基于网络群控的数控机床误差实时补偿系统及补偿方法

摘要

本发明公开了一种基于网络群控的数控机床误差实时补偿系统及补偿方法，所述补偿系统包括硬件部分和内置于该硬件中的软件部分；所述硬件部分包括：主控中心PC、路由器、内置式以太网端口或PCMCIA以太网卡、温度传感器、温度数据采集卡；所述软件部分包括：温度采集模块、误差建模及计算模块、群控补偿模块和机床状态网络监控模块。本发明能够实现对生产线上多台数控机床同时进行误差实时补偿和工作状态信息监控，批量提高多台数控机床的运动精度，从而大幅提高了补偿效率和最终的加工精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种机床误差补偿装置及方法，具体涉及一种基于网络群控的数控机床误差 实时补偿系统及补偿方法，属于数控机床加工技术领域。

背景技术

现代机械制造技术正朝着高效率、高质量、高精度、高集成和高智能方向发展。精密和 超精密加工技术已成为现代机械制造中最重要的组成部分和发展方向，随着精密加工技术的 广泛应用，对数控机床精度的要求日益提高。

机床误差是指在机床运动空间内由制造、安装、运动控制不精确和刀具、床身以及热变 形等其它因素综合引起的初始位置误差与运动误差。研究表明：机床的几何误差（由机床本 身制造、装配缺陷造成的误差）、热误差（由机床温度变化而引起热变形造成的误差）引起的 误差约占机床总误差的70%，所以对数控机床的几何误差和热误差进行补偿，是提高机床运 动性能和加工精度的重要途径。

经对现有的文献资料检索发现，主要有中国专利“基于机床外部坐标系偏置的数控机床误 差补偿器”（专利申请号：200410093428.1）、中国专利“数控机床定位误差实时补偿装置”（专 利申请号：200710045903.1）和王维等在2012年的《机械工程学报》发表的题为《数控机床 几何误差与热误差综合建模及其实时补偿》的文章。上述文献提到的机床误差补偿装置基本 以单片机作为主要硬件构成，通过机床I/O扩展模块与PMC（Programmable Machine Controller）进行通讯。这类误差补偿方案需要根据不同机床结构和数控系统类型，为每台机 床单独配备误差补偿装置，没有充分利用PMC内部存储空间和数据运算能力，硬件成本较大。 不仅如此，补偿装置与PMC之间的数据传输模式采用基于I/O模块的并口数据传输模式，硬 件连接繁复。

随着机械制造工业的不断发展，人们不仅需要对一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补偿，以提高整个生产流水线的加工精度。如果把传统的误差补偿方 法简单地“复制”到生产线上所有机床中，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。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于网络群控的数控机床误差实时补偿 系统及补偿方法，其具有对生产线上多台数控机床同时进行高精度的误差补偿功能和良好的 在线状态监控功能。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于网络群控的数控机床误差实时补偿系统，其特征在于：所述补偿系统包括硬件 部分和内置于该硬件中的软件部分；所述硬件部分包括：主控中心PC、路由器、内置式以太 网端口或PCMCIA以太网卡、温度传感器、温度数据采集卡，其中，主控中心PC与路由器 相连接，路由器与各数控机床的内置式以太网端口相连接，主控中心PC通过识别群控网络 内各数控机床的IP地址，实现与不同数控机床进行数据交互，温度传感器与温度数据采集卡 相连接并实时测量数控机床关键测点的温度数据，温度采集卡通过路由器与主控中心PC进 行双向数据交互；所述软件部分包括：温度采集模块、误差建模及计算模块、群控补偿模块 和机床状态网络监控模块；其中，温度采集模块保存实时采集到的机床关键测点的温度数据； 误差建模及计算模块根据机床误差测量数据和关键测点的温度数据建立误差模型，并计算不 同温度条件下的误差补偿值；群控补偿模块计算在不同温度条件下群控网络内各数控机床中 各进给轴的误差补偿值，生成并不断更新各数控机床的误差补偿值表格，并将之分时、顺序 地输送到各机床PMC中，机床状态网络监控模块监控群控网络内各数控机床的工作状态信 息。

所述的温度采集模块是指：补偿系统人机交互软件中的对群控网络内各数控机床关键测 点上分布的温度传感器的温度数据进行采集、存储和显示的程序模块。通过温度传感器和温 度数据采集卡可以获得机床关键测点的温度数据，温度采集模块将温度数据保存，用于机床 的误差建模、误差补偿值的计算和温度曲线的实时显示。

所述误差建模及计算模块是指：根据群控网络内不同数控机床各异的运动拓扑结构，对 测量得到的机床误差数据和关键测点的温度数据进行建模，得到群控网络内各数控机床中各 进给轴的误差模型。在误差补偿过程中，该误差建模及计算模块又可把实时测量得到的关键 测点的温度数据代入到误差模型中，从而计算出在不同温度条件下的各数控机床中各进给轴 的误差补偿值。

所述的群控补偿模块是指：根据群控网络内各数控机床的误差模型和按一定周期实时采 集到的关键测点的温度数据，计算在不同温度条件下的各数控机床中各进给轴的误差补偿值， 生成并不断更新各机床的误差补偿值表格，并将其分时、顺序地导入到各机床PMC的D地 址存储单元中；群控网络内各数控机床PMC通过窗口功能实时读取各进给轴的坐标位置，并 确定该坐标位置所处的具体坐标位置段，以查表的方式从D地址存储单元中调用当前坐标位 置对应的误差补偿值，并导入到PMC的R地址存储单元中；各数控机床的EMZPS（External Machine Zero Point Shift，外部机械原点偏移）功能调用R地址存储单元中的误差补偿值，将 其作为机械原点的偏移量，最终实现群控网络内多台机床的误差实时补偿。

所述的机床状态网络监控模块是指：主控中心PC对群控网络内的多台数控机床的工作 状态同时进行网络监控的程序模块；所述的数控机床工作状态信息包括：机床的系统参数、 补偿状态、负载状态和报警信息；主控中心PC调用FOCAS（Fanuc Open CNC API Specifications）动态链接函数库中的相关功能函数，通过匹配各机床的IP地址，用以太网的 数据传输模式从各数控机床数控系统中获取数控机床工作状态信息，实现对群控网络内的多 台数控机床的工作状态同时进行网络监控。

本发明的另一技术方案为：

一种上述系统实现的基于网络群控的数控机床误差实时补偿方法，其包括以下步骤：

第一步、对生产线上待补偿的多台数控机床建立群控网络；

第二步、用激光干涉仪以及温度传感器对群控网络内的各数控机床的几何误差和热误差 进行测量，根据误差特点和变化规律建立误差模型并保存在主控中心PC中；

第三步、在对群控网络内各数控机床实施误差补偿时，将实时测量得到的数控机床各关 键测点的温度数据代入到数控机床的误差模型中，计算得到不同温度条件下的误差补偿值， 并生成误差补偿值表格；

第四步、调用FOCAS动态链接函数库中的相关功能函数，通过以太网数据传输模式， 将各数控机床中各进给轴的误差补偿表格分时、顺序传输给群控网络内各数控机床PMC中的 D地址存储单元中；

第五步、群控网络内各数控机床PMC获取当前数控机床各进给轴的实时坐标位置，并通 过查表确定放在D地址存储单元中的与当前坐标位置相对应的误差补偿值，并通过PLC程序 将该补偿值送给与该进给轴对应的R地址内，然后EMZPS功能调用R地址内的补偿值作为 机械原点的偏移量，最终实现群控补偿功能；

第六步、按照设定的周期采集各数控机床关键测点的温度变化情况，重新进行第三步至 第五步，不断对当前温度条件下的各数控机床误差进行补偿。

所述的第一步具体是指：将生产线上待补偿的各数控机床用内置式以太网端口或 PCMCIA以太网卡通过路由器和主控中心PC连接，构成完整的控制网络，主控中心PC通过 识别不同数控机床的IP地址，测试是否连接正常以便进行双向数据交互。

所述的第三步具体是指：

3.1设数控机床某进给轴的行程范围为L，以p为间隔划分为L/p个坐标位置段，坐标 位置段的间隔p根据补偿精度要求和数控机床PMC中D地址存储单元的存储空间大小进行 确定；

3.2将某一时刻的温度数据代入到由第二步建立的该进给轴的误差模型中，计算每个坐 标位置段的节点在该温度条件下的误差补偿值，以测量起始点的补偿值为0，然后将计算得 到的节点处的误差补偿值作为该坐标位置段内位置的补偿值，得到阶跃型的补偿值曲线，将 所有节点处的误差补偿值写入误差补偿值表格中，得到该温度条件下的误差补偿值表格；

3.3以与3.1和3.2相同的步骤建立群控网络中其它数控机床所有进给轴的误差补偿值表 格。

所述的第五步具体是指：

5.1群控网络内的每台数控机床根据自己的系统配置编写不同的PLC程序，主控中心PC 将误差补偿值表格导入到各数控机床D地址存储单元后，由各数控机床PMC在梯形图扫描 周期内自行从D地址存储单元调用该数控机床对应各进给轴当前坐标位置和关键测点温度值 下的误差补偿值；

5.2在梯形图扫描周期内，通过PMC窗口功能获取各进给轴当前的坐标位置，其中，PMC 窗口功能是数控机床PMC与CNC系统进行数据交互的重要方式，数控机床PMC根据各进 给轴的坐标位置，确定该坐标位置所处的具体坐标位置段，数控机床PMC从D地址存储单 元中通过查表的方式获取当前位置所对应的误差补偿值，并将之输送给与该进给轴对应的R 地址内，然后EMZPS功能调用R地址内的补偿值作为机械原点的偏移量，最终实现补偿功 能。

与现有的误差补偿技术相比，本发明充分利用机床PMC的数据存储和计算能力，只需一 台配有VB编写的人机交互软件的PC机作为主控中心即可实现对生产线上所有机床进行误差 补偿和状态监控，实现集中控制，提高补偿效率，节约硬件成本。机床的误差测量数据和误 差模型都保存在主控中心PC的数据库中，便于误差数据和误差模型的管理和更新；补偿系 统各模块任务分工明确，在完成各自任务的前提下，通过以太网形式进行相互之间的数据交 互，具有数据传输速度快、稳定性高，且易于模块连接和扩展的特点；同时具有良好的在线 机床状态监控功能。

附图说明

图1为本发明的工作流程示意图。

图2为某一温度条件下误差补偿表格的建立过程。

图3为CK6430数控车床补偿前后定位误差曲线对比图。

图4为CAK4085J数控车床补偿前后定位误差曲线对比图。

图5为VMC1000P三轴立式加工中心补偿前后定位误差曲线对比图。

图6为VMC1300P三轴立式加工中心补偿前后定位误差曲线对比图。

图7为VMC22120U五轴联动加工中心A轴角度定位误差曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提给出了 详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明所述的基于网络群控的数控机床误差实时补偿系统包括硬件部分和软件部分。请 参阅图1，补偿系统的硬件部分主要包括：主控中心PC、路由器、数控机床的内置式以太网 端口、温度传感器、温度数据采集卡。其中，主控中心PC和路由器相连接，路由器和各数 控机床的内置式以太网端口相连接，主控中心PC通过识别群控网络内各数控机床的IP地址， 实现与不同数控机床进行数据交互；温度传感器与温度数据采集卡相连接并实时测量机床关 键测点的温度数据；温度采集卡通过路由器和主控中心PC进行双向数据交互。软件部分内 置于该硬件部分中，在VB语言环境下编写完成，主要包括：温度采集模块、误差建模及计 算模块、群控补偿模块和机床状态网络监控模块。其中，温度采集模块用来保存实时采集到 的机床关键测点的温度数据以用于后续的误差建模以及显示温度变化曲线；误差建模及计算 模块根据机床误差测量数据和关键测点的温度数据，建立误差模型，并计算不同温度条件下 的误差补偿值；群控补偿模块负责计算在不同温度条件下群控网络内各数控机床中各进给轴 的误差补偿值，生成并不断更新各数控机床的误差补偿值表格，并将其分时、顺序地输送到 各数控机床PMC中；机床状态网络监控模块主要负责监控群控网络内各数控机床的工作状态 信息。

所述的主控中心PC是指：一台配有由VB编写的人机交互软件的计算机，它是整个补偿 系统的核心部分，具有较大的存储空间和较高的运算速度，可以存储群控网络内各数控机床 的误差数据、误差模型、关键测点的温度数据，可以较快地计算各机床某一温度条件下的误 差补偿值，并通过以太网传输给数控机床PMC。

所述的路由器连接群控网络中的主控中心PC和各数控机床，根据信道的情况自动选择 和设定路由，以最佳路径，按先后顺序发送数据。

所述的内置式以太网端口是指：数控系统向用户开放的以太网接口设备，并和路由器直 接相连，该内置式以太网端口可以替换为PCMCIA以太网卡。主控中心PC通过路由器与机 床内置式以太网端口或PCMCIA以太网卡连接，实现数据双向交互。Fanuc中高端数控系统 通常配有内置式以太网端口，而一些经济型数控系统（如：Fanuc0i mate D）则需通过额外配 备PCMCIA以太网卡进行数据交互。

所述的温度传感器是指：铂热电阻PT100，分布在数控机床温度的关键测点上，测量范 围为0℃-100℃，测量分辨率可达到±0.1℃。

所述的温度数据采集卡是指：研华公司生产的Adam-6015型数据采集卡，具有7路差 分式温度采集通道，有效分辨率可达16位，采样速率最高可达10采样点/秒，支持PT100两 线制或三线制的连接方式，支持以太网数据传输协议。

所述的温度采集模块是指：补偿系统人机交互软件中的对群控网络内各数控机床关键测 点上分布的温度传感器的温度数据进行采集、存储和显示的程序模块。通过PT100温度传感 器和Adam-6015温度数据采集卡可以获得机床关键测点的温度数据，温度采集模块将温度 数据保存，用于机床的误差建模、误差补偿值的计算和温度曲线的实时显示。

所述误差建模及计算模块是指：根据群控网络内不同数控机床各异的运动拓扑结构，对 测量得到的机床误差数据和关键测点的温度数据进行建模，得到群控网络内各数控机床中各 进给轴的误差模型。在误差补偿过程中，该误差建模及计算模块又可把实时测量得到的关键 测点的温度数据代入到误差模型中，从而计算出在不同温度条件下的各数控机床中各进给轴 的误差补偿值。

所述的群控补偿模块是指：人机交互软件根据群控网络内各数控机床的误差模型和按一 定周期实时采集到的关键测点的温度数据，计算在不同温度条件下的各数控机床中各进给轴 的误差补偿值、生成并不断更新各数控机床的误差补偿值表格，并将其分时、顺序地导入到 各数控机床PMC的D地址存储单元中；为了保证群控补偿的实时性，群控网络内各机床PMC 通过窗口功能实时读取各轴的坐标位置，并确定该坐标位置所处的具体坐标位置段，以查表 的方式从D地址存储单元中调用当前坐标位置对应的误差补偿值，并导入到R地址存储单元 中；各机床的EMZPS功能调用R地址存储单元中的误差补偿值，将其作为机械原点的偏移 量，最终实现群控网络内多台数控机床的误差实时补偿。

所述的机床状态网络监控模块是指：人机交互软件对群控网络内的多台数控机床的工作 状态同时进行监控的程序模块。所监控的数控机床工作状态信息主要包括机床的系统参数、 补偿状态、负载状态和报警信息等。人机交互软件调用Fanuc公司提供的FOCAS动态链接 函数库中的相关功能函数，通过匹配各机床的IP地址，从各数控机床数控系统中获取机床的 工作状态信息。

本实施例在一台五轴联动加工中心、两台三轴立式加工中心、两台两轴数控车床所组成 的群控网络上进行试验。五轴联动加工中心采用Fanuc31i型数控系统，两台三轴立式加工中 心采用Fanuc18i型数控系统，它们均具有内置式以太网端口，可以通过网线与路由器直接相 连；两台数控车床采用Fanuc0i mate TD型数控系统，需要配备PCMCIA以太网卡才可与路 由器进行连接。五台机床的相关技术参数如下表所示：

下面是本实施例采用所述误差补偿系统进行数控机床误差实时补偿的具体实施步骤：

第一步、对待误差补偿的五台机床建立群控网络。具体是指：

1.1将一台五轴联动加工中心和两台三轴立式加工中心用内置式以太网端口与路由器相 连接，将两台两轴数控车床通过PCMCIA以太网卡与路由器相连接。

1.2设置五台机床的IP地址，如上表所示，由于IP地址是机床在该群控网络内的身份认 证标志，所以需要确保五台机床的IP地址各不相同。

1.3主控中心PC通过识别各机床的IP地址，测试数据连接，并读取各机床的相关基本 信息，如：数控系统型号和轴数等，群控网络建立完成。

第二步、用激光干涉仪等测量仪器以及温度传感器对五台机床的几何误差和热误差进行 测量，并根据误差特点和变化规律建立误差元素模型。例如，其中一台车床X轴的几何误差 模型为$E_G\left(x\right)=\underset{i=0}{\overset{n}{\Sigma }}{a}_i·x^i=a_0+a_1·x+a_2·x^2+...+a_n·x^n,$热误差模型为E_T(T_x)＝k_T·x，n表示 几何误差拟合多项式的阶数；x表示X轴坐标位置，k_T表示与关键测点温度有关的系数。因 此，在不同温度条件下X轴的定位误差可以表示为上述几何误差和热误差的和，即： δ_xx(x,Tx)＝E_G(x)+E_T(T_x)。利用同样的方法可以得到五台机床所有进给轴定位误差的模型表 达式，并将其保存在主控中心PC中。

第三步、将实时测量得到的机床各关键测点的温度数据代入到误差模型中，计算在不同 温度条件下的误差补偿值，并生成误差补偿表格。图2所示为本实施例中CK6430数控车床Z 轴的误差补偿表格建立过程，具体是指：

3.1数控车床Z轴的行程范围为L，以p为间隔划分为L/p个坐标位置段，Z轴的行程范 围L＝250mm，以p＝10mm为间隔划分为L/p＝25个坐标位置段（0-10mm,10-20mm,……, 240-250mm）。坐标位置段的间隔p可以根据补偿精度要求和机床PMC中D地址存储单元的 存储空间大小进行确定。

3.2将某一时刻的环境温度和Z轴丝杠螺母温度代入到由第二步建立的Z轴总误差模型 中，计算每个坐标位置段节点（0mm,10mm,……,250mm）在此温度条件下的误差补偿值。 设测量起始点（即补偿参考点）的补偿值为0，然后将计算得到的节点处的误差补偿值作为 该坐标位置段内位置的补偿值，此时将会得到阶跃型的补偿值曲线，将所有节点处的误差补 偿值写入误差补偿值表格中，便得到了此温度条件下的误差补偿值表格。

3.3群控网络中其它进给轴的定位误差模型建立过程与上述3.1、3.2步骤类似，得到所 有数控机床进给轴的误差模型。

第四步、人机交互软件调用FOCAS动态链接函数库中的相关功能函数，通过以太网数 据传输模式，将各数控机床中各进给轴的误差补偿表格分时、顺序传输给群控网络内各机床 PMC中的D地址存储单元中，其中每一个误差补偿值占两个字节的地址。

第五步、群控网络内各机床PMC获取当前机床各进给轴的实时坐标位置，并通过查表程 序确定放在D地址存储单元中的与当前坐标位置相对应的误差补偿值，并通过PLC程序将该 补偿值送给与该进给轴对应的R地址内，然后EMZPS功能调用R地址内的补偿值作为机械 原点的偏移量，最终实现群控补偿功能。

5.1群控网络内的每台数控机床需要根据自己的系统配置（如：轴数、行程范围等）编 写不同的PLC程序。主控中心PC将误差补偿值表格导入到各数控机床D地址存储单元后， 由各数控机床PMC在梯形图扫描周期内自行从D地址存储单元调用该数控机床对应各进给 轴当前坐标位置和关键测点温度值下的误差补偿值，这样保证了网络群控的实时性。

5.2在梯形图扫描周期内，通过PMC窗口功能获取各进给轴当前的坐标位置，其中，PMC 窗口功能是机床PMC与CNC系统进行数据交互的一种重要方式。PMC根据各进给轴的坐标 位置，确定该坐标位置所处的具体坐标位置段，PMC从D地址存储单元中通过查表的方式获 取当前位置所对应的误差补偿值，并将其送给与该进给轴对应的R地址内，然后EMZPS功 能调用R地址内的补偿值作为机械原点的偏移量，最终实现补偿功能。

第六步、按照一定的扫描周期重新扫描各数控机床关键测点的温度变化情况，重新进行 第三步至第五步，不断对当前温度条件下的各数控机床误差进行补偿。

图3-图7所示为本实施例中群控网络内五台机床在某一温度条件下的补偿前后的误差 对比图。从图中可以看出，通过网络群控补偿，两台三轴立式加工中心和两台两轴数控车床 的所有平动轴的定位误差以及五轴联动加工中心的A轴转角定位误差同时得到了良好的补偿 效果，机床运动精度均有大幅度提高。