基于遠(yuǎn)程監(jiān)控的數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償系統(tǒng)研究

董云飛，王 志，魏新園，莊鑫棟

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽省計(jì)量科學(xué)研究院，安徽 合肥 230051)

在機(jī)床加工過(guò)程中，由于制造、安裝、運(yùn)動(dòng)控制不精確和刀具、床身以及熱變形等因素會(huì)造成加工誤差[1]。研究表明，熱誤差造成的誤差是數(shù)控機(jī)床最大的誤差源，約占機(jī)床總誤差的40%～70%[2，3]。降低機(jī)床熱誤差，是提高機(jī)床加工精度的重要途徑。目前常用的數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償系統(tǒng)基本以單片機(jī)作為主要硬件構(gòu)成[4]，通過(guò)機(jī)床I/O擴(kuò)展模塊與PMC(Programmable Machine Controller)進(jìn)行通訊，需要現(xiàn)場(chǎng)操作才能對(duì)機(jī)床實(shí)現(xiàn)熱誤差補(bǔ)償，操作及其不便。隨著機(jī)械制造業(yè)的不斷發(fā)展，人們不僅需要現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的熱誤差補(bǔ)償，還需要實(shí)現(xiàn)機(jī)床熱誤差補(bǔ)償?shù)倪h(yuǎn)程監(jiān)控。因此，文章設(shè)計(jì)了一種基于網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制的數(shù)控機(jī)床誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括硬件部分和內(nèi)置于該硬件中的數(shù)學(xué)模型以及上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制熱誤差補(bǔ)償系統(tǒng)的啟動(dòng)與停止，以及隨時(shí)隨地對(duì)機(jī)床補(bǔ)償信息的監(jiān)控，極大地方便了操作人員的操作。通過(guò)在機(jī)床上的具體實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性，對(duì)機(jī)床熱誤差補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 總體方案設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要可分為三個(gè)部分：以PC機(jī)為核心的上位機(jī)監(jiān)控中心模塊、數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償卡模塊和機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)擴(kuò)展IO模塊。各個(gè)模塊之間的連接示意圖如圖1所示。

圖1 數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償系統(tǒng)連接示意圖

上位機(jī)監(jiān)控軟件通過(guò)以太網(wǎng)與數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償模塊連接，可以控制補(bǔ)償模塊的啟動(dòng)與停止，并可以獲取機(jī)床的實(shí)時(shí)溫度以及對(duì)應(yīng)的熱誤差值。數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償卡啟動(dòng)后，通過(guò)溫度采集模塊獲取機(jī)床實(shí)時(shí)溫度以及從機(jī)床讀取得到的主軸坐標(biāo)值，由STEM32微處理器計(jì)算得出機(jī)床對(duì)應(yīng)的熱誤差值，并通過(guò)熱誤差補(bǔ)償模塊反饋給機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，完成機(jī)床的熱誤差補(bǔ)償。微處理器是補(bǔ)償裝置的核心部分，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)處理和任務(wù)調(diào)度的功能。選用工業(yè)級(jí)Cortex-M3內(nèi)核的STEM32F103作為熱誤差補(bǔ)償模塊的微處理器，該處理器具有高性能、低成本、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。

2 數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊

電源部分由電源接口和24V轉(zhuǎn)5V DC-DC以及3.3V轉(zhuǎn)換電路組成。從機(jī)床接收到的24V電源，通過(guò)KIM-0551轉(zhuǎn)換成5V，再通過(guò)AMS1117-3.3轉(zhuǎn)換電路將5V電源轉(zhuǎn)換成3.3V電源。STEM32微處理器和部分模塊采用3.3V供電，還有部分模塊采用5V供電，電源模塊為整個(gè)電路提供電源供電。

2.2 溫度采集模塊

機(jī)床熱誤差補(bǔ)償卡嵌入的熱誤差補(bǔ)償模型，是機(jī)床主軸溫度、環(huán)境溫度與誤差補(bǔ)償值得函數(shù)關(guān)系，補(bǔ)償信號(hào)的計(jì)算，需要單片機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。因此，機(jī)床的熱誤差補(bǔ)償卡需要對(duì)機(jī)床各點(diǎn)溫度進(jìn)行測(cè)量。溫度采集模塊采用DS18B20測(cè)量所需溫度， DS18B20數(shù)字式溫度傳感器采用單總線的接口方式與微處理器連接，僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。測(cè)量溫度范圍寬，精度高，測(cè)量范圍為-55 至+125℃ ，在-10至+85℃ 范圍內(nèi)，精度為±0.5℃。

2.3 熱誤差補(bǔ)償模塊

機(jī)床熱誤差補(bǔ)償卡通過(guò)采集環(huán)境溫度和機(jī)床溫度，以及機(jī)床主軸的坐標(biāo)值，利用嵌入微處理器的補(bǔ)償模型計(jì)算出熱誤差補(bǔ)償信號(hào)，最終由熱誤差補(bǔ)償模塊輸出到機(jī)床的控制電路，達(dá)到機(jī)床熱誤差補(bǔ)償?shù)哪康?。機(jī)床通過(guò)擴(kuò)展IO接口，與熱誤差補(bǔ)償卡之間通過(guò)16個(gè)IO口連接。其中8個(gè)IO口用于向熱誤差補(bǔ)償卡輸送機(jī)床主軸的坐標(biāo)值， 4個(gè)IO口用于標(biāo)志位區(qū)分X、Y、Z軸的補(bǔ)償， 4個(gè)IO口用于讀取機(jī)床的坐標(biāo)值。在機(jī)床的控制電路系統(tǒng)中，電源要求是+24V，而熱誤差補(bǔ)償卡的電源是+5V，若熱誤差補(bǔ)償信號(hào)直接輸出到機(jī)床控制電路中，兩者電平無(wú)法匹配，并且機(jī)床電路系統(tǒng)會(huì)對(duì)熱誤差補(bǔ)償卡電路產(chǎn)生電磁干擾，影響補(bǔ)償精度。PC817是常用的線性光藕，在各種要求比較精密的功能電路中常常被當(dāng)作耦合器件，具有上下級(jí)電路完全隔離的作用，使電路之間相互不產(chǎn)生影響。熱誤差補(bǔ)償卡中采用PC817連接機(jī)床電路，不僅能通過(guò)光電隔離屏蔽機(jī)床電路與熱誤差補(bǔ)償卡之間的相互干擾，還能實(shí)現(xiàn)兩種電路之間的電平匹配。

2.4 無(wú)線控制模塊

機(jī)床熱誤差補(bǔ)償?shù)倪h(yuǎn)程控制是通過(guò)熱誤差補(bǔ)償卡的無(wú)線控制模塊完成的。無(wú)線控制模塊主要由ATK-ESP8266構(gòu)成，ATK-ESP8266采用串口與MCU通訊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口與WIFI之間的轉(zhuǎn)換。通過(guò)ATK-ESP8266，傳統(tǒng)的串口設(shè)備只需要簡(jiǎn)單的串口配置，即可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)WIFI實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。熱誤差補(bǔ)償卡的無(wú)線控制模塊通過(guò)以太網(wǎng)與上位機(jī)建立連接，上位機(jī)軟件通過(guò)以太網(wǎng)向熱誤差補(bǔ)償卡發(fā)送各種控制指令，控制熱誤差補(bǔ)償卡的開(kāi)啟、關(guān)閉、復(fù)位等功能，同時(shí)可以在上位機(jī)軟件查詢熱誤差補(bǔ)償卡采集得到的溫度和坐標(biāo)信息。

2.5 上位機(jī)監(jiān)控軟件

機(jī)床熱誤差補(bǔ)償?shù)目刂剖怯缮衔粰C(jī)監(jiān)控軟件來(lái)控制的，監(jiān)控軟件的主要功能包括控制熱誤差補(bǔ)償?shù)膯?dòng)與停止以及對(duì)機(jī)床的補(bǔ)償信息進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)時(shí)了解機(jī)床的實(shí)際補(bǔ)償狀態(tài)。上位機(jī)監(jiān)控軟件的功能主要分為三個(gè)部分：?jiǎn)?dòng)控制模塊、機(jī)床補(bǔ)償狀態(tài)監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)保存模塊。啟動(dòng)控制模塊主要用于控制熱誤差補(bǔ)償功能的啟動(dòng)、停止以及復(fù)位；機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控模塊主要用于監(jiān)控機(jī)床主軸以及工作環(huán)境溫度以及對(duì)應(yīng)的熱誤差值，實(shí)時(shí)了解機(jī)床的實(shí)際工作狀態(tài)；數(shù)據(jù)保存模塊主要用于保存各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息。

3 數(shù)控機(jī)床熱誤差穩(wěn)健性補(bǔ)償模型

3.1 單點(diǎn)熱誤差模型的建立

采用多元線性回歸對(duì)機(jī)床單點(diǎn)熱誤差模型進(jìn)行建模[5]，以溫度變化量為自變量，熱誤差為因變量進(jìn)行建模。建模時(shí)，使用模糊聚類結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度的方法篩選出溫度敏感點(diǎn)，將其作為自變量，不僅可以保證所建立的模型精度，還能降低過(guò)多溫度變量之間的相互影響所帶來(lái)的線性誤差。建立的通用單點(diǎn)熱誤差補(bǔ)償模型如式(1)所示。

Ek=a0+Σai·Ti

(1)

其中，Ek=(k=1，…，L)為機(jī)床工作臺(tái)上L個(gè)點(diǎn)的單點(diǎn)熱誤差補(bǔ)償模型，即L個(gè)點(diǎn)的熱誤差值；，Ti=(i=1，…，L)為模型輸入變量，即溫度敏感點(diǎn)溫度值變量；ai為每個(gè)溫度敏感點(diǎn)在模型中的系數(shù)，a0為模型常數(shù)項(xiàng)。

3.2 全工作臺(tái)熱誤差模型的建立

采用上述建立單點(diǎn)熱誤差模型的方法，在機(jī)床全工作臺(tái)上選取多個(gè)點(diǎn)建立模型，然后采用最小二乘曲面擬合算法擬合工作臺(tái)初始曲面方程，建立起機(jī)床全工作臺(tái)熱誤差補(bǔ)償模型。建立的全工作臺(tái)熱誤差模型如式(2)所示。

E(x,y)=a0(x,y)+Σai(x,y)·Ti

(2)

其中E(x,y)即為數(shù)控機(jī)床全工作臺(tái)熱誤差穩(wěn)健性補(bǔ)償模型，(x,y)為工作臺(tái)所在位置的坐標(biāo)，a0(x,y)為模型的常數(shù)項(xiàng)隨工作臺(tái)位置變化的函數(shù)，ai(x,y)為各溫度敏感點(diǎn)系數(shù)隨工作臺(tái)位置變化的函數(shù)。為使補(bǔ)償模型運(yùn)算簡(jiǎn)單且能反映工作臺(tái)特性，a0(x,y)和ai(x,y)采用二元二次多項(xiàng)式擬合得到，其形式如式(3) (4)所示。

a0(x,y)=b0+b1x+b2y+b3x2+b4x·y+b5y2

(3)

ai(x,y)=bi0+bi1x+bi2y+bi3x2+bi4x·y+bi5y2

(4)

根據(jù)式(2)，將溫度敏感點(diǎn)溫度差值和工作臺(tái)所處位置坐標(biāo)值代入模型，即可得到數(shù)控機(jī)床全工作臺(tái)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)的熱誤差值。

4 總 結(jié)

文章介紹了一種數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，將建立的模型嵌入到研制的熱誤差中，通過(guò)上位機(jī)軟件控制數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償卡的啟動(dòng)、停止，并可以實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償?shù)臓顟B(tài)信息，極大減小了數(shù)控機(jī)床的加工誤差，大幅提高了數(shù)控機(jī)床的加工精度，為數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償提供了新的思路。