[发明专利]基于CPS的重型数控机床热误差补偿控制系统及热误差补偿方法

说明书

本发明公开了一种基于CPS的重型数控机床热误差补偿控制系统及热误差补偿方法，所述热误差补偿控制系统包括：嵌入式采集卡：用于采集机床测点的温度信息、机床主轴刀尖的位移热误差，并对数据经过预处理后发送至运算控制器；运算控制器：用于根据接收的温度数据代入预测数学模型计算热误差预测值，并根据制定的补偿策略将热误差预测值处理为实时补偿值，并把热误差预测值和实时补偿值通过无线网络上传至云端服务器，所述预测数学模型和补偿策略通过无线网络接收远程更新；数控连接器；用于将接收的实时补偿值通过NCUC总线输入机床数控系统，机床数控系统在运行加工G代码时读取实时补偿值，并控制机床X、Y、Z轴移动。

技术领域

本发明涉及数控机床热误差补偿技术领域，具体地指一种基于 CPS的重型数控机床热误差补偿控制系统及热误差补偿方法。

背景技术

重型数控机床是当今高端装备制造业的重要组成部分，更是国防工业、机械制造的基石。重型数控机床的加工精度代表着一个国家的工业发展水平，随着“中国制造2025”战略的提出，提升数控机床加工精度的要求愈发急切。重型机床因其体积大、行程大等特点，易受内外热源的影响而产生热误差。大量研究表明，在数控机床加工系统的各类误差中，热误差所占比例最大，最高可达数控机床总误差的70％。在数控机床向高转速、重载荷的发展过程中，热误差对其加工精度的影响会更加明显。

信息物理系统(Cyber-Physical Systems,CPS)是通过计算 (Computation)、通信(Communication)与控制(Control)技术的有机与深度融合，集环境感知、网络通信、控制计算功能于一体，实现计算资源与物理资源的紧密结合与协调的智能系统。CPS的基本组件包括传感器(Sensors)、执行器(Actuator)和决策控制单元(Decision-making ControlUnit)。传感器用于监测、感知外界的信号、物理条件或化学组成；执行器是一种嵌入式设备，能够接受控制指令并对受控对象施加控制作用；决策控制单元是一种逻辑控制设备，能够根据用户定义的语义规则生成控制逻辑。

CPS系统是人与物理世界交互方式的未来发展方向。数控机床热误差补偿过程综合环境监测、网络通信、决策控制等等功能部分，因此，基于CPS系统开发一种有效的数控机床热误差补偿控制系统能够将CPS的优点运用于传统的机械制造领域，对智能制造的发展有着重要的意义。

目前，国内外众多学者对数控机床的热误差补偿做了充分研究，提出多种热误差补偿方法并开发出对应的热误差补偿装置。华中科技大学的尹玲对华中8型数控系统内部插补算法和硬件结构进行二次开发，使得外部嵌入式补偿器能够通过开发的专用接口将补偿值传送到数控系统的插补层中(参看文献“机床热误差鲁棒补偿技术研究”，来自华中科技大学博士学位论文，2011年8月)。该补偿装置虽然简单有效，但是此补偿方法只限于拥有华中数控系统高级开发权限的人员使用，不能推广到其他数控系统和研究人员身上，几乎没有通用性。南京理工大学的李春雷利用FANUC数控系统的原点平移功能，研制出一种基于Cortex-M3的嵌入式补偿器(参看文献“数控机床综合误差补偿嵌入式控制器研发”，来自南京理工大学硕士学位论文，2015年 11月)。该补偿器通过温度传感器获取机床温度，通过FANUC数控系统的用户I/O口获取当前机床坐标，ARM芯片运行预测模型计算出误差值后通过I/O口送入数控系统中。此补偿装置不需要电脑来采集数据，而且人机交互简便。但此补偿器只适用于提供了原点平移功能和相应I/O口的数控系统，对于SIEMENS、HEIDENHAIN、华中数控均不适用。武汉理工大学的胡建民使用反馈截断法，以华中数控“世纪星”数控系统为平台，开发出基于ARM和FPGA的嵌入式补偿器(参考文献“嵌入式数控机床热误差实时补偿控制器的设计与实现”，来自武汉理工大学硕士学位论文，2014年4月)。此补偿器利用STM32采集温度、运行预测模型，然后通过FPGA产生反馈脉冲叠加到伺服电机。虽然该补偿装置能够产生高速脉冲以达到实时补偿的效果，但是反馈截断法对伺服系统的干扰很大，容易引起机床急停，不是一种可以长时间稳定运行的补偿方法。以上所有的补偿装置都没有配备网络通信模块，没有后台云端服务器作支撑，不能通过互联网达到更加智能化的补偿效果。