[发明专利]数控机床定位误差动态实时补偿系统

权利要求书

1.一种数控机床定位误差动态实时补偿系统，其特征在于由数控机床定位误差补偿硬件系统和基于网络化数据交互的补偿软件平台构成；数控机床定位误差补偿硬件系统和基于网络化数据交互的补偿软件平台；硬件系统作为补偿软件的载体和执行部件，用于实现各功能模块之间的连接和通讯、数据存储及人机交互；软件系统采用面向对象的编程模式，并结合了与CNC进行以太网数据交互的驱动功能，可实现温度信号的采集和预处理，定位误差数学模型的自动建模、定位误差实时计算、补偿系统与CNC的以太网数据交互、智能化模型调整功能、自学习模型训练和优化；通过硬件系统和软件系统的协同工作，实现数控机床误差的实时在线补偿；

所述的数控机床定位误差补偿硬件系统主要包括嵌入式计算机、触摸式显示器、温度传感器、温度采集模块和网络通讯卡；嵌入式计算机过视频线和USB线与触摸显示器连接，通过网线与温度采集模块连接，采用以太网总线方式与网络通讯卡连接，构建硬件系统的基础平台；触摸显示器可实现人机交互功能，用户可在触摸式显示器上输入和读出数据；温度传感器置于机床运动轴的螺母、前后轴承以及室温测试位置，并通过铜芯电缆与温度采集模块连接，将热源点的温度转变为电阻阻值变化；温度采集模块则完成对热电阻阻值变化的辨识，通过信号滤波、放大和A/D转换，将采集的热源温度数据转变为二进制的数据格式，并通过网络将数据传送到嵌入式计算机一端；网络通讯卡一端通过以太网与嵌入式计算机实现通讯，另一端用连接到数控系统的网络口，实现与机床数控系统的实时数据交互。

2.根据权利要求1所述的温度信号的采集和预处理，其特征是，实时采集机床运动轴的螺母和前后轴承上所布置的温度传感器的温度数据，并对采集的温度数据进行零均值化处理，然后再进行平稳化处理，以消除随机噪声和机床系统噪声引起的测量误差；对温度数据进行相关性分析，判别机床的升温敏感点位置，并通知智能化模型调整功能模块刷新模型的输入温度变量；实时采集的温度数据将自动保持在历史数据库中。

3.根据权利要求1所述的定位误差数学模型的自动建模，其特征是，首先，将机床的定位误差按照影响因子法分解为冷态下的几何误差、室温变化引起的定位误差以及螺母运动温度变化引起的定位误差三个部分；其中冷态下的几何误差可通过设定激光干涉仪的材料膨胀补偿温度而直接测试得到；后两种定位误差则可通过分解激光干涉仪测试数据而分别得到；其次，采用误差元素建模技术，根据误差影响因子的类型分别进行独立模型拟合，第一，冷态下的几何误差可采用多项式拟合法来得到拟合的误差计算公式；第二，对于室温变化引起的定位误差，可根据材料的膨胀系数，根据丝杠的不同位置和温度变化大小，得到丝杠的线性膨胀计算公式；第三，对于由螺母运动温度变化引起的定位误差，则需要采用最小二乘拟合法得到4次高阶曲线拟合的误差计算公式；然后，通过智能化模型调整功能模块对于三种误差元素的权重进行调整，即可获得机床运动轴的综合的定位误差数学模型；最后，补偿系统将所获得的初始定位误差补偿模型保存到模型选择库中，以备实时补偿计算时调用。

4.根据权利要求1所述的定位误差实时计算，其特征是，通过温度采集模块实时获取输入温度变量点的数据，并将实时温度数据导入误差补偿模型；通过网络通讯卡实时读取数控机床各控制轴机床坐标位置，并同样导入补偿模型中，然后系统根据当前调用的模型计算得到个控制轴当前位置时的综合的定位误差数值，最后通过网络通讯卡，在阈值判定和运行条件判定后将计算出的各个轴的实时补偿量传送到CNC中，由CNC将当前补偿值叠加到插补运算上。

5.根据权利要求1所述的补偿系统与CNC的以太网数据交互，其特征是，补偿系统通过网络通讯读出机床各控制轴的当前机床坐标位置，通过译码和数据判定后送入误差补偿模型的变量输入端；误差数学模型计算后的补偿值，通过网络通讯卡传送到CNC中的补偿值存储区中。