基于ARM11机床热误差实时补偿器研究.pdf

2015年 10月 机 床 与 液 压 0 8 2015 第 43 卷 第 19 期 MACHINET0 0 L 2 HYDRAULICS Vol. 43 No. 19 DOI 10.3969/j. issn. 1001-3881. 2015. 19. 022 基 于ARM11机床热误差实时补偿器研究 张志鹏2刘康2曾祥兵2 刘光磊2郭丰1 1.四川理工学院机械工程学院，四川自贡643000 2 . 四川长征机床集团有限责任公司，四川自贡643000 摘 要 为了提高机床精度，利用温度传感器采集其关键点温度，以ARM11_ Lmux开发板为主体，嵌人多元线性回归 算法，对FjUC机床的主轴热误差实时补偿研究。设计了 3个模块，即温度采集分析模块、热误差建模及实时补偿模块和 机床接收数据模块。利用S3C6410开发板移植了 QT界面，良好的人机界面便于动态监视数据。实验证明该补偿器是可 行的，且具有良好的补偿效果。 关键词热误差；实时补偿控制器；模块化设计；ARM11_ Lmux; F a u c机床 中图分类号TW659 文献标志码 A 文章编号1001-3881- 2015 19-095-5 Research of Real-time Thermal Error Compensation Controller of Machine Tool Based on ARM 11 ZHANG Zhipeng1 Fanuc machine tool 0前言 随着对数控机細工精度的要求日益提高，误差 补偿技术已经成为提高机床精度的重要方法。几何误 差、热误差、力误差是数控机床的3 大主要误差，占 总 误 差 的 7090[1]，其中在精密加工过程中，热 误差占总误差的4070[2]，越是精密的机床，热 误差所占比例越大。因此，进行机床主轴热误差补 偿 ，对提高数控机床加工精度有重要意义。几何误差 属于静态误差[3]，经过多年的研究，已经取得了很多 成果，热误差属于动态误差，简单的误差补偿器无法 随着时间或其侧素的改变而实时在线补偿。通用计 算机可以实现一台甚至多台[4]机床的误差补偿，但实 现成本较高。嵌人式装置是以应用为中心、软硬件可 裁剪的专用计算机，具有成本低、体积小、实时性高 和界面友好的特点。随着嵌人式设备应用越来越广 泛[5]，嵌人式技术结合床热误差补偿研究取得了- 些的进展[6]，但只是针对某-特定型号机床和在特定 环境下进行的热误差补偿研究，适用范围有限。本文 作者以ARM11开发板为主体，设计了 3 个模块，在 Fanuc机床上进行了实验，使用机床提供的外部机械 原点偏移[7]功能，对Fanuc机床主轴热误差实时在线 补偿研究。 1温度采集分析模块 该觀主要功能是优化温度关键点，确定关键点 后 进 行 实 时 补 偿 ，利 用 串 口 一 将 温 度 值 送 给 0K6410A开发板。通过对KVC650E立式加工中心的 结构特点和热源分布进行分析和初步试验，在床身上 对影响主轴热误差较大的位置分布了温度传感器，将 数据采集到P C机上，进行优化分析，温度变量的优 化选择过程，其优化过程如下 收稿日期 2014-08-04 基金项目四川理工学院创新基金项目（y2013011 作者简介张志鹏（1987 ，男，硕士研究生，主要从事机床精度稳定性的学习和研究等。E-mail zzp499542163. cm 96 - 机床与液压 第 43 卷 ⑴根据机床分析和基本原则初步布置测温点； 对温度变量进行模糊聚类，通过计算B统计量优选 阈值来确定最佳分组； 2 对各温度变量与热误差数据进行灰色综合 关联分析，选取各组中与热误差灰色综合关联度最大 的温度变量，并考虑所选温度变量是否满足实际情况 和条件，若满足，最终确定用于热误差建模的温度变 量 ，若不满足，返回重选阈值。 ⑶ 确 定 温 度 关 键 点 ，温度采集模块一如图1 所示。 II 计算F统计 V量优选阀值 L C D 显示器 串口一 1602 液晶显示 A R M11_ L i n u x 开发板 ----- S T C90C51R D 单片机 N N O J确定最佳分组， yes 结合灰色综 合关联分析 Y E S 7 图1温度采集分析模块 通过温度关键点优化，可以消除温度测点之间的 相互耦合作用，增强热误差模型的鲁棒性，而且还能 减少温度数据的检测数量和简化模型的复杂度。温度 采集模块的硬件包括STC90C51R D芯片和带有1602 液晶显示器的单片机，0K6410A实时显示温度传感 器数值，8 路DS18B20温度传感器。经过模块化的设 计 ，若要改变温度传感器的数目，单片机程序只需根 据不同的温度传感器序列号，增减相应的程序，并在 计算机上进行相关的优化分析。 2热误差建模及实时补偿模块 2. 1 建模理论 热误差建模是热误差补偿研究的关键技术，模型 的预测精度直接影响到热误差补偿系统的补偿效果， 国内外学者进行了大量研究，多元线性回归（MLR， Multiple Linear Regression 是行之有效的快速麵方 法之一[ “ ]。在不同的机床类型和不同的时间内，每 种建模都有各自的适应范围，模型大多不同，开发板 的存储空间比较大，并且可以扩展存储空间，这就为 保存多个模型数据提供了条件。为了验证补偿器的可 行性，首先将多元线性回归算法移植到开发板，然后 选择具有更好补偿效果的模型。多元线性回归基于最 小二乘原理，以因变量与自变量之间成线性关系的假 设为基础，通过实验，得到多个测温点温度与机床单 个方向上的热误差变化输出关系。假设模型中热误差 因变量）“ 与L个 温 度 测 点 （ 自变量） ， ， ， 存在线性的内在联系，通过实验每个温度测 点得到3 组数据 ，，， ， 1 ，2 , ， 3 , 则可得到如下关系式 j0 ii221k“Li/0 , 2 0 112222 l20 j0 i3 223k“L3/0 多元线性回归模型关系式为 其中 _ “i_ _ 1 1 1 r “2 ， 1 12 ， 2 -1 13 L3- _ 。 __0 _ i ， 0 3 _ 式中 “为机床某一方向第E欠测得的热误差值； 为回归系数； 为机床上第个传感器第E欠测得的 温度； 0 为相互独立且服从同一正态分布的随机变 量 ；“ 与 为已知参数，利用最小二乘法可以求出计 算参数 。 设 ），），，） 分别为参数 。 ， 1，， 的最小二乘估计，则多元线性回归方程为 “ 〇 22 ... 2 . 2 硬件资源 ⑴ SamsungS3C6410 处理器，ARM1176JZF-S 内 核 ，主频 533 MHz/667 MHz； 2 128M 字节 Mobile DDR 内存; 3 1G 字节 NAND Flash MLC； 4 12 MHz、48 MHz、27 MHz、32. 768 kHz 时 钟源； 5 内部实时钟，带有后备锂电池座，断电后 系统时间不丢失； 6 共 4 个串口，包 括 1 个 五 线RS232电平串 口和3 个三线TTL电平串口及扩展RS232串口； 7 1 个 USBH0ST 插口，支持 USB1.1，可插 鼠标、U盘等； 8 1 个 100M网口，采 用DM9000AE，带连接 和传输指示灯； 9 3. 5 寸 LCD，支持 TFT LCD，支持 10 寸 LVDS液晶屏； 10 核心板为6 层PCB设计，性能稳定，经过 强电磁环境考验。 以上的硬件资源表明 0K6410开发板为机床主 轴热误差实时补偿研究提供了良好的平台。 2 . 3 系统平台的搭建 系统平台的搭建是实现一个信息处理终端，为 第 19期 张志鹏等基于 ARM11机床热误差实时补偿器研究 97 - 0K6410A开发板搭建Linux系统，包括 以 下 4 个部 分[10_11] 1 引 导 装 载 程 序 （BootLoader ，这里选用 ubotl. 2 6版 ，系统上电后首先被执行，对CPU 内 存等进行初始化，完成内核映像的装载和引导； 2 Linux内核，采用官方的Linux3. 0. 1 版本， 配置编译后生成zlmage内核映像文件，并制作yaffs2 文件系统映像，利用SD卡一键安装Linux系统； 3 图形用户界面，Qtopia是Trolltech公司为采用 嵌入式Linux操作系统的消费电子设备而开发的综合应 用平台，选用功能强大且实腦Qt〇pia2.2.0版本。 4 在Qtcretor软件中编写并交叉编译应用程 序，QT体系开发模型如图2所示。 图2 QT的体系开发模型 2. 4软件设计 软件设计主要在Linux系统下完成，虚拟机选用 VMware Workstationl。 ，系统使用 Ubuntu 12. 04 片 及 本 ， 安装QtCreat〇r4.8. 1 后 ，即可编写QT程序，主要是 基于QT下的热误差建模编程、通信编程和应用程序 的交叉编译及移植[ 1 同时还需在开发板上设置环 境变量，可以利用触摸笔打开程序或在开发板上设 置开机启动热误差补偿程序，点 击 “ 开始补偿”按 钮后，便可以进行热误差补偿，开 发 流 程 如 图 3 所示。 图3 QT开发流程图 为了增强该模块的通用性，机床类型包含Fanuc 和Siemens 2类机床，误差补偿类型设计了几何误差、 热误差、切削力误差和综合误差模型算法，模型包 括 经典的多元线性回归算法、应用广泛且具有较强 鲁棒性和容错性的BP神经网络[13]。经过移植QT程 序 ，开发板具有良好的人机交互界面，便于观察传感 器温度值和、S “ 三轴的补偿量。设计的图形用 户 界 面 （GUI，Graphic User Interface 如图 4 所示。 图4 GUI界面结构图 3机床接收数据模块 立 式 加 工 中 心 和 配 置Siemens 840D系 统 的 经分析配置Fanuc 0i Mate-MC系 统 的KVC650E GMC4000H/2龙门加工中心的通信接口，分别制定了 98 - 机床与液压 第 43卷 18L 5 10 15 20 25 30 采集次数 图7各温度传感器的温度变化曲线 两种通信补偿方案西门子机床需要解决的是内嵌式 S7-300PLC与ARM1 1 以太网通信，是 基 于QT下的 Socket通信[5]。文中主要介绍Fanuc 0i Mate-M C系统 KVC650E立式加工中心的通信接口，经查阅资料， 利用扩展板将 输入开关量信号与串口控制器进行 点对点连接，ARM11经串口二送出的误差值送给 地址，根据机床功能手册，在LADDER3 软件编写对 应的读取外部数据部分娜图，利用M-C ad将梯形图 与机床进行梯形图转换，模块设计流程如图5 所示。 图5模块三流程图 4热误差实时补偿实验 为了验证该补偿器的可行性及补偿效果，以多元 线性回归算法建立数学模型，以主轴轴向为例，在 KVC650E立式加工中心上进行实验，整个过程流程 如图6 所示。 ■ 数据 ----\ ----/ 构造相似 矩 阵 、等价 矩阵 \ /量优选阀值 Y E S 确定最佳分组， 结合灰色综 合关联分析 L C D 显示器 串口- A R M11_ L i n u x 开发板 1602 液晶显示 S T C90C51 R D单片机 p|D S18B20温度传感器tT|Y E S |D S18B20温度传感器T2 | 0818820温度传感器T3p 1111 串口二 串口控制 P L C输出 点数字量 点对点 F a n u c O i 扩展板 C B107 将数据存 入外部数 据偏置单元 图6整体流程图 将采集8 路温度数据及检测“ 轴轴向热变形值采 集到电脑上进行分析，利 用MATLAB数学工具，得 到各温度传感器的变化曲线如图7 所示，主轴热变形 曲线如图8 所示。 采集次数 图8主轴轴向热变形曲线 首先计算出各温度变量间的相关系数矩阵2 , 然 后计算2 的传递包- ，得到模糊等价矩阵，借助 B统计量对温度变量进行分组，经分析取阈值A 0.987,此时8 个温度变量共分为4 组，分组结果如 表 1 所示。 表1温度变量的分组 分组第一组第二组第三组第四组 测点序号12 3 5 67 8 根据灰色综合关联度分析，由两序列间的灰色综 合关联度定义 j.y 1_ / 分别计算出各温度变量与主轴轴向热误差的灰色 综合关联系数。按灰色综合关联系数大小进行排序， 如表2 所示。 表2温度变量与轴向热误差的灰色综合关联系数排序 温度测点序号 1234 灰色综合系数 0.5030.606 00.543 90.546 温度测点序号5 678 灰色综合系数 0.5270.551 30.528 40.536 根据模糊聚类的分组结果，从每组中选择温度测 点数据与热误差灰色综合关联最大的值，则应选择 1、2、6、8作为温度关键点。通过表2 , 最终确 定 2、6、8作为温度关键点，为了减小了模型复 杂度，提升模型的精确性和鲁棒性，采用实时相对温 度作为自变量，建立热误差补偿模型，确定多元线性 回归公式为 “ 1.999 9-0. 888 5 2-8 4. 933 7 6-8 利用MATLAB工具分析热误差测量值、MLR模 型预测值及残差，结果如图9 所示。 4 2 2 2 P/ 植屯鹋 s i 第 19期张志鹏等基于 ARM11机床热误差实时补偿器研究 9 9 - 图9 MLR补偿误差 图9 中模型的最大残差绝对值为2. 687 8 计 算残差均方根为, 2 245 1 m。 图 1。为热误差补偿实验现场，可以在机床的显 示屏上看到传入的W地址数据，利用千分表测量机 床轴向位移随着数据的改变而移动，从而证明了补偿 器的可行性。 图1。 热误差补偿实验现场 利用千分表测量主轴轴向热误差，补偿预测值和 实际测得“ 轴变形量如图11所示，经过热误差实时补 偿实验，误差值控制在-10〜 4 m范围内，轴向热误 差从补偿前的24 m降 低 到 14 m，补偿效果达到 40，从而证明了该补偿器能够取得良好的补偿精度。 0 5 10 15 20 25 30 35 采集次数 图1 1实验对比热误差补偿效果图 5结论 ⑴ 介 绍 了一种 基 于ARM11机床热误差补偿 器 ，将多元线性回归预测模型嵌入到补偿器中，在 KVC650E立式加工中心上实验，证明了该补偿器的 可行性及良好的补偿效果。 2 实验表明，采用多元线性回归建模的方 法 ，能够达到一定的补偿效果。为了进一步提高 误差控制精度，可以根据实验情况将几个线性回 归模型适当组合或补偿器中嵌入预测效果更好的 模型，比如神经网络模型，将误差控制在更小的 范围内。 ⑶ 该 补 偿 器 具 有 成 本 低 、实时性高、通用性 强的特点，随着研究不断的完善，能够进一步开发成 商业产品。因此，该补偿器的研究具有重要参考价值 和实际意义。 参考文献 1 ]张宏韬.双转台五轴数控机床误差的动态实时补偿研究 [D ]. 上海上海交通大学， 2012 2] BRYAN J. 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