[发明专利]基于人机界面二次开发的数控机床误差补偿系统及方法

权利要求书

1.一种基于人机界面二次开发的数控机床误差补偿系统，其特征在于，所述补偿系统包括补偿系统硬件部分和内置于该补偿系统硬件部分中的补偿系统软件部分；所述补偿系统硬件部分包括：西门子840D数控系统PCU、温度传感器、温度数据采集卡和误差测量仪器，其中，温度传感器与温度数据采集卡相连接，温度数据采集卡通过以太网与西门子840D数控系统PCU连接，从而实时传输温度传感器测量得到的机床关键测点的温度值，误差测量仪器测量机床在不同关键测点温度下的误差数据；所述补偿系统软件部分采用VB编程模式，其包括：温度采集模块、热误差补偿模块、空间误差补偿模块和状态监控模块，补偿系统软件根据机床关键测点的温度值以及误差测量仪器在关键测点温度下测得的误差数据，建立机床各运动轴的误差元素模型和空间误差模型，温度采集模块按一定周期循环采集机床关键测点的温度值传输给西门子840D数控系统PCU，西门子840D数控系统PCU根据空间误差模型，将当前关键测点温度下所测量得到的所有误差项都解耦到X、Y、Z三个运动方向上，确定X、Y、Z三个运动轴的总误差，继而计算出机床各运动轴在当前关键测点温度下误差曲线的拟合斜率值并保存到西门子840D数控系统PLC的闲置DB块的字节中，利用西门子840D数控系统PLC的FB3写参数功能，将该闲置DB块对应字节下的拟合斜率值写到西门子840D数控系统的参数43910中，在参数32750中选择热误差补偿模式，参数43900中确定与位置无关的温度补偿值，参数43920中设定参考原点，最终利用西门子840D数控系统自带的热误差补偿功能实现空间误差补偿。

2.根据权利要求1所述的基于人机界面二次开发的数控机床误差补偿系统，其特征在于，所述的温度采集模块是指：对分布在机床关键测点上的温度传感器的温度数据进行采集的程序模块。

3.根据权利要求1所述的基于人机界面二次开发的数控机床误差补偿系统，其特征在于，所述的热误差补偿模块是指：在机床从冷态到热平衡的全过程中，根据机床关键测点的温度值以及在该温度值下误差测量仪器测量得到的机床运动轴误差，建立热误差模型并补偿的模块。

4.根据权利要求1所述的基于人机界面二次开发的数控机床误差补偿系统，其特征在于，所述的空间误差补偿模块是指：对机床的空间误差进行建模和补偿的模块；其用齐次坐标变换法对机床建立空间误差模型，利用误差测量设备测量得到的误差数据，分别将测量得到的所有误差项都解耦到X、Y、Z三个运动方向上，确定X、Y、Z三个运动轴的总误差，通过一次线性拟合确定各运动轴误差曲线的拟合斜率，最后利用西门子840D数控系统自带的热误差补偿功能实现空间误差补偿。

5.根据权利要求1所述的基于人机界面二次开发的数控机床误差补偿系统，其特征在于，所述的状态监控模块是指：西门子840D数控系统PCU基于人机界面功能对机床状态进行监控的程序模块，所监控的机床状态信息包括有机床的系统参数、补偿状态、负载状态和报警信息；西门子840D数控系统为其变量定义了人机通讯读取方式，西门子840D数控系统PCU基于VB编制的补偿系统软件，方便地通过动态数据交换的方式读取所监控的机床状态信息，从而进行状态监控。

6.根据权利要求1所述的基于人机界面二次开发的数控机床误差补偿系统，其特征在于，所述的误差测量仪器是指：对机床运动轴误差进行测量的仪器，其包括激光干涉仪和球杆仪。

7.根据权利要求1所述的基于人机界面二次开发的数控机床误差补偿系统，其特征在于，所述的西门子840D数控系统PCU是指：西门子数控系统自带的计算机，西门子840D数控系统PCU的控制软件储存在该计算机中；所述的温度传感器是指：铂热电阻PT100，分布在机床的关键温度测点上；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。

8.一种采用权利要求1所述补偿系统实现的数控机床误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、建立HMI/OEM平台并嵌入VB编制的人机交互软件，具体是指：

1.1打开HMI编程包自带的程序oembsp1.vbp，根据需要设计自己的界面，可实现的功能主要有各种变量的访问，如刀偏、零偏、轴坐标值等和PLC中各种变量的访问，如I/O口、数据块DB等，最后生成可执行文件oembsp1.exe，并放到oem目录下；

1.2修改oem目录中的RE_UK.ini，配置软键6的文本，将6号软键的标签修改为“test”；

1.3修改oem目录中的regie.ini文件，为6号软键配置所开发的界面程序embsp1.exe；

1.4按照需要修改“.mdi”文件，定义所有程序内部子窗口及其类型；修改“.zus”文件，定义程序的状态及动作；

第二步、先后用误差测量仪器以及温度传感器对机床的几何误差和热误差进行测量和辨识，并根据误差特点和变化规律建立误差元素模型，热误差模型为ΔK_X=K₀(T)+tanβ(T)·(P_X-P₀)，其中，ΔK_X称为位置相关温度补偿值，K₀称为位置无关温度补偿值，tanβ为拟合斜率，P₀为参考位置，P_X为实际位置，T₀为位置相关误差等于0所对应的温度，T_max为最大的测量温度，TK_max为在T_max情况下的温度系数，该温度系数表示在某一温度下滚珠丝杠每1000mm所对应的最大误差；

第三步、根据机床的误差元素模型，用齐次坐标变换法对机床建立空间误差模型，利用误差测量仪器测量得到的误差数据，分别将各组关键测点温度下测量得到的所有误差项都解耦到X、Y、Z三个运动方向上，确定X、Y、Z三个运动轴的总误差，通过一次线性拟合确定各运动轴总误差曲线的拟合斜率值；

第四步、温度采集模块按一定周期循环采集各机床关键测点的温度值并传输给西门子840D数控系统PCU，该西门子840D数控系统PCU根据空间误差模型计算出机床各个运动轴在不同关键测点温度下误差曲线的拟合斜率值并保存到PLC的闲置DB块的字节中；

第五步、实施补偿，具体是指：

5.1编写PLC程序，利用PLC的FB3写参数功能，将该闲置DB块对应字节下的拟合斜率值写到西门子840D数控系统的参数43910中；

5.2在参数32750中选择热误差补偿模式；

5.3在参数43900中设定位置无关的温度补偿值，在参数43920中设定参考原点，最终实现利用西门子840D数控系统自带的热误差补偿功能对空间误差进行补偿。