一种数控机床主轴热误差智能感知系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种数控机床主轴热误差智能感知系统。该感知系统包括若干个温度传感器节点、若干个位移传感器节点、后台数据处理中心和热误差补偿执行模块；所述后台数据处理中心分别与温度传感器节点和位移传感器节点连接；所述后台数据处理中心与热误差补偿执行模块连接；所述温度传感器节点分布在机床主轴温度敏感点上；所述位移传感器节点夹持在机床三轴位移测量点上；所述后台数据处理中心包括ZigBee协调器、嵌入式ARM处理器和FPGA芯片。该系统能实时可靠地感知机床主轴热误差信息，并对其进行补偿，可以实现热误差检测与补偿一体化，不需人工干预。

An Intelligent Sensing System for Thermal Error of CNC Machine Tool Spindle

The utility model discloses an intelligent sensing system for thermal error of the spindle of a numerical control machine tool. The sensing system includes several temperature sensor nodes, several displacement sensor nodes, background data processing center and thermal error compensation execution module; the background data processing center is connected with temperature sensor nodes and displacement sensor nodes respectively; the background data processing center is connected with thermal error compensation execution module; the temperature sensor nodes are distributed in machine tools. The displacement sensor node is clamped at the three-axis displacement measuring point of the machine tool, and the background data processing center includes ZigBee coordinator, embedded ARM processor and FPGA chip. The system can reliably perceive and compensate the thermal error information of machine tool spindle in real time. It can realize the integration of thermal error detection and compensation without manual intervention.

【技术实现步骤摘要】
一种数控机床主轴热误差智能感知系统
本技术涉及数控机床热误差测量及感知领域，具体是一种数控机床主轴热误差智能感知系统。
技术介绍
数控机床智能化的技术特征及发展趋势主要体现为加工智能化、管理智能化和维护智能化。其中维护智能化指的是数控机床对自身生产过程中的状态进行智能化监控，并根据这些状态进行自我控制以保证机床正常工作，主要包括智能化监控技术、智能化故障诊断技术、智能化误差补偿技术和智能化维护技术。机床智能化误差补偿的一个重要部分是主轴热误差补偿智能化，实现主轴热误差智能感知与补偿对提高数控机床的加工精度具有重要意义。热误差智能感知技术包括热误差信号的采集、处理、决策、补偿控制和执行。现有技术是由热敏感点的温度测量值和热变形值建立热误差模型，计算热误差补偿值，将其导入数控系统，通过相应的补偿策略合理分配给各个轴，从而完成热误差补偿。现有机床的热误差感知大多采取误差检测和补偿分立式结构，即热误差检测系统负责机床主轴各轴温度、变形的测量并与外设PC相连完成热误差模型的建立，热误差补偿主要由人工通过PC主机对热误差模型进行处理并对机床发出误差补偿指令，机动性差，实时性不高，不能实现对热误差的智能感知和智能决策。申请号为201110033561.8的文献公开了一种由温度测量单元、热位移测量单元、工控机和显示单元共同构成的数控机床热误差测量集成系统。该系统对主轴热误差变形量与温度检测信号同时进行采样，利用热误差函数进行实时阶段性建模并进行各温度检测数据及热位移变形量检测数据的精度评定，判断模型的稳定性和精度。该系统可以实现高精度的热误差测量及建模，但没有涉及热误差补偿的研究，需要人工手动调整机床进行误差补偿，不适用于智能机床。申请号为201110379618.X的文献公开了一种综合传统多元回归模型和自回归分布滞后模型优点的更高精度数控机床热误差补偿模型，该模型是在测量得到的热敏感点温度与热误差关联模型的基础上建立的，相比之前的误差补偿方法精度更高，但是滞后严重，实时性差。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本技术拟解决的技术问题是，提供一种数控机床主轴热误差智能感知系统和感知方法。本技术解决所述技术问题的技术方案是，提供一种数控机床主轴热误差智能感知系统，其特征在于该感知系统包括若干个温度传感器节点、若干个位移传感器节点、后台数据处理中心和热误差补偿执行模块；所述后台数据处理中心分别与温度传感器节点和位移传感器节点连接；所述后台数据处理中心与热误差补偿执行模块连接；所述温度传感器节点分布在机床主轴温度敏感点上；所述温度传感器节点包括温度传感器、第一处理器模块、第一ZigBee发送模块和第一电源模块；所述第一电源模块分别与温度传感器、第一处理器模块和第一ZigBee发送模块连接；所述第一处理器模块分别与温度传感器和第一ZigBee发送模块连接；所述位移传感器节点夹持在机床三轴位移测量点上；所述位移传感器节点包括位移传感器、第二处理器模块、第二ZigBee发送模块和第二电源模块；所述第二电源模块分别与位移传感器、第二处理器模块和第二ZigBee发送模块连接；所述第二处理器模块分别与位移传感器和第二ZigBee发送模块连接；所述后台数据处理中心包括ZigBee协调器、嵌入式ARM处理器和FPGA芯片；所述ZigBee协调器与嵌入式ARM处理器连接；所述FPGA芯片与嵌入式ARM处理器连接；所述ZigBee协调器分别与第一ZigBee发送模块和第二ZigBee发送模块连接；所述FPGA芯片与数控机床的机床控制中心的热误差补偿执行模块连接；所述嵌入式ARM处理器与上位机连接。与现有技术相比，本技术有益效果在于：(1)采用ZigBee无线数传网络，减少了数控机床系统中导线的使用，减少了导线对数控机床工作的影响，利用无线传感器网络增强了系统稳定性，使用方便。(2)每个传感器节点构成一个独立的传感器系统，减少了传感器信号互相之间的电磁干扰，并且便于工作人员安装与维护。(3)ZigBee无线通信网络类似于移动网络基站，通讯距离可达几公里，并且支持无限扩展，能够高速可靠实时地传输机床热误差信号，并且支持扩展其他测量信号模块对机床各项误差进行智能化感知与控制。(4)采用物联网和嵌入式ARM处理器作为系统的中心控制单元，将热误差预测及系统的自动控制功能集中在嵌入式ARM处理器中，并通过FPGA芯片实现数控机床高速加工时实时补偿，使系统更加独立，不需要依赖于计算机或服务器。(5)通过对机床主轴温度敏感点温度及三轴位移的测量，并采用ARM与FPGA芯片搭建BP神经网络建立热误差神经网络模型，并通过BP神经网络对机床主轴热误差进行预测，预测速度快并且具有很高的精度和很强的鲁棒性。(6)以8个温度传感器节点及3个位移传感器节点为输入层，以机床热误差补偿脉冲信号为输出层。BP神经网络输出层信号为脉冲信号，通过RS232与热误差补偿执行模块相连，可实现主轴热误差在工作状态时的补偿，实时性好。(7)本技术提出一种以无线传感器网络技术为基础，低成本、低功耗，高智能化、可移植性强、易于维护的基于物联网ZigBee技术的数控机床热误差智能感知系统，该系统能实时可靠地感知机床主轴热误差信息，并对其进行补偿，可以实现热误差检测与补偿一体化，不需人工干预；采用无线通信协议串联检测和补偿系统，检测和补偿采用不同芯片提高了数据处理效率并且具有很高的机动性；补偿系统采用神经网络对热误差信号进行建模，在保证实时性的条件下使用智能算法提高了建模精度。附图说明图1为本技术数控机床主轴热误差智能感知系统和感知方法一种实施例的整体结构示意框图。图2为本技术数控机床主轴热误差智能感知系统和感知方法一种实施例的温度传感器节点或位移传感器节点向ZigBee协调器发送数据的流程图。图3为本技术数控机床主轴热误差智能感知系统和感知方法一种实施例的ZigBee协调器接收温度传感器节点或位移传感器节点发送来的数据的流程图。图4为本技术数控机床主轴热误差智能感知系统和感知方法一种实施例的FPGA芯片的BP人工神经网络训练的具体过程图。图5为本技术数控机床主轴热误差智能感知系统和感知方法一种实施例的后台数据处理中心内部逻辑结构图。(图中：1、温度传感器节点；11、温度传感器；12、第一处理器模块；13、第一ZigBee发送模块；14、第一电源模块；2、位移传感器节点；21、位移传感器；22、第二处理器模块；23、第二ZigBee发送模块；24、第二电源模块；3、后台数据处理中心；31、ZigBee协调器；32、嵌入式ARM处理器；33、FPGA芯片；4、热误差补偿执行模块)具体实施方式下面给出本技术的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本技术，不限制本申请权利要求的保护范围。本技术提供了一种数控机床主轴热误差智能感知系统(参见图1-5，简称感知系统)，其特征在于该感知系统包括若干个(本实施例为8个)温度传感器节点1、若干个(本实施例为3个)位移传感器节点2、后台数据处理中心3和热误差补偿执行模块4；所述后台数据处理中心3分别与温度传感器节点1和位移传感器节点2连接；所述后台数据处理中心3通过RS232通信协议与热误差补偿执本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种数控机床主轴热误差智能感知系统，其特征在于该感知系统包括若干个温度传感器节点、若干个位移传感器节点、后台数据处理中心和热误差补偿执行模块；所述后台数据处理中心分别与温度传感器节点和位移传感器节点连接；所述后台数据处理中心与热误差补偿执行模块连接；所述温度传感器节点分布在机床主轴温度敏感点上；所述温度传感器节点包括温度传感器、第一处理器模块、第一ZigBee发送模块和第一电源模块；所述第一电源模块分别与温度传感器、第一处理器模块和第一ZigBee发送模块连接；所述第一处理器模块分别与温度传感器和第一ZigBee发送模块连接；所述位移传感器节点夹持在机床三轴位移测量点上；所述位移传感器节点包括位移传感器、第二处理器模块、第二ZigBee发送模块和第二电源模块；所述第二电源模块分别与位移传感器、第二处理器模块和第二ZigBee发送模块连接；所述第二处理器模块分别与位移传感器和第二ZigBee发送模块连接；所述后台数据处理中心包括ZigBee协调器、嵌入式ARM处理器和FPGA芯片；所述ZigBee协调器与嵌入式ARM处理器连接；所述FPGA芯片与嵌入式ARM处理器连接；所述ZigBee协调器分别与第一ZigBee发送模块和第二ZigBee发送模块连接；所述FPGA芯片与数控机床的机床控制中心的热误差补偿执行模块连接；所述嵌入式ARM处理器与上位机连接。...

【技术特征摘要】
1.一种数控机床主轴热误差智能感知系统，其特征在于该感知系统包括若干个温度传感器节点、若干个位移传感器节点、后台数据处理中心和热误差补偿执行模块；所述后台数据处理中心分别与温度传感器节点和位移传感器节点连接；所述后台数据处理中心与热误差补偿执行模块连接；所述温度传感器节点分布在机床主轴温度敏感点上；所述温度传感器节点包括温度传感器、第一处理器模块、第一ZigBee发送模块和第一电源模块；所述第一电源模块分别与温度传感器、第一处理器模块和第一ZigBee发送模块连接；所述第一处理器模块分别与温度传感器和第一ZigBee发送模块连接；所述位移传感器节点夹持在机床三轴位移测量点上；所述位移传感器节点包括位移传感器、第二处理器模块、第二ZigBee发送模块和第二电源模块；所述第二电源模块分别与位移传感器、第二处理器模块和第二ZigBee发送模块连接；所述第二处理器模块分别与位移传感器和第二ZigBee发送模块连接；所述后台数据处理中心包括ZigBee协调器、嵌入式ARM处理器和FPGA芯片；所述ZigBee协调器与嵌入式ARM处理器连...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨泽青，吕硕颖，刘丽冰，高颂，陈英姝，彭凯，张亚彬，华旭峰，范敏，张炳寅，李增强，李超，刘奇，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：新型
国别省市：天津,12