基于嵌入式的数控机床热补偿技术研究.pdf

务I 造 匐 似 基于嵌入式的数控机床热补偿技术研究 The r e se ar ch on t her m al er r or c om p ens at i on t ech nol ogy b as ed on em bedde d s y s t em 洪兴华 HONG Xi n g ． h u a 泸州职业技术学院，泸州 6 4 6 0 0 0 摘 要热误差补偿是减小热误差，提高加工精度的主要措施之一。为了能够精确地建立误差补偿模 型，以及简单方便地执行误差补偿 ，将神经网络建模技术与嵌入式技术相结合 ，介绍了基于 嵌入式的热补偿器 ，运用B P 神经网络建立热补偿模型 ，开发基于Q t 的具有通用性的数控机 床热补偿人机交互界面。热补偿界面实现了补偿模型移植与固化、温度数据采集、位移数据 采集、补偿值计算、发送补偿数据以及补偿器与机床通信等功能。所开发的界面具有实时性 强、操作简单方便、人机界面友好等优点。 关键词数控机床；热补偿；8 P 神经网络 ；补偿界面；Q t 中国分类号 T H 1 6 1 文献标识码 A 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 4 0 3 上 - o o 3 8 0 3 O o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 4 ． 0 3 t - ． 1 1 0 引言 大量研究表明，热误差是数控机床等精密加工 机械的最大误差源，占总误差的4 0 ％- 7 0 ％左右 J 。 数控机床 热误 差补偿 是减小热误差 ，提 高加工精 度 的一种 有效措施 。 目前，国内外许 多专家学者 对热误差补偿技术作了大量的研究，如文献 [ 2 ] [ 3 】 中介绍 了一种 基于BP 神 经 网络 的热 误差补 偿方 法 ，文献【 4 】 中介绍 了一种 基于可编程多轴运动控 制器 的软件热误 差补偿 系统 。虽然这 些方法具有 一 定的可行性和有效性 ，但都存在许 多问题 ，如 补偿实时性 差、补偿操作 繁琐等，因此有必要开 发一套专 用的、系统化 的热误 差补偿 器，热补偿 器需要具有友好的人机 交互界面 ，能够 简单方便 的实现热补偿功能。 随着嵌入式技术的发展 ，各种各样 的新型嵌 入式系统设 备应用越 来越广泛 ，嵌入 式系统具 有 系统 精 简 、实时 性高 ，成本 低 、方便 实用 等特 点。Q t是一个跨平台的 C 图形用户界面 GUI 库，由于其优 良的跨平 台特性 而得到广泛使用 。 GUI 是 一种 以图形化为统 一的图形操作 系统 ，如 可移动 的视 窗、选项 与鼠标，作为用户 与操作 系 统之间的 中介 】 。本文以嵌入式技术为基础 ，结合 BP 神经 网络模型，对数控机床嵌入式热补偿技术 进行了研 究，开发了一套基 于Qt 的数控机床热补 偿界面 ，基于Q t 的热补偿界面 负责系统可视化界 收稿日期2 0 1 3 -1 0 - 0 9 面的生成 、管理 以及热补偿 系统与用户之 间的信 息交换 ，使热误差补偿实时性更高 、操作 更简单 方便。 1 嵌入式热补偿器简介 嵌 入 式 热补 偿 器 即运 用嵌 入 式 处理 器 如 ARM、DS P、单 片机 和嵌 入式 操作 系统 如 L i n u x 、u C L i n u x 、Wi n CE，通过设计硬件 电路 和软件 系统 ，并移植热误差补偿模型 ，实现热误 差补偿的功能 。利用嵌入式设备开发机 床热补偿 器能够满足机床精确性、经济性 、实时性和方便 性等需求 。热补偿器与机 床数控 系统一起 ，构成 一 个完整 的热误差补偿 系统 ，利用机床数控 系统 具有 的机床外部坐标 系原点偏移功能和数控 系统 的通信功能 ，根据机床温度 、位移等信息 ，通过 预先在补偿器 内部建立 的热补偿模型对数控机床 误差进行实时补偿。 嵌入式 热补偿 器的硬 件平台 由微处理器和其 外 围电路构成 ，其 中外 围电路包括 电源 电路 、接 口电路 、温度采 集电路 、显示 电路等 。嵌入式热 补偿器 的软件平 台主要 由操作 系统和应用程序构 成 ，在嵌入式处理器上移植操作 系统 ，主要是为 了使 系统具有 更高 的灵活性 、良好 的人机 交互界 面和 良好 的实时性等需求 ，而应用程序则 是为 了 实现热补偿的具体功能 ，如数据采集 、补偿值计 算等。嵌入式热补偿控制系统框架如图1 所示 。 作者简介洪兴华 1 9 7 5 一 ，男，四川沪县人，讲师，硕士，主要从事电力系统自云 【 3 8 l 第3 6 卷第3 期2 0 1 4 0 3 上 工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图3 中支链 驱动力为正值表示 电动缸处于推力 状态，反之表示电动缸处于拉力状态，由图3 知， 支链 EG、 c 2 G驱动 力变化趋势 非常接近 ， 在0 ． 3 s 和0 ． 7 s 左右两个时刻 ，机构各支链的驱动力 发生突变 ，这是机构在此时刻出现正、逆转动 的 缘故 。 宝 需 I I 一 1 l一 ． 。＼ j 、 、 l ] L 』 I _ I 岫 ‘ s J 图3主动支链驱动力 3 结论 基 于 广 义 坐 标 下 的 牛 顿 ． 欧 拉 方 程 建 立 3 S P S 1 P S并联髋关节试验机的动力学模型，通过 对 系统动力学模型的转化 ，得到机构 中运动副处 的广义理想约束力方程 。 利用 MA T L A B软件进行 了仿真分析 ，得到机 构动平台上球 副处的广义理 想约束力及主动支链 的驱动 力变化 曲线。在试验 机工作过程 中，动平台上球副在z 轴方向上的约束 力最大 ，在X、Y轴上 的约束力远小于Z轴方 向上 的约束力。在0 ． 3 s 和0 ． 7 s 左右时 ，动平台上球副的约 束力以及主动支链的驱动力发生突变，其主要原因 是机构运动到这两个位置时发生正、逆转动 。 参考文献 【 1 】陈根 良， 王皓， 来新民， 等． 基于广义坐标形式牛顿一 欧拉 方法的空间并联机构动力学正问题分析[ J 】 ． 机械工程学 报， 2 0 0 9 , 4 5 7 4 1 - 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1 9 4 1 9 7 5 ， 1 6 ． 『 7 1 Mo r i wa k i ， T． ， Th e r ma l De f o r ma t i o n a n d I t s o n Li n e Co mp e n s a t i o n o f Hy d r o s t a t i c a 1 l y Su p p o r t e d P r e c i s i o n S p r i n d l e ， A n n als o f the C I R P ， 1 9 8 8 ， 3 7 1 2 2 8 3 2 8 6 ． 【 8 】Wang ，Y． ， C o mp e n s a t i o n f o r t h e Th e r mal E r r o r o f a Mu l ti Ax i s M a c hi n i n g Ce n t r e ，A S M E Tr a ns ．J ．M a t e r i a l s Pro c e s s i n g Te c h n o l o g y ， 1 9 9 8 ， 7 5 4 5 5 3 ． 【 9 】L e e ， J i n Hy e o n ， L e e ， J a e Ha a n d Ya n g ， S e u n g Ha n ， Th e r mal E r r o r M o d e l i n g o f a Ho riz o n t al M a c h i n i n g Ce n t e r Us i n g F u z z y Lo g i c S t r a g e d y ， J ． Ma n u f a c turin g Pro c e s s e s ， 2 0 0 1 ， 3 2 1 2 0 1 2 7 ． 【 1 0 】 H e c h t - Ni d s e n R， “ K o l mo g o r o v ’S Ma p p i n g n e u r a l n e t wo r k e x i s t e n c e t h e o r e m ， ” I E EE Fi r s t I n t e r n a ti o n al Co n f e r e n c e o n Ne u r a l Ne t wo r k s ． 1 9 8 7 ． 3 1 1 - 1 3 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m