一种基于wsn的机床温度场监测及实时热误差补偿系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种基于WSN的机床温度场监测及实时热误差补偿系统，包括依次相连的无线温度传感器节点、汇聚节点、控制中心、补偿信号接收装置和机床数控系统。所述基于WSN的机床温度场监测及实时热误差补偿系统通过安装在机床上的温度传感器对机床温度进行测量，通过模/数转换器模块和微控制单元模块得到实时状态参数；再通过无线网络发送数据至汇聚节点；汇聚节点收集多个温度传感器节点的实时数据，将数据汇总后传递至控制中心；控制中心利用热误差补偿模型计算出热误差补偿值，再通过无线网络将热误差补偿值发送到机床数控系统；机床数控系统根据热误差补偿值，利用坐标原点偏移原理调整机床相应运动轴的位置，从而实现误差实时补偿。
【专利说明】
一种基于WSN的机床温度场监测及实时热误差补偿系统
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种基于WSN的机床温度场监测及实时热误差补偿系统。
【背景技术】
[0002]数控机床是机械加工现代化的重要基础与关键技术，机床加工精度是机床的关键技术之一。在数控机床加工过程中，机床各部件不均衡温升引起的热误差使得刀具和工件之间的相对正确位置发生了变化，从而造成零件的加工误差。据统计，数控机床热误差约占总误差的50%?70 %。对加工系统有效地进行实时热误差补偿能够产生巨大的社会经济效益。
[0003]热误差补偿技术是通过研究数控机床的结构热特性，建立热误差补偿策略，减少热误差影响，提高数控机床精度。在工程实验中，从有限的温度测点中辨识出几个温度关键点即热敏感点，建立热误差补偿模型。将热误差模型导入机床数控系统，通过对热敏感点的温度值检测后得出的热误差补偿量分配到各个轴，从而完成热误差补偿。
[0004]工业无线技术已成为当今流行趋势的主导，是继现场总线之后工业控制领域的又一个新兴热点技术，同时也是未来几年工业自动化产品新的增长点。在工业设备状态监测或数据采集现场，在某些工业环境禁止使用电缆或很难使用电缆的情况下，有线局域网的使用就会受到限制，此时无线局域网技术得到了充分的发展和广泛的应用。随着电子技术的高速发展，无线局域网技术将在工业控制领域发挥越来越重要的作用。由无线局域网组建的网络，具备有线网络无法比拟的优势:无线网络的拓扑结构更适合工业网络应用;不需布线，从而省去了施工的麻烦和降低了成本;覆盖范围广，无线局域网在空间开放的地方覆盖半径为550米左右，室内覆盖半径一般为300?400米。
[0005]WSN(无线传感器网络)是无线Ad-Hoc(自组织对等式多跳移动通信网络)网络的一个重要研究分支，是随着MEMS(微机电系统)、传感技术、无线通讯和数字电子技术的迅速发展而出现的一种新的信息获取和处理模式。它是由随机分布的传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成的网络，WSN具有造价低、规模大、分布式模式、无需布线、节约成本、面向具体应用、配置灵活、工作频段无需申请和付费、支持硬件加密等特点，现在已经在很多领域进行了成功的应用，比如军事应用、工业监测、数据采集等。
[0006]目前对机床热误差补偿的研究成果有很多，但存在以下不足:1.传统的有线形式温度监测实施困难，数据传输不方便，无法实现数控机床整机温度场的在线监测;2.目前尚没有通过无线网络实现机床整机温度场数据的传输和实时热误差补偿信号收发的技术的研究应用。因此亟需设计开发一种专门用于数控机床的温度场监测及实时热误差补偿系统，既能满足实际需要，又能降低成本，适用于机床企业针对批量生产的机床进行温度场监测及实时热误差补偿。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提出一种基于WSN的机床温度场监测及实时热误差补偿系统，解决现有技术中机床整机温度场的在线监测实施困难，数据传输不方便的问题。
[0008]为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案:
[0009]一种基于WSN的机床温度场监测及实时热误差补偿系统，包括机床数控系统，还包括WSN应用平台，所述WSN应用平包括依次相连的无线温度传感器节点、汇聚节点、控制中心、补偿信号接收装置;所述无线温度传感器节点采集机床热关键点温度信息并将信息传输给汇聚节点;所述汇聚节点收集多个温度传感器节点的实时数据，将数据汇总后传递至控制中心;所述控制中心利用从汇聚节点接收到的温度信号，对节点工作状态进行诊断，及时发现异常节点并发出警报;通过热误差补偿模型计算出热误差补偿值，并通过无线网络将热误差补偿信号发送给补偿信号接收装置;所述补偿信号接收装置从控制中心接收热误差补偿信号，并将热误差补偿信号发送给机床数控系统;所述机床数控系统根据热误差补偿值调整机床相应运动轴的位置，从而实现热误差实时补偿。
[0010]优选地，所述无线温度传感器节点包含有电源模块、温度传感模块、MCU模块及无线信号发送模块;所述电源模块分别与温度传感模块、MCU模块及无线信号发送模块相连接;MCU模块分别与温度传感模块和无线信号发送模块相连接;所述电源模块负责为节点内各个模块提供电能；所述温度传感模块负责采集机床热关键点温度信息并将信息传输给MCU模块;所述MCU模块负责处理温度传感模块收集的信息，包括数据处理、关键数据暂存及将数据传输到无线信号收发模块;所述无线信号收发模块负责将温度信号通过无线网络发送到汇聚节点。
[0011]进一步优选地，所述无线信号收发模块采用ZigBee网络协议。
[0012]进一步优选地，所述电源模块采用纽扣电池供电，包括纽扣电池座和电压转换模块。
[0013]进一步优选地，所述温度传感模块采用DS18B20数字温度传感器。
[0014]进一步优选地，所述MCU模块及无线信号收发模块采用CC2530核心模块替代，并增加一个JTAG接口。
[0015]优选地，所述汇聚节点包含电源模块、MCU模块及无线信号收发模块；用于收集多个温度传感器节点的实时数据，并对数据进行存储、传输与处理，对当前机床状态进行初步估计，同时将数据汇总后传递至控制中心;所述电源模块分别与MCU模块和无线信号发送模块相连接;所述MCU模块与无线信号发送模块相连接。
[0016]优选地，所述控制中心包括无线信号收发模块、M⑶模块和计算机，利用从汇聚节点接收到的温度信号，通过人工神经网络智能算法分析节点间的参数特点对节点工作状态进行诊断，及时发现异常节点并发出警报;通过热误差补偿模型计算出热误差补偿值，并通过无线网络将热误差补偿信号发送给补偿信号接收装置。
[0017]进一步优选地，所述热误差补偿模型是根据统计理论对误差数据作相关分析，用最小二乘法及回归原理进行拟合建模得到的。
[0018]优选地，所述补偿信号接收装置包括依次相连的无线信号收发模块与MCU模块，与机床数控系统相连并由两者间的接口供电，从控制中心接收热误差补偿信号，并将热误差补偿信号写入暂存器中，然后利用坐标原点偏移原理根据热误差补偿值调整机床相应运动轴的位置，从而实现热误差实时补偿。
[0019]本发明的优点及有益效果是:
[0020]本发明的基于WSN的机床温度场监测及实时热误差补偿系统采用软硬件结合方式，通过无线网络，将置于机床热关键点的温度传感器获得的实时温度数据传送到控制中心，控制中心再利用机床热误差模型计算出热误差补偿值，再通过无线网络将补偿信号反馈给机床数控系统，从而实现热误差实时补偿，克服了传统有线数据采集方式布线不方便、恶劣环境下难以采集数据的困难，显著提高机床加工精度。
[0021]本发明的一个优选方案具有如下优点:采用无线温度传感器节点对机床热关键点温度信息进行采集，节点结构小巧，布置灵活方便。
[0022]本发明的另一优选方案还进一步具有如下优点:控制中心利用人工神经网络智能算法分析节点间的参数特点对节点工作状态进行诊断，能够及时发现异常节点并发出警报，以保证所采数据的真实性与可靠性。
【附图说明】
[0023]图1为本发明系统无线网络拓扑结构图；
[0024]图2为本发明系统分层结构模型示意图；
[0025]图3为本发明实施例温度传感器节点设计示意图；
[0026]图4为本发明实施例温度传感器节点在机床主轴上的安装示意图；
[0027]图5为本发明机床温度场与热变形关系图；
[0028]图6为本发明的工作流程图。
[0029]其中，1-第一温度传感器节点布置点；2-第二温度传感器节点布置点；3-第三温度传感器节点布置点;4-第四温度传感器节点布置点。
【具体实施方式】
[0030]下面结合【具体实施方式】并对照附图对本发明作进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
[0031]本发明提出的机床温度场监测及实时热误差补偿系统，是基于所开发的WSN应用平台实现的，其无线网络拓扑结构图如图1所示。
[0032]本发明提出一种基于WSN的机床温度场监测及实时热误差补偿系统，包括机床数控系统，还包括WSN应用平台，所述WSN应用平包括依次相连的无线温度传感器节点、汇聚节点、控制中心、补偿信号接收装置。
[0033]同时基于所搭建的无线传感器网络应用平台，开发配套的应用系统。应用系统的分层结构模型如图2所示。应用系统主要包括应用层、网络联络层、数据基础层。其中，应用层具有系统管理、模型定义、智能辨识、策略优化等模块；网络联络层是联系应用层以及数据基础层的桥梁，主要实现位置确定、分布式信息处理、时间同步等功能。数据基础层是应用平台获取数据、存储数据的场所，用于平台从无线传感器网络中的汇聚节点获取实时参数，同时构建机床切削过程的预测模型库和工艺数据库。
[0034]在一个优选实施例中，首先按照图3设计并制出了无线温度传感器节点。图3为本发明实施例温度传感器节点设计示意图。
[0035]该节点包括CC2530核心模块、DS18B20温度传感模块、电压转换模块、JTAG接口、纽扣电池座。JTAG接口的主要功能是下载调试程序。所述节点结构小巧，采用纽扣电池供电，无需外接电缆，采用基于ZigBee网络协议的无线网络传输数据，因此能够方便地在机床热关键点处布置。
[0036]当对机床主轴系统进行温度场监测与热误差补偿时，温度传感器节点布置方式如图4所示。具体为:第三温度传感器节点3放置在主轴端盖圆柱面的最下端、X轴正向最大坐标位置;第四温度传感器节点4放置在主轴箱最下端的水平平面、y轴负向最大坐标位置;第二温度传感器节点2放置在第四温度传感器节点4的z轴正向上、与上轴承在同一水平直线的位置。另外，还要在床身上远离机床内部热源的任意位置布置第一温度传感器节点I测量环境温度变化。控制中心对所布置的温度传感器节点的工作状况进行监测和判断，及时发现异常节点并发出警报，以保证所采数据的真实性与可靠性。在无线传感器网络中，被监测节点之间存在着千丝万缕的联系，它们反映出的状态间也存在着一定的相似性，因此可以利用人工神经网络智能算法分析节点间的参数特点对节点工作状态进行诊断。
[0037]在进行机床热误差补偿之前，需要构建机床温度场与热变形之间耦合关系的数学模型。温度场与热变形之间的关系如图5所示。采用试验建模法，即根据统计理论对误差数据作相关分析，用最小二乘法及回归原理进行拟合建模，从而得到数学模型也即热误差补偿模型，再根据所采集的机床整机温度数据计算热误差补偿值。
[0038]温度传感器节点采集的温度数据将按照图6所示流程最终被用于完成热误差补偿。图6为本发明的工作流程图。
[0039]基于WSN的机床温度场监测及实时热误差补偿系统工作流程是:
[0040]温度数据在温度传感器节点经过初步处理和关键数据暂存后通过无线网络被发送到汇聚节点;汇聚节点收集多个温度传感器节点的实时数据，并对数据进行传输与处理，对当前机床状态进行初步估计，同时将数据汇总后传递至控制中心;控制中心利用从汇聚节点接收到的温度信号，通过热误差模型计算出热误差补偿值，并通过无线网络将热误差补偿信号发送给补偿信号接收装置；同时控制中心还利用人工神经网络智能算法分析节点间的参数特点，对所布置的温度传感器节点的工作状况进行监测和判断，及时发现异常节点并发出警报，以保证所采数据的真实性与可靠性;补偿信号接收装置与机床数控系统相连，从控制中心接收热误差补偿信号，并将热误差补偿信号写入暂存器中，再发送给机床数控系统，机床数控系统利用坐标原点偏移原理根据热误差补偿值调整机床相应运动轴的位置，最终实现热误差实时补偿。
[0041 ]本发明已经经过严格的测试和验证，所述功能都全部实现，具有性能可靠，准确度高、成本低的特点。
[0042]以上内容是结合具体的/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施例做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种基于WSN的机床温度场监测及实时热误差补偿系统，包括机床数控系统，其特征在于:还包括WSN应用平台，所述WSN应用平包括依次相连的无线温度传感器节点、汇聚节点、控制中心、补偿信号接收装置;所述无线温度传感器节点采集机床热关键点温度信息并将信息传输给汇聚节点；所述汇聚节点收集多个温度传感器节点的实时数据，将数据汇总后传递至控制中心;所述控制中心利用从汇聚节点接收到的温度信号，对节点工作状态进行诊断，及时发现异常节点并发出警报;通过热误差补偿模型计算出热误差补偿值，并通过无线网络将热误差补偿信号发送给补偿信号接收装置;所述补偿信号接收装置从控制中心接收热误差补偿信号，并将热误差补偿信号发送给机床数控系统;所述机床数控系统根据热误差补偿值调整机床相应运动轴的位置，从而实现热误差实时补偿。2.根据权利要求1所述的基于WSN的机床温度场监测及实时热误差补偿系统，其特征在于:所述无线温度传感器节点包含有电源模块、温度传感模块、MCU模块及无线信号发送模块;所述电源模块分别与温度传感模块、MCU模块及无线信号发送模块相连接;MCU模块分别与温度传感模块和无线信号发送模块相连接;所述电源模块负责为节点内各个模块提供电能;所述温度传感模块负责采集机床热关键点温度信息并将信息传输给MCU模块;所述MCU模块负责处理温度传感模块收集的信息，包括数据处理、关键数据暂存及将数据传输到无线信号收发模块;所述无线信号收发模块负责将温度信号通过无线网络发送到汇聚节点。3.根据权利要求2所述的基于WSN的机床温度场监测及实时热误差补偿系统，其特征在于:所述无线信号收发模块采用ZigBee网络协议。4.根据权利要求2所述的基于WSN的机床温度场监测及实时热误差补偿系统，其特征在于:所述电源模块采用纽扣电池供电，包括纽扣电池座和电压转换模块。5.根据权利要求2所述的基于WSN的机床温度场监测及实时热误差补偿系统，其特征在于:所述温度传感模块采用DS18B20数字温度传感器。6.根据权利要求2所述的基于WSN的机床温度场监测及实时热误差补偿系统，其特征在于:所述MCU模块及无线信号收发模块用CC2530核心模块替代，并增加一个JTAG接口。7.根据权利要求1所述的基于WSN的机床温度场监测及实时热误差补偿系统，其特征在于:所述汇聚节点包含电源模块、M⑶模块及无线信号收发模块;用于收集多个温度传感器节点的实时数据，并对数据进行存储、传输与处理，对当前机床状态进行初步估计，同时将数据汇总后传递至控制中心;所述电源模块分别与M⑶模块和无线信号发送模块相连接;所述MCU模块与无线信号发送模块相连接。8.根据权利要求1所述的基于WSN的机床温度场监测及实时热误差补偿系统，其特征在于:所述控制中心包括依次相连的无线信号收发模块、MCU模块和计算机，利用从汇聚节点接收到的温度信号，通过人工神经网络智能算法分析节点间的参数特点对节点工作状态进行诊断，及时发现异常节点并发出警报;通过热误差补偿模型计算出热误差补偿值，并通过无线网络将热误差补偿信号发送给补偿信号接收装置。9.根据权利要求8所述的基于WSN的机床温度场监测及实时热误差补偿系统，其特征在于:所述热误差补偿模型是根据统计理论对误差数据作相关分析，用最小二乘法及回归原理进行拟合建模得到的。10.根据权利要求1所述的基于WSN的机床温度场监测及实时热误差补偿系统，其特征在于:所述补偿信号接收装置包括依次相连的无线信号收发模块与MCU模块，与机床数控系统相连并由两者间的接口供电，从控制中心接收热误差补偿信号，并将热误差补偿信号写入暂存器中，然后利用坐标原点偏移原理根据热误差补偿值调整机床相应运动轴的位置，从而实现热误差实时补偿。
【文档编号】G05B19/404GK106094723SQ201610361501
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】许超, 冯平法, 黄双刚, 叶健
【申请人】清华大学深圳研究生院