù)控系統(tǒng)溫度補(bǔ)償方法的基本原理圖，首先，數(shù)控機(jī)床在加工過(guò)程中，各運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行高速的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，由于摩擦而產(chǎn)生大量的熱量，從而導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床的熱變形；由于數(shù)控機(jī)床的溫度分布不均勻，不同區(qū)域的溫度變化過(guò)程不一致，所以采用多組溫度傳感器，采集不同區(qū)域的溫度信息；通過(guò)plc模塊獲取溫度傳感器的溫度信息，傳遞給溫度補(bǔ)償單元，并根據(jù)傳感器分組情況，分別計(jì)算不同運(yùn)動(dòng)方向上的位置誤差信息，將計(jì)算結(jié)果傳遞給運(yùn)動(dòng)控制模塊；在運(yùn)動(dòng)控制模塊中，根據(jù)不同方向的位置誤差信息，對(duì)機(jī)床加工運(yùn)動(dòng)進(jìn)行位置補(bǔ)償，從而提高數(shù)控機(jī)床的加工精度。實(shí)際應(yīng)用中，由于溫度傳感器的安裝位置不理想，導(dǎo)致位置誤差計(jì)算不準(zhǔn)確，可以調(diào)節(jié)公式1中參數(shù)wj大小，對(duì)補(bǔ)償結(jié)果進(jìn)行修正，默認(rèn)情況下，wj參數(shù)的值為1。

如圖5所示，為數(shù)控機(jī)床溫度補(bǔ)償?shù)恼w結(jié)構(gòu)圖，主要包括數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床主軸、絲杠、溫度傳感器等。其中，數(shù)控系統(tǒng)是主要的控制執(zhí)行單元，負(fù)責(zé)控制加工刀具和工作臺(tái)進(jìn)行高速切削運(yùn)動(dòng)；而數(shù)控機(jī)床是具體加工過(guò)程的執(zhí)行單元，完成主軸的轉(zhuǎn)速控制，加工刀具的位置、速度、加速度運(yùn)動(dòng)等。由于機(jī)床高速運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等過(guò)程中產(chǎn)生摩擦，從而產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床的主軸、絲杠等部件產(chǎn)生熱變形。此時(shí)，通過(guò)溫度傳感器獲取數(shù)控機(jī)床各部分的溫度信息，通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)的硬件接口，將溫度信息傳遞給溫度補(bǔ)償控制單元，由溫度補(bǔ)償控制單元進(jìn)行位置信息補(bǔ)償，滿足數(shù)控機(jī)床的加工精度要求。