一种属于数控机床误差补偿技术领域的基于虚拟仪器的数控机床误差实时补偿系统。本发明包括：误差补偿硬件系统和软件系统。硬件系统作为软件的载体和执行部件，用于实现各功能模块连接和通讯、数据存储和人机交互。软件系统基于虚拟仪器编程，用于实现温度和误差数据信号的预处理、机床误差数学模型的建模、误差数据实时计算、补偿系统与PLC间的数据交互、专家系统的优化、自学习系统的优化。本发明采用虚拟仪器技术和软件补偿技术法，通过硬件系统和软件系统的协同工作，有效地对数控机床各种加工误差实现预测和实时补偿，并且根据专家系统和自学习模型提高了补偿系统的鲁棒性和可靠性，具有操作简单，适用性广的特点。
1.一种基于虚拟仪器的数控机床误差实时补偿系统，其特征在于由误差补偿硬件系统和基于虚拟仪器的软件系统构成：硬件系统作为软件的载体和执行部件，用于实现各功能模块之间的连接和通讯、数据存储及人机交互；软件系统基于虚拟仪器编程，用于实现温度和误差数据信号的预处理、机床误差数学模型的建模、误差数据实时计算、补偿系统与PLC之间的数据交互、通过构建机床误差模型的参数数据检索表、数学模型选择库、机床加工参数表、比例系数和增益系数检索表以及误差补偿值输出缓存区、特殊标志位输出缓冲区、专家系统交互接口来实现专家系统的优化、通过构建历史数据存储数据库、自学习修正模块、自学习系统交互接口来实现自学习系统的优化；通过硬件系统和软件系统的协同工作，实现数控机床误差的实时在线补偿；
所述的误差补偿硬件系统包括：工控机、触摸显示器、电阻式温度传感器、涡流位移传感器、温度转换模块、位移传感器变送模块、A/D转换功能卡、数据交互功能卡；工控机通过视频线和USB线与触摸显示器连接，用485通讯接口与温度转换模块连接，采用PCI总线方式与数据交互功能卡和A/D转换功能卡连接；触摸显示器用于实现人机交互，用户可在触摸显示器上输入和读出数据；电阻式温度传感器安放在机床热源位置，并通过屏蔽电缆与温度转换模块连接，将热源温度转变为电阻阻值变化；温度转换模块完成对热电阻阻值变化的辨识，通过信号滤波、放大和A/D转换，将温度数据转变为二进制格式数据，并通过RS 485通讯模式，将数据传送到工控机；涡流位移传感器通过屏蔽电缆连接位移传感器变送模块，用于测量机床各控制轴的实际误差值；位移传感器变送模块用于将涡流位移传感器输出的信号进行调理和放大，并转换输出直流电压信号；A/D转换功能卡将位移传感器变送模块输出的模拟信号转变为可供计算机处理的数字信号，并通过PCI总线将数据传送到工控机；数据交互功能卡通过PCI总线与工控机实现通讯，另一端用并口数据总线连接到数控系统的PLC的I/O扩展模块，实现与机床数控系统的数据交互。
2.根据权利要求1基于虚拟仪器的数控机床误差实时补偿系统，其特征是，所述的数据交互功能卡，是指：包括数控机床各控制轴绝对坐标位置输入卡和控制轴误差补偿值输出卡；数控机床各控制轴绝对坐标位置输入卡通过并口数据线与机床PLC的I/O扩展模块的数字量输出接口连接，PLC通过窗口功能读出机床各控制轴的当前绝对坐标位置，再通过其数字量输出接口将坐标值传送到绝对坐标位置输入卡；工控机则通过误差补偿值输出卡将当前各轴的误差补偿数据传送到机床PLC的I/O扩展模块的数字量输入接口，由PLC将补偿数据送到机床数控系统处理器端，并激活机床的外部机械原点偏移功能实现实时误差补偿。
3.根据权利要求1基于虚拟仪器的数控机床误差实时补偿系统，其特征是，所述的软件系统基于虚拟仪器编程，是指：采用LabVIEW图形化编程语言作为编程工具，构建基于虚拟仪器的数据交互平台和专家系统。
4.根据权利要求1基于虚拟仪器的数控机床误差实时补偿系统，其特征是，所述的温度和误差数据信号的预处理，是指：对温度采样数据去耦化，消除由于温度测试点相关性所带来的误差；对误差采样数据进行零均值化和平稳化处理，消除随机噪声和机床系统噪声引起的误差；对温度数据和误差数据进行整合，判别误差敏感方向，并将测试数据自动保存在专家系统和自学习系统中。
5.根据权利要求1基于虚拟仪器的数控机床误差实时补偿系统，其特征是，所述的机床误差数学模型的建模，是指：首先，根据空间齐次坐标变换原理，构建机床参考坐标系，并通过刀具和工件之间联结的封闭矢量链，构建机床综合误差数学模型的理论计算公式；然后，采用误差元素建模技术，根据误差敏感方向，针对影响机床加工精度的误差元素进行建模，采用基于时间序列算法的建模方法，并结合正交试验设计建模法的校验，考虑温度采集系统噪声极小化和环境变化极小化的外部条件，构建各误差元素的数学模型；最后，构建的各误差元素数学模型自动存储在专家系统的数学模型选择库中，模型系数存入自学习系统的历史数据存储数据库中，构建的误差数学模型可通过自学习系统的训练和修正而实时优化。
6.根据权利要求1基于虚拟仪器的数控机床误差实时补偿系统，其特征是，所述的误差数据实时计算，是指：根据机床结构类型、参数设置和加工条件、环境温度的综合因素，自动调用专家系统的数学模型选择库中的适用模型并调整增益系数，把实时温度数据导入误差数学模型，同时通过数控机床各控制轴绝对坐标位置输入卡将坐标值也导入模型，根据数学模型的误差元素识别判定条件以及计算公式，误差补偿系统自动识别出敏感误差元素项，并计算出当前各控制轴运行的补偿值，所得的补偿值根据误差元素类型自动存放到专家系统的误差补偿值输出缓存区中，在阈值判定和运行条件判定后送入控制轴误差补偿值输出卡。
7.根据权利要求1基于虚拟仪器的数控机床误差实时补偿系统，其特征是，所述的补偿系统与PLC之间的数据交互，是指：第一，机床PLC通过窗口功能读出机床各控制轴的当前绝对坐标位置，采用并口通讯模式传送到误差补偿器中，补偿器将坐标位置数据送入专家系统后进行译码和数据判定，然后送入数学模型的输入端；第二，经误差数学模型计算后的补偿值，通过并口通讯模式，传送到PLC端，由PLC译码后存放到补偿值存储区中。
8.根据权利要求1基于虚拟仪器的数控机床误差实时补偿系统，其特征是，所述的通过构建机床误差模型的参数数据检索表、数学模型选择库、机床加工参数表、比例系数和增益系数检索表以及误差补偿值输出缓存区、特殊标志位输出缓冲区、专家系统交互接口来实现专家系统的优化，是指：基于虚拟仪器编程，构建机床误差模型的参数数据检索表、数学模型选择库、机床加工参数表、比例系数和增益系数检索表以及误差补偿值输出缓存区、特殊标志位输出缓冲区、专家系统交互接口；其中，参数数据检索表用于构建机床结构类型参数的数据库，其内容包括机床类型、机床参考坐标系位置、理论数学模型齐次坐标变换参数、温度采集系统噪声极小化条件参数、环境温度影响极小化参数；数学模型选择库用于根据参数数据检索表的信息，选择适用的误差补偿计算模型，数学模型选择库中的数学模型由专家系统的训练和优化得到；机床加工参数表用于检索机床实际加工时输入的加工参数，相关加工参数在系统初始化时由操作人员输入，误差补偿数学模型将根据机床加工参数表的检索结果对误差元素和误差源进行系数修正；比例系数和增益系数检索表用于调整误差补偿数学模型中的误差元素项增益系数，并根据温度采集系统噪声极小化条件参数和环境温度影响极小化参数的结果，修正误差元素计算公式的比例系数，用于提高计算公式的准确性；误差补偿值输出缓存区用于存放经模型计算后得到的各控制轴的补偿值；特殊标志位输出缓冲区用于输出补偿系统定义的特殊标志位，通过与PLC之间预先设定的工作模式协议，来监控补偿功能的实施；专家系统交互接口用于专家系统与自学习系统的数据接口连接，将专家系统的检索信息输出到自学习系统。
9.根据权利要求1基于虚拟仪器的数控机床误差实时补偿系统，其特征是，所述的通过构建历史数据存储数据库、自学习修正模块、自学习系统交互接口来实现自学习系统的优化，是指：基于虚拟仪器编程，构建历史数据存储数据库、自学习修正模块、自学习系统交互接口；历史数据存储数据库用于存放热源温度和控制轴误差的历史建模数据，并可实时保存机床实际加工时的输入参数值、坐标位置值和温度数据值；自学习修正模型用于在同步线程中根据实时采集的温度、加工参数信息以及坐标信息与历史数据的对比和分析，不断修正误差元素模型计算公式的系数，并自动保存修正后的模型，自学习修正模块通过对比新旧模型的误差比，当达到设定阈值后即将修正后的模型系统导入专家系统中；自学习系统交互接口用于连接自学习系统与专家系统，将自学习修正模块优化后的信息和系统参数导入到专家系统中。
基于虚拟仪器的数控机床误差实时补偿系统
技术领域
[0001] 本发明涉及的是一种机床误差补偿技术领域的补偿系统，具体地说，是一种基于虚拟仪器的数控机床误差实时补偿系统。
背景技术
[0002] 我国的机床行业经过这些年的不断发展，已经有了很大的飞跃。以整体生产规模来说，我国每年的机床生产量已经达到了机床生产大国的同等水平。但就数控机床的技术等级来说，却只在世界上排在第二梯队中。目前我国生产的数控机床约占国内数控机床市场份额的35％左右，其余需要从国外进口，特别是在高端数控机床市场，绝大部分都只能从国外的机床生产强国进口，国内自己设计和生产的高档数控机床仅占4％左右，因而每年在进口高端数控机床上都花费了大量的外汇。当前，随着现代制造业对零部件加工的精密度要求不断提高，国内对高精度数控机床的需求越来越大，如完全依靠进口，将使得高端数控机床在我国的应用受制于人。因而，提高国产数控机床的加工精度和可靠性指标对我国制造业进一步的发展具有十分重要的意义。
[0003] 误差补偿技术作为提高数控机床加工精度的有效方法，在机床行业中得到了广泛的应用。通常数控机床误差补偿的方法包括：一、根据实际加工后测试的误差数据，通过对数控加工程序的人工调整；二、利用数控系统可提供的参数设定方式的误差补偿功能，将可以预估的误差数据提前输入对应的误差补偿设置项(如背隙补偿、螺距补偿和刀杆补偿等)，在实际加工中，数控系统将这些预设的误差项纳入过程计算进行补偿。而数控机床的实时误差补偿技术目前在国内还处于实验室阶段，即便在机床生产强国，其工厂企业中大批量应用的例子还是很少，相关的误差补偿系统研究还远没有达到商业化的程度。虽然也有文献提出了不同类型的补偿装置，但在实际使用中由于机床加工的复杂性，实际的应用实施适用范围较小，难以进行延伸推广。因此，研发适合多类型、多规格、多品种的数控机床误差实时补偿的系统对我国高端数控机床的发展是非常必要和有益的。
[0004] 经对现有技术文献检索发现，中国专利申请号：200410093428.1，专利名称为：基于机床外部坐标系偏置的数控机床误差实时补偿器。根据该发明提供的实时补偿器的结构和原理来看，主要论述了一种基于机床外部坐标系偏置的数控机床误差实时补偿器的构架方案。该补偿器基于单片机的数据处理中心，结构上采用计算处理模块、CNC接口和运动控制模块、传感器及变送模块，能够实现热误差的计算和补偿，误差模型则是通过外部计算机进行建模分析并最后放入计算处理模块。但是，由于数控机床实际加工受到各种内外部因素的影响，采用固定的数学模型输入到单片机中来执行误差值计算容易产生偏差。此外，单片机由于芯片容量较小，无法建立自学习系统和数据库等，而且也无法脱离外部计算机进行独立建模计算和分析。中国专利申请号：200710045903.1，专利名称为：数控机床定位误差实时补偿装置。根据该发明提供的实时补偿装置的结构和原理来看，主要论述了一种集成了计算处理模块、温度传感器采集和变送模块、数控接口控制模块的机床定位误差补偿装置，采用和数控机床的PMC之间的数据交互，来实现定位误差的补偿工作，但是，该发明同样是利用预设的数学模型来计算补偿值，也无法在实际使用中对模型进行自学习的训练和修正。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于克服现有数控机床误差补偿装置的不足，提供了一种基于虚拟仪器的数控机床误差实时补偿系统，可集成数学模型拟合和修正、数据预处理和去干涉、误差实时补偿以及历史数据库建设等功能，有效地提高数控机床的加工精度，使本发明的补偿系统操作简单，适用性广，能满足多种类型数控机床的误差补偿需求，对于数控机床误差实时补偿系统的实用化和商业化推广的研究工作具有实际意义。
[0006] 本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括：误差补偿硬件系统和基于虚拟仪器编程的软件系统。硬件系统作为虚拟仪器软件的载体和执行部件，用于实现各功能模块之间的连接和通讯、数据存储及人机交互。软件系统采用基于虚拟仪器的编程模式，用于实现温度和误差数据信号的预处理、机床误差数学模型的建模、误差数据实时计算、补偿系统与PLC间的数据交互、专家系统的优化、自学习系统的优化。通过硬件系统和软件系统的协同工作，实现数控机床误差的实时在线补偿。
[0007] 所述的误差补偿硬件系统主要包括工控机、触摸显示器、电阻式温度传感器、涡流位移传感器、温度转换模块、位移传感器变送模块、A/D转换功能卡、数据交互功能卡。工控机通过视频线和USB线与触摸显示器连接，通过485通讯接口与温度转换模块连接，采用PCI总线方式与数据交互功能卡和A/D转换功能卡连接，构建硬件系统的基础平台；触摸显示器可实现人机交互功能，用户可在触摸显示器上输入和读出数据；电阻式温度传感器置于机床的热源发生位置，并通过屏蔽电缆与温度转换模块连接，将热源点的温度转变为电阻阻值变化；温度转换模块则完成对热电阻阻值变化的辨识，通过信号滤波、放大和A/D转换，将采集的热源温度数据转变为二进制的数据格式，并通过RS 485通讯模式，将数据传送到工控机一端；涡流位移传感器通过屏蔽电缆连接位移传感器变送模块，涡流位移传感器用于测量机床各控制轴的实际误差值，用于机床建模时的误差数据样本的采集；位移传感器变送模块用于将涡流位移传感器输出的信号进行调理和放大，并转换输出直流电压信号；A/D转换功能卡将位移传感器变送模块输出的模拟信号转变为可供计算机处理的数字信号，并通过PCI总线将数据传送到工控机一端。数据交互功能卡一端通过PCI总线与工控机实现通讯，另一端用并口数据总线连接到数控系统的PLC的I/O扩展模块，实现与机床数控系统的数据交互。
[0008] 所述的数据交互功能卡，是指：数控机床各控制轴绝对坐标位置输入卡和控制轴误差补偿值输出卡。数控机床各控制轴绝对坐标位置输入卡通过并口数据线与机床PLC的I/O扩展模块的数字量输出接口连接，PLC通过窗口功能读出机床各控制轴的当前绝对坐标位置，再通过其数字量输出接口将坐标值传送到绝对坐标位置输入卡；工控机则通过误差补偿值输出卡将当前各轴的误差补偿数据传送到机床PLC的I/O扩展模块的数字量输入接口，由PLC将补偿数据送到机床数控系统处理器端，并激活机床的外部机械原点偏移功能实现实时误差补偿。
[0009] 所述的基于虚拟仪器的编程模式，是指：采用LabVIEW图形化编程语言作为编程工具，构建基于虚拟仪器的数据交互平台和专家系统，并通过软件实现数据预处理、机床数学模型自动建模、控制轴误差计算、与机床PLC的数据交互、专家系统的优化以及自学习数据库识别和优化等独立的功能模块。
[0010] 所述的温度和误差数据信号的预处理，是指：对采集的温度数据进行去耦化处理，消除由于温度测试点相关性所带来的模型计算误差；对采集的误差数据进行零均值化处理，然后再进行平稳化处理，消除随机噪声和机床系统噪声引起的误差。对温度数据和误差数据进行整合，判别误差敏感方向并将测试数据自动保存在专家系统数据库和自学习数据库中。
[0011] 所述的机床误差数学模型的建模，其方法为：
[0012] 首先，根据空间齐次坐标变换原理，构建机床参考坐标系，并通过刀具和工件之间联结的封闭矢量链，构建机床综合误差数学模型的理论计算公式。
[0013] 然后，采用误差元素建模技术，根据误差敏感方向，针对影响机床加工精度的误差元素进行建模，采用了基于时间序列算法的建模方法，并结合正交试验设计建模法的校验，考虑了温度采集系统噪声极小化和环境变化极小化的外部条件，构建各误差元素的数学模型。
[0014] 最后，构建的各误差元素数学模型自动存储在专家系统的数学模型选择库中，模型系数存入自学习系统的历史数据存储数据库中，构建的误差数学模型可通过自学习系统的训练和修正而实时优化。
[0015] 所述的误差数据实时计算，是指：在机床实际生产中，根据机床结构类型、参数设置和加工条件、环境温度的综合因素，自动调用专家系统的数学模型选择库中适用的数学模型并调整增益系数，用温度转换模块将敏感热源点的实时温度数据导入误差数学模型，同时通过数控机床各控制轴绝对坐标位置输入卡将坐标值信息也导入模型输入端，根据数学模型的误差元素识别判定条件以及计算公式，误差补偿系统自动识别出敏感误差元素项，并计算出当前各控制轴运行的补偿值，计算得到的补偿值根据误差元素类型自动存放到专家系统的误差补偿值输出缓存区中，在阈值判定和运行条件判定后送入控制轴误差补偿值输出卡。
[0016] 所述的补偿系统与PLC间的数据交互，是指：第一，机床PLC通过窗口功能读出机床各控制轴的当前绝对坐标位置，采用并口通讯模式传送到误差补偿器中，补偿器将坐标位置数据送入专家系统后进行译码和数据判定，然后送入数学模型的输入端；第二，经误差数学模型计算后的补偿值，通过并口通讯模式，传送到PLC一端，由PLC译码后存放到补偿值存储区中。
[0017] 所述的专家系统的优化，是指：基于虚拟仪器编程，构建机床误差模型的参数数据检索表、数学模型选择库、机床加工参数表、比例系数和增益系数检索表以及误差补偿值输出缓存区、特殊标志位输出缓冲区、专家系统交互接口。其中，参数数据检索表用于构建机床结构类型参数的数据库，其内容包括机床类型、机床参考坐标系位置、理论数学模型齐次坐标变换参数、温度采集系统噪声极小化条件参数、环境温度影响极小化参数；数学模型选择库用于根据参数数据检索表的信息，选择适用的误差补偿计算模型，数学模型选择库中的数学模型由专家系统的训练和优化得到；机床加工参数表用于检索机床实际加工时输入的加工参数，相关加工参数在系统初始化时由操作人员输入，误差补偿数学模型将根据机床加工参数表的检索结果对误差元素和误差源进行系数修正；比例系数和增益系数检索表用于调整误差补偿数学模型中的误差元素项增益系数，并根据温度采集系统噪声极小化条件参数和环境温度影响极小化参数的结果，修正误差元素计算公式的比例系数，用于提高计算公式的准确性；误差补偿值输出缓存区用于存放经模型计算后得到的各控制轴的补偿值；特殊标志位输出缓冲区用于输出补偿系统定义的特殊标志位，通过与PLC之间预先设定的工作模式协议，来监控补偿功能的实施；专家系统交互接口用于专家系统与自学习系统的数据接口连接，将专家系统的检索信息输出到自学习系统。
[0018] 所述的自学习系统的优化，是指：基于虚拟仪器编程，构建历史数据存储数据库、自学习修正模块、自学习系统交互接口。历史数据存储库用于存放热源温度和控制轴误差的历史建模数据，并可实时保存机床实际加工时的输入参数值、坐标位置值和温度数据值；自学习修正模型用于在同步线程中根据实时采集的温度、加工参数信息以及坐标信息与历史数据的对比和分析，不断修正误差元素模型计算公式的系数，并自动保存修正后的模型，自学习修正模块通过对比新旧模型的误差比，当达到设定阈值后即将修正后的模型系统导入专家系统中，因而能够很好地提高模型的鲁棒性和适应性，从而提高本机床误差实时补偿系统的精度和可靠性；自学习系统交互接口用于和专家系统的专家系统交互接口连接。
[0019] 本发明把误差补偿建模技术和基于虚拟仪器的软件补偿技术应用于数控机床的实时误差补偿，解决了通常误差补偿数据输入预测性差的缺点，并克服了以前的补偿装置由于芯片计算能力和容量的限制问题而不能在实际使用中对模型进行自学习的训练和修正的缺陷，同时由于采用了基于计算机的硬件体系和基于虚拟仪器的软件工程框架，能够实现完备的数据交互能力，并提供多种形式的数据检索功能，同时为机床厂家进一步提高数控机床的设计水平提供有价值的参考信息以及有效的分析手段。该系统采用计算机和功能卡、功能模块相结合的硬件系统，运用基于虚拟仪器的软件平台实现误差数学模型的拟合和实时误差计算，并且能够根据专家系统和自学习系统增加建模模型的鲁棒性和可靠性，有效地对机床的实时加工进行误差预测和补偿，提高机床的加工精度。
附图说明
[0020] 图1为本发明补偿系统的硬件系统结构示意图
[0021] 图2为本发明补偿系统的软件系统结构示意图
具体实施方式
[0022] 下面结合附图对本发明的实施例进行说明。本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0023] 本发明的误差实时补偿系统的硬件系统结构如图1所示，包括：工控机1、触摸显示器2、电阻式温度传感器3、温度转换模块4、485通讯接口5、涡流位移传感器6、位移传感器变送模块7、A/D转换功能卡8、坐标位置输入卡9、补偿值输出卡10、数控机床CNC系统11、机床PLC 12、I/O扩展模块13、数字量输入接口14、数字量输出接口15、机床上热源位置16、机床运动控制轴17。
[0024] 本实施例硬件系统的具体实施过程如下：
[0025] 1.工控机1通过视频线和USB线与触摸显示器2连接，通过485通讯接口5与温度转换模块4连接，采用PCI总线方式与A/D转换功能卡8、坐标位置输入卡9和补偿值输出卡10连接，构建硬件系统平台。
[0026] 2.触摸显示器2用于实现人机交互，操作人员可在触摸显示器上输入和读出数据。
[0027] 3.电阻式温度传感器3置于机床上热源位置16，并通过屏蔽电缆与温度转换模块4连接，将热源点的温度转变为电阻阻值变化。
[0028] 4.温度转换模块4完成对热电阻阻值变化的辨识，通过信号滤波、放大和A/D转换，将采集的热源温度数据转变为二进制的数据格式，并通过485通讯接口5，将数据传送到工控机1中。
[0029] 5.涡流位移传感器6通过屏蔽电缆连接位移传感器变送模块7，涡流位移传感器6用于测量机床运动控制轴17的实际误差值，完成机床建模时的误差数据样本的采集。
[0030] 6.位移传感器变送模块7用于将涡流位移传感器6输出的信号进行调理和放大，并转换输出直流电压信号。
[0031] 7.A/D转换功能卡8将位移传感器变送模块7输出的模拟信号转变为可供计算机处理的数字信号，并通过PCI总线将数据传送到工控机1中。
[0032] 8.坐标位置输入卡9通过并口数据线与机床PLC 12的I/O扩展模块13的数字量输出接口15连接，机床PLC 12过窗口功能从数控机床CNC系统11中读出机床运动控制轴17的当前绝对坐标位置，再通过数字量输出接口15将坐标值传送到绝对坐标位置输入卡。
[0033] 9.补偿值输出卡10通过并口数据线与机床PLC 12的I/O扩展模块13的数字量输入接口14连接，工控机1通过误差补偿值输出卡10将当前各轴的误差补偿数据传送到机床PLC 12的数字量输入接口14，再由机床PLC 12将补偿数据送到数控机床CNC系统11中，并激活机床的外部机械原点偏移功能实现误差补偿。
[0034] 本发明的软件系统结构如图2所示，包括：温度和误差数据信号预处理模块1、专家系统2、自学习系统3、误差数学模型建模子系统4、机床加工参数表5、参数数据检索表6、数学模型选择库7、比例系数和增益系数检索表8、专家系统交互接口9、误差数据实时计算模块10、误差补偿值输出缓存区11、特殊标志位输出缓冲区12、自学习修正模块13、自学习系统交互接口14、历史数据存储数据库15、PLC 16、补偿值存储区17、坐标值存储区18、CNC 19。
[0035] 本实施例软件系统的具体实施过程如下：
[0036] 1.误差补偿系统的建模步骤
[0037] (1)采用温度传感器和位移传感器分别采集温度数据和机床各控制轴的误差数据，然后导入温度和误差数据信号预处理模块1，对温度采样值进行去耦化处理，消除由于温度测试点相关性所带来的误差；对误差采样值进行零均值化处理和平稳化处理，消除随机噪声和机床系统噪声引起的误差。然后对温度数据和误差数据进行整合，判别误差敏感方向并将测试数据自动保存在专家系统2和自学习系统3中；
[0038] (2)采用人工输入和系统自动输入的方式，将包括机床类型、机床参考坐标系位置、理论数学模型齐次坐标变换参数、温度采集系统噪声极小化条件参数、环境温度影响极小化参数等信息导入参数数据检索表6，并提供给误差数学模型建模子系统4用于建模时的条件设置；
[0039] (3)操作人员输入相关加工参数并导入机床加工参数表5，误差数学模型建模子系统4根据机床加工参数表5的检索结果对误差元素和误差源进行系数修正；
[0040] (4)误差数学模型建模子系统4的建模过程：首先，根据空间齐次坐标变换原理，构建机床参考坐标系，并通过刀具和工件之间联结的封闭矢量链，构建机床综合误差数学模型的理论计算公式。然后，采用误差元素建模技术，根据误差敏感方向，针对影响机床加工精度的误差元素进行建模，采用了基于时间序列算法的建模方法，并结合正交试验设计建模法的校验，考虑了参数数据检索表6中温度采集系统噪声极小化和环境变化极小化两项外部条件，构建各误差元素的数学模型。最后，构建的各误差元素数学模型自动存储在专家系统的数学模型选择库7库中，模型系数存入自学习系统3中，构建的误差数学模型可通过自学习系统3的训练和修正而实时优化。
[0041] 2.误差实时补偿的实施步骤
[0042] (1)根据参数数据检索表6中设定的机床结构类型、参数设置和加工条件、环境温度等综合因素，调用数学模型选择库7中适用的的数学模型，并根据机床加工参数表5以及比例系数和增益系数检索表8调整增益系数；
[0043] (2)PLC 16通过窗口功能从CNC 19读出机床各控制轴的当前绝对坐标位置，放入PLC 16的坐标值存储区18中，通过并口通讯传送到专家系统2后进行译码和数据判定，然后送入误差数据实时计算模块10的输入端。同时，温度数据也导入误差数据实时计算模块10的输入端；
[0044] (3)误差数据实时计算模块10根据温度和位置坐标信息，自动识别出敏感误差元素项，并计算当前各控制轴的补偿值，计算得到的补偿值自动存放到误差补偿值输出缓存区11中，通过并口通讯模式，将补偿值传送到PLC 16的补偿值存储区17中，PLC 16激活外部机械原点偏移功能，使得CNC 19调用补偿值存储区17中各控制轴的补偿数据，并实现补偿。
[0045] 3.专家系统优化的实施方法
[0046] (1)构建机床参数数据检索表6，其内容包括机床类型、机床参考坐标系位置、理论数学模型齐次坐标变换参数、温度采集系统噪声极小化条件参数、环境温度影响极小化参数；
[0047] (2)数学模型选择库7用于根据参数数据检索表的信息，选择适用的误差补偿计算模型，数学模型选择库中的数学模型由专家系统2的训练和优化得到；
[0048] (3)机床加工参数表5用于检索机床实际加工时输入的加工参数，相关加工参数在系统初始化时由操作人员输入，误差数学模型建模子系统4将根据机床加工参数表的检索结果对误差元素和误差源进行系数修正；
[0049] (4)比例系数和增益系数检索表8用于调整数学模型选择库7中所选模型的误差元素项增益系数，并根据温度采集系统噪声极小化条件参数和环境温度影响极小化参数的结果，修正误差元素计算公式的比例系数，用于提高计算公式的准确性；
[0050] (5)误差补偿值输出缓存区11用于存放经误差数据实时计算模块10计算后得到的各控制轴的补偿值；
[0051] (6)特殊标志位输出缓冲区12用于输出补偿系统定义的特殊标志位，通过与PLC 16之间预先设定的工作模式协议，来监控补偿功能的实施；
[0052] (7)专家系统交互接口9用于连接专家系统2与自学习系统3，专家系统2的检索信息可输出到自学习系统3，而优化信息和系统参数则由自学习系统3导入到专家系统2中。
[0053] 3.自学习系统优化的实施方法
[0054] (1)自学习修正模块13用于在同步线程中根据实时采集的温度、加工参数信息以及坐标信息与历史数据的对比和分析，不断修正数学模型选择库7中各误差元素模型的计算公式，并自动保存修正后的模型，自学习修正模块13通过对比新旧模型的误差比，当达到设定阈值后即将修正后的模型系统导入专家系统2中，因而能够很好地提高模型的鲁棒性和适应性，从而提高误差实时补偿系统的精度和可靠性；
[0055] (2)历史数据存储数据库15用于存放温度和控制轴误差的历史建模数据，并可实时保存机床实际加工时的输入参数值、坐标位置值和温度数据值；
[0056] (3)自学习系统交互接口14用于连接自学习系统3与专家系统2，将自学习修正模块13优化后的信息和系统参数导入到专家系统2中。
