一种数控机床的网络群控式误差动态补偿系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种数控机床的网络群控式误差动态补偿系统，包括机床误差测量仪器、温度传感器、温度数据采集卡、第一路由器、工控机和第二路由器；所述的工控机中内嵌有群控误差补偿与监控子系统，该群控误差补偿与监控子系统包括误差建模模块、状态监控模块和误差补偿模块，所述的数控机床中内嵌有二次界面子系统，该二次界面子系统包括通信模块、机床参数存取模块以及误差补偿实施模块。与现有技术相比，本发明通过其各模块之间的相互配合，实现在一台工控机上对多台数控机床进行误差动态补偿和状态信息监控的效果，批量提高了数控机床的加工精度，具有补偿效率高、补偿精度高、实现成本低等优点。
【专利说明】一种数控机床的网络群控式误差动态补偿系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种数控机床误差补偿技术，尤其是涉及一种数控机床的网络群控式误差动态补偿系统。
【背景技术】
[0002]随着航空航天、精密仪器等领域的飞速发展，人们对数控机床的精度的要求日益提高，精密和超精密加工技术逐渐成为了现代制造技术的研究重点。误差补偿技术自提出以来，因其能够经济有效地提高机床精度，得到人们的广泛的关注。此外，西门子840D数控系统是西门子公司开发的全数字化高度开放式数控系统，具有高度模块化及规范化的结构，代表着当今数控系统的发展方向，在中高档机床中占据着很高的市场份额。所以，针对西门子840D数控系统的中高档机床误差补偿研究具有重要的科研意义和商业价值。
[0003]此外，随着大规模制造业的不断发展，人们不仅需要对单台机床进行误差补偿，还需要对生产线上多台机床同时进行误差，以提高整个生产线的加工精度。如果把传统的误差补偿方法简单地运用到生产线上的所有机床上，势必会带来较大的硬件支出，而且也不符合生产资料集中控制的管理需求。
[0004]经对现有技术的检索发现，该领域里主要有杨建国等人申请了中国专利“基于机床外部坐标系偏置的数控机床误差实时补偿器”(专利申请号:200410093428.1)和“用于高速精密加工的热误差实时补偿系统及其补偿方法”(专利申请号:201110001213.2)。上述专利文献涉及到的数控机床误差补偿控制系统硬件执行平台多采用多单片机的并行处理结构，通过机床I / O扩展模块与机床PLC进行数据交互。这类误差补偿系统不仅硬件成本大，而且与数控机床连接过程繁复，工作量大，易于出错。进一步文献检索发现，张毅等人2012年申请中国专利“基于网络群控的误差实时补偿系统及补偿方法”(专利申请号:201210559632.2)，该专利提出了一种基于网络群数控机床误差补偿方法，通过以太网端口或者PCMCIA以太网卡实现主控中心PC与多台数控机床进行通讯。但是，该方法涉及到的误差补偿系统只能适用于FANUC系统的数控机床，由于西门子840D数控系统与FANUC数控系统差别较大，特别是外部零点偏移位的写入方式差别很大，该方法及系统在西门子840D数控系统中无法实施。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种补偿效率高、实现成本低的数控机床的网络群控式误差动态补偿系统，对生产线上多台配置西门子840D数控系统的机床进行高精度的误差动态补偿功能和良好的在线监测功能。
[0006]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0007]—种数控机床的网络群控式误差动态补偿系统，该补偿系统与数控机床，其特征在于，所述的补偿系统包括机床误差测量仪器、温度传感器、温度数据采集卡、第一路由器、工控机和第二路由器，所述的工控机分别与机床误差测量仪器、第一路由器和第二路由器连接，所述的第一路由器通过温度数据采集卡与温度传感器连接，所述的第二路由器与数控机床连接；
[0008]所述的工控机中内嵌有群控误差补偿与监控子系统，该群控误差补偿与监控子系统包括误差建模模块、状态监控模块和误差补偿模块，所述的数控机床中内嵌有二次界面子系统，该二次界面子系统包括通信模块、机床参数存取模块以及误差补偿实施模块；
[0009]所述的误差建模模块根据机床误差测量仪器测得的不同关键测点温度下的误差数据建立各数控机床的误差模型，所述的状态监控模块按设定的周期循环接收数控机床的机床参数和关键测点温度数据，并显示到交互界面上，所述的误差补偿模块则根据各数控机床误差模型计算实时动态误差补偿值，并将计算得到的补偿值发送到相应数控机床的二次界面子系统的通信模块。
[0010]所述群控网络为基于TCP / IP的通信协议，工控机作为客户端，生产线上不同数控机床作为不同的服务端，通过匹配各机床的IP地址和端口建立群控网络，实现数据的双向交互。
[0011]所述的误差补偿实施模块是利用机床PLC中FB3功能块将误差补偿值写入到各轴对应的机床参数SD43900中，利用SD43900参数自带的运动驱动功能实现动态补偿功能。
[0012]所述的机床误差测量仪器包括激光干涉仪、球杆仪和激光跟踪仪，对机床的各个进给轴的几何误差和热误差进行测量。
[0013]所述的温度传感器采用钼热电阻，测量范围0-100°C，灵敏度±0.TC，分布安装在群控网络内各数控机床的关键温度测点上。
[0014]所述的数控机床采用西门子840D数控机床，是集成西门子SINUMERIK840D数控系统的机床，西门子840D数控系统由数控及驱动单元(NCU)、MMC(Man MachineCommunication)、PLC 模块三部分组成。其中 MMC 模块包括 PCU(PC Unit)和 MCP (MachineControl Panel)两部分，PCU是基于WINDOWS NT或WINDOWS XP系统的，实际上也是一台计算机,CPU为奔腾,可以带硬盘,POJ的软件被称作HMI (Human Machine Interface)软件,所述二次界面子系统就是基于HMI软件根据补偿功能需要进行二次开发。
[0015]所述的温度数据采集卡是指:研华公司研发的ADAM-6015，具有7路2线或3线热电阻输入通道，支持PtlOO / 1000、Ni&Balco500等温度传感器输入，采样速率最高可达10采样点/秒，有效分辨率可达16位，支持以太网传输协议。
[0016]所述的误差建模模块根据机床误差测量仪器测得的不同关键温度测点下的误差数据建立各数控机床的误差模型，具体为:
[0017]首先对生产线上的不同数控机床进行误差测量，得到各个机床关键测点的温度数据以及不同温度下机床各个进给轴的误差数据，然后进行几何误差元素和热误差元素的分离，利用最小二乘法建立各个进给轴的几何误差模型，利用自然指数法得出热误差模型，最后把两部分误差模型复合得到各机床的复合误差模型。
[0018]所述的机床参数存取模块通过访问NCDDE服务器的方式，实现NCK/PLC变量的存取，包括读取机床系统参数、机床坐标、加工参数、报警信息，以及将补偿值写入到PLC的中间变量寄存器。
[0019]所述的机床参数包括系统参数、机床坐标、加工参数和报警信息,所述的机床参数存取模块采集各机床的机床参数，并将其发送给工控机，由状态监控模块接收并显示。[0020]所述的关键测点温度数据通过温度传感器采集，并依次通过温度数据采集卡、以太网传输到工控机上，由状态监控模块接收并显示。
[0021]所述的误差补偿模块将状态监控模块监控到的机床坐标以及关键测点温度数据代入到各数控机床复合误差模型中，得到各进给轴的动态误差补偿值，并将动态误差补偿值发送到相应数控机床二次界面子系统的通信模块。
[0022]所述的通信模块基于TCP / IP通络通讯协议与工控机进行双向数据交互。所述的机床参数存取模块是指:通过访问NCDDE(NC Dynamic Data Exchange)服务器的方式,实现NCK / PLC变量的存取，所述变量存取包括:读取机床系统参数、机床坐标、加工参数、报警信息等，以及将通信模块接收到各进给轴的动态补偿值写入到PLC的某些闲置的内部标志寄存器中，例如，群控网络内某机床为三轴机床，利用访问NCDDE服务器的方式，把接收到的三个进给轴的补偿值数据写入到MD200、MD204和MD208三个PLC内部标志寄存器中；所述的误差补偿实施模块是指:利用PLC中FB3功能块将误差补偿值写入到各轴对应的机床参数SD43900中的程序模块，西门子840D系统中集成的是S7-300系列的PLC，其程序结构是由块组成，FB3功能块作用是写NC变量，调用FB3功能块可实现把补偿值写入到数控系统的NCK区域中，具体是对应进给轴的机床参数SD43900中，实现动态误差补偿。所述的机床参数SD43900，机床数据名称是“TEMP_COMP_ABS_VALUE”，作用是“与位置无关的温度补偿值”，单位是mm或者degree，生效模式是“立即生效”，属于西门子840D自带的温度补偿模块，原本用作配合机床数据SD43910 (作用是“位置相关的温度补偿斜率”)，形成一条拟合热误差的直线，本发明中充分利用SD43900的立即生效模式，因其效果类似“外部零点偏置位”，所以可用来对各进给轴进行动态的误差补偿。
[0023]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0024]把网络群控技术运用到西门子840D数控机床上，对生产线上多台机床同时进行误差补偿和状态监控，实现了集中控制，提高补偿的效率，大大节约了硬件成本；机床误差数据都保存在一台工控机的数据库中，便于误差数据的处理和误差模型的更新；补偿执行方式基于西门子840D系统的PLC的FB3功能块，FB3功能块处于PLC主程序中，执行速度快，更好地抑制了补偿滞后效应，补偿精度高；西门子840D数控系统机床参数SD43900作为“外部零点偏置位”，充分利用了系统自带的热误差补偿模块，保证了补偿效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本发明的硬件连接示意图；
[0026]图2为网络群控式补偿与监控流程示意图；
[0027]图3为VTM6335立式加工中心补偿前后效果对比图；
[0028]图4为DLM-16斜身数控车床补偿前后效果对比图；
[0029]图5为DLH-20高速数控车床补偿前后效果对比图。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0031]实施例
[0032]如图1所示，本发明数控机床的网络群控式误差动态补偿系统包括机床误差测量仪器、温度传感器多个、温度数据采集卡多个、西门子840D数控机床多台、路由器2个、工控机I台、网线多根，温度传感器与温度数据采集卡相连，多个温度采集卡通过网线与路由器I相连，路由器I通过网线连接到工控机上；集成西门子840D数控系统的机床均带有内置以太网口，通过网线把多台数控机床与路由器2相连接，路由器2通过网线连接到工控机上。
[0033]所述的机床误差测量仪器是指:对机床的各个进给轴的几何误差和热误差进行测量的设备，包括激光干涉仪、球杆仪、激光跟踪仪等。
[0034]所述温度传感器是指:钼热电阻PT100，其测量范围是0-100。C，灵敏度为±0.TC，每台数控机床上均安装多个PT100温度传感器，分布在关键温度测点上，每台机床上的温度传感器数据通过一个温度数据采集卡来收集。
[0035]所述温度数据采集卡是指:研华公司研发的ADAM-6015，具有7路2线或3线热电阻输入通道，支持PtlOO / 1000，Ni&Balco500等温度传感器输入，采样速率最高可达10采样点/秒，有效分辨率可达16位，支持以太网传输协议。
[0036]所述西门子840D数控机床是指:集成西门子SINUMERIK840D数控系统的数控机床，西门子840D数控系统由数控及驱动单元(NCU)、MMC (Man Machine Communication)、PLC模块三部分组成。其中MMC模块包括PCU(PC Unit)和MCP (Machine Control Panel)两部分，PCU后台是基于WINDOWS XP或WINDOWS NT系统的，实际上也是一台计算机，CPU为奔腾，可以带硬盘，带有内置以太网口，P⑶的软件被称作HMI (Human Machine Interface)软件，可以根据用户需要对HMI软件进行二次开发。西门子840D数控系统提供了热误差补偿功能，涉及到几个机床数据，包括:MD32750 (TEMP_C0MP_TYPE)——温度补偿类
型；SD43900 (TEMP_C0MP_ABS_VALUE)-位置无关的温度补偿值；SD43910 (TEMP_C0MP_
SLOP)——位置相关温度补偿值系数；SD43920 (TEMP_C0MP_REF_P0S ITI ON)——位置相关温度补偿参考位置；所述温度补偿类型包括两种，分别是:MD32750=1时，位置无关温度补偿方式生效；MD32750=2时，位置相关温度补偿方式生效。MD32750=0时，温度补偿失效。
[0037]所述的群控误差补偿与监控子系统在工控机上运行，包括误差建模模块、状态监控模块和误差补偿模块，主要功能有建立各机床的误差模型，实时计算补偿值并监控各机床的状态等。群控误差补偿与监控子系统基于微软公司Visual Basic(VB)开发。所述二次界面子系统在各台数控系统上运行，是基于西门子840D的HMI软件进行的二次开发，主要包括通信模块、机床参数存取模块和误差补偿实施模块。如图2所示，误差建模模块对误差测量数据进行数据处理和建模，得到各数控机床误差模型，根据状态监控模块读取到实时机床坐标以及温度数据，由误差补偿模块得到动态误差补偿值并发送到各数控机床，二次界面子系统的通信模块接收补偿值，利用机床参数存取模块把接收到的补偿值，写入到PLC的内部标志寄存器，误差补偿实施模块负责把补偿值写入到机床参数SD43900中，利用SD43900自身的CNC运动控制功能实现对各进给轴误差补偿。
[0038]所述误差建模模块是指:根据测量仪器测得的不同关键测点温度下的误差数据建立误差模型，所述误差模型是指群控网络内不同机床的各个进给轴的误差与关键测点温度数据和机床坐标之间的函数关系，误差模型是由几何误差模型与热误差模型两部分叠加而成，在误差建模之前，需要对生产线上的不同数控机床进行误差测量，得到各个机床关键测点的温度数据以及不同温度下机床各个进给轴的各项误差数据，然后进行几何误差和热误差的分离，采用最小二乘法建立各个进给轴的几何误差元素模型，采用自然指数法建立热误差元素模型，最后将两种误差元素模型合成得到各轴的复合误差补偿模型。
[0039]所述状态监控模块是指:对群控网络内的不同数控机床的工作状态同时进行在线监控，实现按一定的周期循环接收数控机床的机床坐标、加工参数、关键测点温度数据，并将其显示在交互界面上的功能，起到机床状态监控的效果。所述机床参数的数据接收方式是基于TCP / IP的通信协议，以VB的Winsock控件为媒介，工控机作为客户端，群控网络内的不同数控机床作为不同的服务端，匹配各机床的IP地址后，二次界面子系统将各机床的系统参数、机床坐标、加工参数发送到客户端工控机上，状态监控模块通过交互界面将数据显示出来，实现机床参数的监控；所述温度数据的接收方式是指通过温度数据采集卡把采集到的机床各关键温度测点的温度数据，通过以太网的形式传输到工控机上，由状态监控模块接收并显示。
[0040]所述误差补偿模块是指:计算群控网络内不同数控机床各进给轴的动态误差值并把误差值传输到二次界面子系统中。所述计算动态误差值是指在误差模型建立以后，把状态监控模块获得的机床坐标以及关键测点的温度数据代入到不同机床的误差模型中，得到各进给轴的动态误差补偿值，之后基于网络通讯协议把动态误差补偿值传输到群控网络系统中的各机床的二次界面子系统中；所述把动态误差补偿值传输到各数控系统中的通信方式与状态监控模块获取机床参数的通信方式相同。
[0041]所述二次界面子系统是指:利用西门子提供的OEM软件平台，在西门子840D数控系统HMI软件上基于VB开发的二次界面，主要包括通信模块、机床参数存取模块和误差补偿实施模块。所述通信模块是指与工控机相对应的服务端的通信程序，基于TCP / IP通络通讯协议与工控机进行双向数据交互；所述机床参数存取模块是指:通过访问NCDDE (NCDynamic Data Exchange)服务器的方式，实现NCK / PLC变量的存取，包括:读取机床系统参数、机床坐标、加工参数、报警信息等，以及将接收到各进给轴的动态补偿值写入到PLC的某些闲置的内部标志寄存器中，例如，群控网络内某机床为三轴机床，利用访问NCDDE服务器的方式，把接收到的三个进给轴的补偿值数据写入到MD200、MD204和MD208三个PLC内部标志寄存器中；所述的误差补偿实施模块是指:利用PLC中FB3功能块将误差补偿值写入到各轴对应的机床参数SD43900中的程序模块，西门子840D系统中集成的是S7-300系列的PLC，其程序结构是由块组成，FB3功能块作用是写NC变量，调用FB3功能块可实现把补偿值写入到NCK区域中，具体是对应进给轴的机床参数SD43900中，实现动态误差补偿。补偿值生效的前提是机床参数MD32750=1。
[0042]本实施例在三台数控机床组成的群控网络上进行试验，包括一台三轴立式车铣复合加工中心、两台两轴的数控车床。其中，三轴的立式加工中心配置西门子SINUMERIK840Dsl型数控系统，两台两轴的数控车床均配置西门子SINUMERIK840Dpl型数控系统，两种类型的数控系统均具有内置以太网口，可以通过网线与路由器2连接。
[0043]三台机床的相关技术参数如表I所示:
[0044]表I
[0045]
【权利要求】
1.一种数控机床的网络群控式误差动态补偿系统，该补偿系统与数控机床，其特征在于，所述的补偿系统包括机床误差测量仪器、温度传感器、温度数据采集卡、第一路由器、工控机和第二路由器，所述的工控机分别与机床误差测量仪器、第一路由器和第二路由器连接，所述的第一路由器通过温度数据采集卡与温度传感器连接，所述的第二路由器与数控机床连接； 所述的工控机中内嵌有群控误差补偿与监控子系统，该群控误差补偿与监控子系统包括误差建模模块、状态监控模块和误差补偿模块，所述的数控机床中内嵌有二次界面子系统，该二次界面子系统包括通信模块、机床参数存取模块以及误差补偿实施模块； 所述的误差建模模块根据机床误差测量仪器测得的不同关键测点温度下的误差数据建立各数控机床的误差模型，所述的状态监控模块按设定的周期循环接收数控机床的机床参数和关键测点温度数据，所述的误差补偿模块则根据各数控机床误差模型计算实时动态误差补偿值，并将计算得到的补偿值发送到相应数控机床二次界面子系统的通信模块； 所述状态监控模块对群控网络内的不同数控机床的工作状态同时进行在线监控，实现按设定的周期循环接收数控机床的机床参数和关键测点温度数据，并将其显示在交互界面上的功能，起到机床状态监控的效果。
2.根据权利要求1所述的网络群控式误差动态补偿系统，其特征在于，所述群控网络为基于TCP / IP的通信协议，工控机作为客户端，生产线上不同数控机床作为不同的服务端，通过匹配各机床的IP地址和端口建立群控网络，实现数据的双向交互。
3.根据权利要求1所述的网络群控式误差动态补偿系统，其特征在于，所述的误差补偿实施模块是利用机床PLC中FB3功能块将误差补偿值写入到各轴对应的机床参数SD43900中，利用SD43900参数自带的运动驱动功能实现动态补偿功能。
4.根据权利要求1所述的网络群控式误差动态补偿系统，其特征在于，所述的数控机床是集成西门子SINUMERIK840D数控系统的机床。`
5.根据权利要求1所述的网络群控式误差动态补偿系统，其特征在于，所述的机床误差测量仪器包括激光干涉仪、球杆仪和激光跟踪仪，对机床的各个进给轴的几何误差和热误差进行测量。
6.根据权利要求1所述的网络群控式误差动态补偿系统，其特征在于，所述的温度传感器采用钼热电阻，分布安装在群控网络内各数控机床的关键温度测点上。
7.根据权利要求1所述的网络群控式误差动态补偿系统，其特征在于，所述的误差建模模块根据机床误差测量仪器测得的不同关键测点温度下的误差数据建立各数控机床的误差模型具体为: 首先对生产线上的不同数控机床进行误差测量，得到各个机床关键测点的温度数据以及不同温度下机床各个进给轴的误差元素，然后进行几何误差元素和热误差元素的分离，利用最小二乘法建立各个进给轴的几何误差模型，利用自然指数法得出热误差模型，最后把两部分误差模型复合得到各机床的复合误差模型。
8.根据权利要求1所述的网络群控式误差动态补偿系统，其特征在于，所述的误差补偿模块将状态监控模块监控到的机床坐标以及关键测点温度数据代入到各数控机床复合误差模型中，得到各进给轴的动态误差补偿值，并将动态误差补偿值发送到相应数控机床的误差补偿实施模块。
9.根据权利要求1所述的网络群控式误差动态补偿系统，其特征在于，所述的机床参数存取模块通过访问NCDDE服务器的方式，实现NCK / PLC变量的存取，包括读取机床系统参数、机床坐标、加工参数、报警信息，以及将补偿值写入到PLC的中间变量寄存器。
10.根据权利要求1所述的网络群控式误差动态补偿系统，其特征在于，所述的关键测点温度数据通 过温度传感器采集，并依次通过温度数据采集卡、以太网传输到工控机上，由状态监控模块接收并显示。
【文档编号】G05B19/418GK103792910SQ201310632455
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2013年12月2日 优先权日:2013年12月2日
【发明者】卢红星, 项四通, 杨建国, 张景然, 王续林, 李兴达 申请人:上海交通大学