数控机床热误差在线补偿方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种数控机床热误差在线补偿方法及系统；采集数控机床关键测点温度数据，根据多元线性回归热误差模型计算数控机床理论热误差值，计算补偿值并判断是否满足设定的补偿阈值上下限范围。本发明专利技术通过构建多元线性回归热误差模型，将其作为数控机床热误差在线补偿子单元嵌入到面板控制单元的人机交互界面中，无需外置补偿器，极大的提高了系统的通用性；同时，利用模糊聚类分析方法和多元线性回归理论计算数控机床补偿值，并采用外部坐标变换方式执行在线补偿，操作便捷、实时性强。

【技术实现步骤摘要】
数控机床热误差在线补偿方法及系统
本专利技术属于数控机床误差补偿
，尤其涉及一种数控机床热误差在线补偿方法及系统。
技术介绍
随着科技的发展，机械制造技术正在向高速、高精度和智能化的方向发展，这对机械加工提出了较高的要求。随着生产加工过程自动化程度的快速发展和精密加工技术的广泛应用，对数控机床及加工中心的精度提出了更高的要求。在机床的各项误差源中，几何误差和热变形误差对机床加工精度产生较大的影响，是影响机床加工精度的主要因素。大量研究表明，热变形误差占机床总误差的40％～70％，并且随着机床加工精度的提高，热变形误差所占比例也会相应提高，因此有效控制和降低机床热变形误差是提高数控机床加工精度的重要方法。降低机床热变形误差的方法主要有两种，一种是误差预防，另一种是误差补偿。由于误差预防需要对机床的设计、材料的选定上进行改进，成本较高，所以一般采用误差补偿的方法来降低机床热变形误差。目前市场上主流的数控系统是西门子和发那科数控系统，发那科数控系统由于界面开发的限制，大多针对其PLC进行补偿开发。而西门子数控系统为人机界面的二次开发提供了途径。经对现有技术的检索发现，普遍存在如下问题：1)需要外置补偿器和个人计算机协助才能完成误差的补偿，硬件成本大，实施过程较为复杂。2)基于人机界面二次开发的补偿方法，利用西门子自带温度补偿模块实施补偿，但是人机界面二次开发采用了西门子提供的收费开发包，对西门子的依赖较大，同时西门子自带温度补偿模块是收费选装模块，不是所有西门子数控系统都带有温度补偿模块，不具有通用性。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的是：为了解决现有技术中存在以上问题，本专利技术提出了一种操作便捷、实时性强、通用性好的数控机床热误差在线补偿方法及系统。本专利技术的技术方案是：一种数控机床热误差在线补偿方法，包括以下步骤：A、采集数控机床关键测点温度数据；B、将步骤A中采集的关键测点温度数据输入到多元线性回归热误差模型中计算数控机床理论热误差值，所述多元线性回归热误差模型的构建方法包括以下分步骤：B1、采集数控机床关键测点温度数据和对应温度下各个运动轴的热误差数据，采用模糊聚类分析方法将采集的所有温度数据进行分组，并在各组中选择相关系数最大的温度数据作为该组的温度敏感点数据；B2、根据多元线性回归理论，结合步骤B1中采集的温度敏感点数据和热误差数据，建立多元线性回归热误差模型；C、设定补偿阈值上下限范围，根据步骤B中计算得到的理论热误差值计算数控机床补偿值，并判断数控机床补偿值是否满足补偿阈值上下限范围；若数控机床补偿值不满足补偿阈值上下限范围，则返回步骤A；若数控机床补偿值满足补偿阈值上下限范围，则利用OPC通信协议将数控机床补偿值写入PLC数据块地址，实现数控机床热误差在线补偿。进一步地，还包括利用OPC通信协议访问数控机床系统服务器，读取并保存数控机床状态数据。进一步地，所述步骤B中建立的多元线性回归热误差模型具体表示为：ΔK＝a0+a1×ΔT1+a2×ΔT2+a3×ΔT3+a4×ΔT4+...+am×ΔTm其中，ΔK为各个运动轴的热误差，a0,a1,a2,a3,a4...am均为由步骤B1中采集的数控机床关键测点温度数据和对应温度下各个运动轴的热误差数据计算得到的模型系数，ΔT1,ΔT2,ΔT3,ΔT4...ΔTm均为温度敏感点的温度变化量，m为设定温度敏感点个数。进一步地，所述温度敏感点的温度变化量具体为在线采集得到的数控机床关键测点温度数据减去初始温度。进一步地，所述根据步骤B中计算得到的理论热误差值计算数控机床补偿值的计算公式具体为：ΔK′＝ΔKn-ΔKn-1其中，ΔK′为数控机床补偿值，ΔKn为第n次达到补偿阈值上下限范围时根据多元线性回归热误差模型计算得到的理论热误差值，ΔK0＝0。本专利技术还提出了一种数控机床热误差在线补偿系统，包括：数据采集模块，包括温度传感器及与温度传感器连接的数据采集卡；所述温度传感器用于采集数控机床关键测点温度数据，并通过与其连接的数据采集卡将温度数据传输至数控子系统；数控子系统，包括依次连接的面板控制单元、PLC单元和数控单元；所述面板控制单元嵌入有数控机床热误差在线补偿子单元，用于运行数控机床操作系统并根据数据采集模块采集的关键测点温度数据计算数控机床补偿值；所述PLC单元用于供面板控制单元将数控机床补偿值写入到数据块地址；所述数控单元用于供PLC单元将数控机床补偿值写入其外部零点偏置变量，执行数控机床热误差在线补偿；所述数据采集模块通过串口与数控子系统进行数据通信。进一步地，所述数据采集模块还包括位移传感器，所述位移传感器用于采集数控机床关键测点对应温度下各个运动轴的热误差数据并传输至数控子系统。进一步地，还包括数控机床系统服务器，用于存储面板控制单元、PLC单元及数控单元的变量和文件；所述数控子系统采用OPC通信协议与数控机床系统服务器进行数据通信，通过访问数控机床系统服务器实现对数控机床状态进行实时监控。进一步地，还包括个人计算机及分别与个人计算机和数控子系统连接的USB适配器；所述个人计算机安装有PLC编程模块，其用于对数控子系统的PLC单元进行修改；所述USB适配器用于实现个人计算机与数控子系统进行数据通信。进一步地，所述个人计算机对PLC单元进行修改具体为添加FB3子单元和FB4子单元；所述FB3子单元用于将PLC单元的数据块地址的数控机床补偿值写入到数控单元对应的外部零点偏置变量；所述FB4子单元用于激活数控单元的外部零点偏置变量的数控机床补偿值，执行外部坐标变换完成数控机床热误差在线补偿。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过构建多元线性回归热误差模型，并采用C#语言进行编程设计，将其作为数控机床热误差在线补偿子单元嵌入到面板控制单元的人机交互界面中，无需外置补偿器，极大的提高了系统的通用性；同时，利用模糊聚类分析方法和多元线性回归理论计算数控机床补偿值，并采用外部坐标变换方式执行在线补偿，操作便捷、实时性强；此外，还采用OPC通信协议动态访问数控机床服务器，实现对数控机床状态进行实时监控，并利用数控机床热误差在线补偿子单元进行实时显示，为数控机床在线补偿提供了便捷、廉价、可靠的手段。附图说明图1是本专利技术的数控机床热误差在线补偿方法流程示意图。图2是本专利技术的数控机床热误差在线补偿系统结构示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1所示，为本专利技术的数控机床热误差在线补偿方法流程示意图。一种数控机床热误差在线补偿方法，包括以下步骤：A、采集数控机床关键测点温度数据；B、将步骤A中采集的关键测点温度数据输入到多元线性回归热误差模型中计算数控机床理论热误差值，所述多元线性回归热误差模型的构建方法包括以下分步骤：B1、采集数控机床关键测点温度数据和对应温度下各个运动轴的热误差数据，采用模糊聚类分析方法将采集的所有温度数据进行分组，并在各组中选择相关系数最大的温度数据作为该组的温度敏感点数据；B2、根据多元线性回归理论，结合步骤B1中采集的温度敏感点数据和热误差数据，建立多元线性回归热误差模型；C、设定补偿阈值上下限本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种数控机床热误差在线补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：A、采集数控机床关键测点温度数据；B、将步骤A中采集的关键测点温度数据输入到多元线性回归热误差模型中计算数控机床理论热误差值，所述多元线性回归热误差模型的构建方法包括以下分步骤：B1、采集数控机床关键测点温度数据和对应温度下各个运动轴的热误差数据，采用模糊聚类分析方法将采集的所有温度数据进行分组，并在各组中选择相关系数最大的温度数据作为该组的温度敏感点数据；B2、根据多元线性回归理论，结合步骤B1中采集的温度敏感点数据和热误差数据，建立多元线性回归热误差模型；C、设定补偿阈值上下限范围，根据步骤B中计算得到的理论热误差值计算数控机床补偿值，并判断数控机床补偿值是否满足补偿阈值上下限范围；若数控机床补偿值不满足补偿阈值上下限范围，则返回步骤A；若数控机床补偿值满足补偿阈值上下限范围，则利用OPC通信协议将数控机床补偿值写入PLC数据块地址，实现数控机床热误差在线补偿。

【技术特征摘要】
1.一种数控机床热误差在线补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：A、采集数控机床关键测点温度数据；B、将步骤A中采集的关键测点温度数据输入到多元线性回归热误差模型中计算数控机床理论热误差值，所述多元线性回归热误差模型的构建方法包括以下分步骤：B1、采集数控机床关键测点温度数据和对应温度下各个运动轴的热误差数据，采用模糊聚类分析方法将采集的所有温度数据进行分组，并在各组中选择相关系数最大的温度数据作为该组的温度敏感点数据；B2、根据多元线性回归理论，结合步骤B1中采集的温度敏感点数据和热误差数据，建立多元线性回归热误差模型；C、设定补偿阈值上下限范围，根据步骤B中计算得到的理论热误差值计算数控机床补偿值，并判断数控机床补偿值是否满足补偿阈值上下限范围；若数控机床补偿值不满足补偿阈值上下限范围，则返回步骤A；若数控机床补偿值满足补偿阈值上下限范围，则利用OPC通信协议将数控机床补偿值写入PLC数据块地址，实现数控机床热误差在线补偿。2.如权利要求1所述的数控机床热误差在线补偿方法，其特征在于，还包括利用OPC通信协议访问数控机床系统服务器，读取并保存数控机床状态数据。3.如权利要求2所述的数控机床热误差在线补偿方法，其特征在于，所述步骤B中建立的多元线性回归热误差模型具体表示为：ΔK＝a0+a1×ΔT1+a2×ΔT2+a3×ΔT3+a4×ΔT4+...+am×ΔTm其中，ΔK为各个运动轴的热误差，a0,a1,a2,a3,a4...am均为由步骤B1中采集的数控机床关键测点温度数据和对应温度下各个运动轴的热误差数据计算得到的模型系数，ΔT1,ΔT2,ΔT3,ΔT4...ΔTm均为温度敏感点的温度变化量，m为设定温度敏感点个数。4.如权利要求3所述的数控机床热误差在线补偿方法，其特征在于，所述温度敏感点的温度变化量具体为在线采集得到的数控机床关键测点温度数据减去初始温度。5.如权利要求4所述的数控机床热误差在线补偿方法，其特征在于，所述根据步骤B中计算得到的理论热误差值计算数控机床补偿值的计算公式具...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄智，许可，王立平，王正杰，杜丽，陈令，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51