本发明公开了一种基于位置预测的数控机床位置相关型误差的外置补偿方法，通过离线测得外置误差补偿控制器与数控系统的通讯延时，结合数控机床实时进给率，计算得到位置提前量，与实时位置叠加，预测得到位置数据，使用该预测的位置数据进行补偿量计算，并将补偿量输入到数控系统中，数控系统通过原点偏移的方法完成补偿量到加工刀具尖端的输出。利用本发明，解决了用于补偿量计算的位置信息由于外置补偿控制器与数控系统的通讯产生的时间滞后，提高了外置误差补偿的精度。
1.一种基于位置预测的数控机床位置相关型误差的外置补偿方法，其特征在于，包括：(1)建立外置误差补偿控制器和数控机床的通讯连接，所述外置误差补偿控制器中具有事先离线固化的位置相关型误差预测模型；
(2)离线测定外置误差补偿控制器与数控机床的通讯延时，并将测得的通讯延时写入外置误差补偿控制器中；
(3)在线补偿开始后，外置误差补偿控制器获取当前位置数据和当前实际进给率，结合通讯延时和当前实际进给率计算位置提前量，与当前位置数据叠加得到预判位置数据，将预判数据位置输入位置相关型误差预测模型，计算得到误差量；
(4)外置误差补偿控制器将误差量发送给PLC，PLC将此误差量通过内部CNC-PLC通讯总线写入到数控系统的原点偏置寄存器中；
(5)数控系统开启原点偏置功能，数控系统内部根据原点偏置寄存器中的误差量数值，将理论代码指令叠加原点偏置值输出，自动驱动丝杠，带动工作台往误差量的反方向运动，实现误差的补偿。
2.根据权利要求1所述的基于位置预测的数控机床位置相关型误差的外置补偿方法，其特征在于，步骤(1)中，所述通讯连接包括以太网或IO总线连接，若所述数控机床外接测量系统，则将测量系统与外置误差补偿控制器连接。
3.根据权利要求1所述的基于位置预测的数控机床位置相关型误差的外置补偿方法，其特征在于，步骤(2)中，若外置误差补偿控制器基于通讯连接从数控机床获取位置数据和实时进给率，则通讯延时包括获取数据、写入误差量的双向通讯时间；
若外置误差补偿器从机床外接的测量系统直接获取位置数据和实时进给率，则通讯延时仅包括写入误差量的单向通讯时间。
4.根据权利要求3所述的基于位置预测的数控机床位置相关型误差的外置补偿方法，其特征在于，步骤(2)中，所述通讯延时的测定方法为：(2-1)外置误差补偿控制器记录初始时间T1；
(2-2)外置误差补偿控制器执行向数控机床的数控系统寄存器写入数据的程序，并设置主动延时Ts；
(2-3)外置误差补偿控制器执行向数控机床的数控系统寄存器读取数据的程序，记录当前时间T2；
(2-4)利用公式T＝(T2-T1-Ts)/4，计算一个单位通讯时间；
(2-5)若外置误差补偿控制器基于通讯连接从机床获取位置数据和实时进给率，则通讯延时包括四个单位通讯时间；若外置误差补偿器从测量系统直接获取位置数据和实时进给率，则通讯延时包括两个单位通讯时间。
5.根据权利要求4所述的基于位置预测的数控机床位置相关型误差的外置补偿方法，其特征在于，步骤(2-2)中，设置的主动延时Ts大于500ms。
6.根据权利要求1所述的基于位置预测的数控机床位置相关型误差的外置补偿方法，其特征在于，步骤(4)中，外置误差补偿控制器通过以太网或者IO总线的方式将误差量发送给PLC。
一种基于位置预测的数控机床位置相关型误差的外置补偿
方法
技术领域
[0001] 本发明属于数控机床误差补偿技术领域，尤其是涉及一种基于位置预测的数控机床位置相关型误差的外置补偿方法。
背景技术
[0002] 数控机床是当前制造业重要的基础装备之一，精度是高端数控机床的关键指标，通常用加工误差来表征，加工误差直接决定了产品的加工质量。大小与在机床中位置相关的误差称为位置相关型误差。误差补偿是消除误差的一种重要技术手段，指在允许误差产生的基础上，人为制造出一个与原误差大小相等方向相反的补偿量，叠加到机床实际加工运动中。主要步骤为通过误差测量得到误差分布规律，建立误差预测模型，预测得到补偿量，叠加到机床实际运动中。误差补偿技术不依赖于机床本身精度，降低了机床生产成本和维修成本；同时便于根据工况变化随时调整补偿量，消除误差效果好，实时性强。
[0003] 部分商业数控系统为用户开放了补偿功能接口，通过开发外置误差补偿控制器，可以采用更高精度的补偿算法预测出更精确的补偿量，并通过补偿功能接口输入到数控系统中。
[0004] 对于位置相关型误差，需要基于数控系统的通讯方式从数控系统获取实时位置信息，作为误差模型输入。但是外置补偿器与数控系统的通讯需要依靠介质，如以太网电缆等，会导致通讯延时问题，获取的位置数据存在时间滞后问题，实时性较差，则模型计算得到的补偿量精度较低，不满足在线补偿的实时性要求。
[0005] 因此，基于外置补偿方法补偿位置相关型误差，要达到良好的补偿效果，必须解决外置补偿控制器与数控系统之间由于通讯延时导致的位置数据时间滞后问题。
发明内容
[0006] 针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于位置预测的数控机床位置相关型误差的外置补偿方法，可以解决外置补偿控制器与数控系统之间由于通讯延时导致的位置数据时间滞后问题。
[0007] 本发明的技术方案如下：
[0008] 一种基于位置预测的数控机床位置相关型误差的外置补偿方法，包括如下步骤：
[0009] (1)建立外置误差补偿控制器和数控机床的通讯连接，所述外置误差补偿控制器中具有事先离线固化的位置相关型误差预测模型；
[0010] (2)离线测定外置误差补偿控制器与数控机床的通讯延时，并将测得的通讯延时写入外置误差补偿控制器中；
[0011] (3)在线补偿开始后，外置误差补偿控制器获取当前位置数据和当前实际进给率，结合通讯延时和当前实际进给率计算位置提前量，与当前位置数据叠加得到预判位置数据，将预判数据位置输入位置相关型误差预测模型，计算得到误差量；
[0012] (4)外置误差补偿控制器将误差量发送给PLC，PCL将此误差量通过内部CNC-PLC通讯总线写入到数控系统的原点偏置寄存器中；
[0013] (5)数控系统开启原点偏置功能，数控系统内部根据原点偏置量寄存器中的误差量数值，将理论代码指令叠加原点偏置值输出，自动驱动丝杠，带动工作台往误差量的反方向运动，实现误差的补偿。
[0014] 步骤(1)中，所述通讯连接包括以太网或IO总线连接，若所述数控机床外接测量系统，则将测量系统与外置误差补偿控制器连接。
[0015] 步骤(2)中，若外置误差补偿控制器基于通讯连接从数控机床获取位置数据和实时进给率，则通讯延时包括获取数据、写入误差量的双向通讯时间；
[0016] 若外置误差补偿器从机床外接的测量系统直接获取位置数据和实时进给率，则通讯延时仅包括写入误差量的单向通讯时间。
[0017] 所述通讯延时的测定方法为：
[0018] (2-1)外置误差补偿控制器记录初始时间T1；
[0019] (2-2)外置误差补偿控制器执行向数控机床的数控系统寄存器写入数据的程序，并设置主动延时Ts；
[0020] (2-3)外置误差补偿控制器执行向数控机床的数控系统寄存器读取数据的程序，记录当前时间T2；
[0021] (2-4)利用公式T＝(T2-T1-Ts)/4，计算一个单位通讯时间；
[0022] (2-5)若外置误差补偿控制器基于通讯连接从机床获取位置数据和实时进给率，则通讯延时包括四个单位通讯时间；若外置误差补偿器从测量系统直接获取位置数据和实时进给率，则通讯延时包括两个单位通讯时间。
[0023] 作为优选，步骤(2-2)中，设置的主动延时Ts大于500ms，通过设置主动延时Ts，有利于减少计算误差。
[0024] 步骤(4)中，外置误差补偿控制器通过以太网或者IO总线的方式将误差量发送给PLC。
[0025] 本发明通过离线测量外置补偿控制器与数控系统的通讯延时，解决了用于补偿量计算的位置信息由于外置补偿控制器与数控系统的通讯产生的时间滞后，提高了误差量计算的实时性，改善了商用数控系统误差补偿的精度。
附图说明
[0026] 图1为本发明基于位置预测的数控机床位置相关型误差的外置补偿方法的原理图；
[0027] 图2为本发明实施例中一种基于位置预测的数控机床位置相关型误差的外置补偿方法的流程示意图；
[0028] 图3为本发明实施例中测量基于以太网通讯补偿误差的通讯延时的方法原理。
具体实施方式
[0029] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
[0030] 本发明基于数控系统提供的原点偏移补偿功能接口，使用外置误差补偿控制器，结合通讯延时时间预测实时位置数据，计算误差补偿量并实施误差补偿。其原理如图1所示，假设补偿控制器在T1时刻计算出补偿量C1并开始输出，其依据的为T1时刻的位置数据P1；由于存在延时t，在T2时刻补偿实施才完成，此时机床位置P2已经与P1不同，则误差补偿量必然产生了偏差。现通过离线测定补偿响应时间t，结合机床实际进给率F，相乘得到延时时间t内机床移动的位置数据p，并且将其与实时位置P1叠加，预测出补偿实施时刻T2时候的机床位置P2，输入到误差模型中，计算得到误差量。
[0031] 如图2所示，一种基于位置预测的数控机床位置相关型误差的外置补偿方法，该方法的步骤如下：
[0032] 步骤1，根据数控系统的数据接口，选择基于以太网电缆或是I/O总线建立外置误差补偿控制器和数控机床的通讯连接。若有外加的测量系统，则将其接入外置补偿控制器；
[0033] 步骤2，离线测量得到外置补偿控制器从数控系统获取机床位置数据以及机床实时进给率、并向数控系统写入误差量的通讯时间。以基于以太网电缆建立外置补偿控制器与FANUC数控系统的通讯连接为例，说明一个测量通讯时间的例子，如图3所示。
[0034] 其中不考虑外置补偿控制器内部指令编译执行时间t1、t3，不考虑PMC内部读写时间Tc，在调用读写函数之间设置了延时Ts，目的是减少计算误差。并且假设通讯时间t2包括写寄存器指令发出后数据会经过一个单位通讯时间到达数控系统，再经过一个单位通讯时间将一个句柄返回补偿控制器，即总共费时两个单位的通讯时间；类似的，假设通讯时间t4也包括两个单位通讯时间。实验步骤如下：
[0035] a)离线测量开始后，通过调用windows.h中函数clock()得到以ms为单位的时间T1。
[0036] b)执行向数控系统指定寄存器写入的函数。
[0037] c)使用sleep()函数进行延时，延时时间为Ts，本实验中设定为1000ms。
[0038] d)执行读取数控系统指定寄存器数值的函数。
[0039] e)再次调用windows.h中函数clock()得到以ms为单位的时间T2。
[0040] f)一个单位通讯时间T＝(T2-T1-Ts)/4。
[0041] 测量得到一个单位延时T后，针对从机床获取位置数据的情况，延时t定义为四倍的T；针对从测量系统获取位置数据的情况，延时t定义为两倍的T。将延时t写入到外置补偿控制器中。
[0042] 步骤3，在线补偿开始后，外置补偿控制器获取当前位置数据P1及当前进给率F，结合机床实际进给率F，相乘得到延时时间t内机床移动的位置数据p，并且将其与实时位置P1叠加，预测出补偿实施时刻T2时候的机床位置P2，输入到事先固化的位置相关型误差预测模型中，计算得到误差量，基于以太网进行误差量发送。
[0043] 步骤4，PLC基于以太网接口获得误差量，并将此误差量通过内部CNC-PLC通讯总线写入到数控系统的原点偏置寄存器中；
[0044] 步骤5，数控系统开启原点偏置功能，数控系统内部根据原点偏置量寄存器中的误差量数值，将理论代码指令叠加原点偏置值输出，自动驱动丝杠，带动工作台往误差量的反方向运动，实现误差的补偿实施。
[0045] 以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。
