1、河北工业大学硕士学位论文 基于虚拟仪器的数控机床误差采集、参数辨识研究 摘 要 随着生产过程自动化的飞速发展和精密加工的广泛应用，对数控机床加工精度的要求日益提高，柔性制造系统 （ FMS） 和柔性制造单元 （ FMC） 更是提出了机床加工过程中各种误差的自动监测和自动补偿问题。目前，误差的检测、显示、监控问题已成为机械加工特别是精密加工和超精密加工中的瓶颈问题。 本文在充分了解和深入分析国内外数控机床误差元素建模技术及误差检测、补偿控制技术研究、应用现状的基础上，针对机床误差元素的不同性质 ，对机床误差元素进行了分析和分类，并主要针对数控机床的几何误差参数辨识和误差补偿方法进行了研究。 数控
2、机床自身的精度是决定加工效率和精度的关键所在，仿真是验证误差补偿效果的有效途径。本论文在深入研究几何误差参数辨识和误差补偿方法的基础上，针对数控机床 的 21 项几何误差，利用虚拟仪器开发平台控制误差采集，实现了参数辨识、误差补偿及基于局域网的误差远程监控功能，并对误差参数辨识、误差补偿结果进行了仿真验证。利用面向对象的虚拟技术，以 LabVIEW 和 MATLAB 平台开发了一套编程合理、方便、功能强大的 数控机床虚拟补偿系统。根据软件测试理论及方法，对虚拟误差补偿系统进行了有效测试，证明了软件系统的合理性，该系统还具有通用性、扩充性，可以满足不同数控编程系统针对不同机床、不同零件编制的加工
3、（检测）程序文件的补偿要求。 本论文的研究内容如下： 1) 基于 LabVIEW 的数控机床几何误差采集总体方案、软硬件构成及实现。 2) 基于 LabVIEW 与 MATLAB 接口的误差建模技术研究，实现建模的程序化。 3) 基于 LabVIEW 的误差参数辨识技术研究。 4) 基于 LabVIEW 的误差补偿技术研究。通过实例仿真 ，验证数控机床误差补偿模型的正确性以及误差补偿方法的有效性。 5) 在面向对象软件测试的一些基本理论指导下，对虚拟误差补偿系统进行了有效的测试。 关键词： 数控机床，虚拟仪器，几何误差，误差元素建模，误差元素检测，误差补偿控制系统 i 基于虚拟仪器的数控机床误
4、差采集、参数辨识研究 RESEARCH OF ERROR ACQUISITION AND PARAMETER IDENTIFICATION FOR NC MACHINE TOOL BASED ON VIRTUAL INSTRUMENT ABSTRACT With full progress of production process automation and wide application of precision machining, the machining accuracy requisition for NC machine tool is increasing day by
5、day. Flexible manufacturing system (FMS) and flexible manufacturing unit (FMC) has put forward higher demand to automatic monitoring and compensation of various kinds of error in the process course of NC machine tools. At present, the measuring, showing and monitoring of the errors have already beco
6、me the bottleneck question of machining especially that of precision machining and ultra-precision machining. This paper is on the foundation of current domestic and international using situation of error element modeling technology, error measurement technology and compensation control technology o
7、f NC machine tool with full understanding and analyzing. According to different properties of error elements, the error elements of NC machine tool are analyzed and classified. Research on the methods of geometric error parameter identification and error compensation of NC machine tool has been carr
8、ied mainly in this paper. The precision of NC machine tool itself is the key point that determines to machining efficiency and precision, and simulation is an effective way of verifying inspecting path. In this paper, basing on profound analysis of error parameter identification and error compensati
9、on method and aiming at twenty-one geometric errors, the error data acquisition is controlled by Virtual Instrument and the functions of error parameter identification, error compensation, error remote panel monitoring and simulation validation are realized. Utilizing object-oriented virtual compens
10、ation technology, a virtual error compensation system for NC machine tool that is programming rational, convenient and powerful has been developed with LabVIEW and ii 河北工业大学硕士学位论文 MATLAB platform. According to software testing theory, the effective testing for virtual error compensation system prove
11、s its rationality, currency and expansion, which can meet the compensation command of files of machining and inspection programs according to different machine tools and different parts. The research contents of this thesis are as follows： 1) The general planing, composing and realizing of software
12、and hardware of geometric error data acquisition system of NC machine tool. 2) Research on error modeling technology based on the interface of LabVIEW and MATLAB and the realization of programable modeling. 3) Research on error parameter identification technology based on LabVIEW. 4) Research on err
13、or compensation technology based on LabVIEW. Through example simulation, the correction of error compensation model and availability of error compensation method are verified for NC machine tool. 5) With the direction of some basic theory for the object-oriented software testing technology, the effe
14、ctive testing for virtual error compensation system has been done. KEY WORDS: nc machine tools, virtual instrument, geometric error, error element modeling, error element measuring, error compensation control system iii 基 于虚拟仪器的数控机床误差采集、参数辨识研究 目 录 第一章 绪论 1 1 -1 课题研究背景及意义 1 1 -2 数控机床几何误差补偿技术研究动态 2 1
15、-3 虚拟仪器介绍 3 1-3-1 虚拟仪器的概念 3 1-3-2 虚拟仪器的特点 4 1-3-3 课题采用 LabVIEW 作为开发平台的原因 5 1 -4 课题结构 6 第二章 基于 LabVIEW 的误差采集 7 2 -1 机床误差元素的分析与分类 7 2-1-1 机床误差元素的分析 7 2-1-2 机床误差元素的分类 7 2 -2 机床误差分类 8 2-2-1 机床误差分类一 8 2-2-2 机床误差分类二 8 2-2-3 机床误差分类三 9 2 -3 机床几何误差数据采集硬件系统 9 2 -4 机床几何误差数据采集软件系统 10 2 -5 小 结 12 第三章 基于 MATLAB 的
16、误差建模 13 3 -1 误差元素建模理论简介 13 3 -2 MATLAB 软件常用命令 14 3 -3 LabVIEW 与 MATLAB 的接口 14 3-3-1 MATLAB Script 节点 14 3-3-2 MATLAB Script 节点使用示例 16 3 -4 多体系统的基本描述方法 18 3-4-1 多体系统拓扑结构的描述 18 3-4-2 多体系统中典型物体的描述 19 3 -5 机床误差元素建模应用实例 23 3 -6 基于 MATLAB 的误差建模 25 3 -7 小 结 30 第四章 基于 LabVIEW 的误差参数辨识 31 4 -1 三轴加工中心 21 项误差参数
17、辨识 31 4-1-1 二十二线测量法 31 4-1-2 十四线测量法 32 4-1-3 九线测量法 33 iv 河北工业大学硕士学位论文 4 -2 基于 MATLAB 的数控机床几何误差参数辨识 33 4-2-1 几何误差参数综合辨识 33 4-2-2 MAKINO 加工中心误差实测曲线 39 4-2-3 三轴加工中心的 21 项几何误差参数辨识结果 43 4 -3 小 结 46 第五章 基于 LabVIEW 的误差补偿 47 5 -1 误差补偿控 制方式 47 5 -2 误差补偿控制实施策略 49 5 -3 误差补偿控制方案设计 50 5-3-1 CAD/CAM 的工作过程 50 5-3-
18、2 补偿方案设想 51 5 -4 加工样件设计 52 5 -5 误差补偿实现 53 5-5-1 误差补偿模块设计 53 5-5-2 补偿算例 57 5 -6 虚拟误差补偿仪系统设计与开发 58 5-6-1 数据采集与状态监测系统设计的基本原则 58 5-6-2 数据采集与监测系统总体设计及功能模块划分 59 5-6-3 数据采集与监测系统主程序及主界面设计 59 5-6-4 监测系统的网络化及远程监测 60 5 -7 软件测试 65 5-7-1 软件测试理论及方法 65 5-7-2 软件测试 66 5 -8 小 结 69 第六章 结论 70 参考文献 71 致 谢 74 攻读学位期间所取得的相
19、关科研成果 75 v 基于虚拟仪器的数控机床误差采集、参数辨识研究 vi 河北工业大学硕士学位论文 第一章 绪 论 1 -1 课题研究背景及意义 制造业是国家综合国力的重要表征之一，更是生物医学、能源交通、航天航空等工业和研究领域的基础。它的每一次飞跃都给人类社会带来深远的影响。近年来，随着信息技术、计算机技术、微电子技术等高新技术的不断发展， 制造业领域也相应发生了深刻的变化。以 CIMS 为代表，相关的先进制造技术不断推陈出新，如柔性制造 1、并行工程 2、敏捷制造 3等。而作为先进制造技术的基础设备数控机床的完善和创新也一直是人们关注的焦点之一。 数控机床主要应用在汽车、飞机、电力、船舶
20、和机车车辆等工业领域 4，另外，一些新兴的高科技项目，如现代医药产业、数字通讯技术、微电子器件及机电一体化产品等，都需要靠数控机床来武装，数控机床的制造和应用水平深刻影响着这些相关领域的发展。尤其在我国，产品质量是保证企业在激烈的国际竞争中生存的根本。 数控机床制造行业和以数控机床为载体的众多行业从自身出发不约而同地对数控机床的精度和效率提出了更高的要求。机床行业的未来发展趋势必然是：高速化、高精度化、复合化、高技术含量化以及环保化 58。其中，高速化、高效化和高精度化是 21 世纪制造业的基本要求。 尽管我国数控行业已取得了长足的进步，但与国外同等数控机床相比，还有相当大的差距。我国数控系统
21、分为三种型级：经济型、普及型和高级型 9，这是根据我国当前市场需求的实际情况，按照技术应用的不同领域和复杂程度进行的阶段性划分。其中，经济型数控机床的生产一直 占有相当大的比重；普及型数控机床则在 90 年代得到突破，是当前我国市场需求的主体；高级型数控机床则由于成本过高、产品性能及可靠性相对落后，依旧在低谷中徘徊。从总体上看，我国数控机床在精度、高效、高可靠性以及应用方面明显落后于国外。这些都严重影响了我国其他相关产业的发展。 随着现代工业对数控机床要求的提高，我国机床行业面临着紧迫的两难问题：一方面，若维持现有成本价格，就无法满足主要用户对机床精度的需求；另一方面，若从根本上提高数控机床的
22、制造精度，无疑将导致生产成本的大幅上升，影响用户购买的积极性。对用户来 说，提高产品质量意味着需要淘汰一批精度不足的现有数控机床，这对我国大多数数控机床用户来说都是一笔不小的投入。针对我国数控机床生产和应用的具体情况，如何经济有效地提高数控机床的精度是一个极具研究价值的课题。 误差补偿技术只针对机床最终出现的误差予以自动修正，而不需对机床的结构和制造工艺作重大变更，所需费用低且调整简便，切合我国国情 1011，因而成为提高机床加工精度 12的良策。近几十年来，随着数控机床的普及和微电子技术的发展，计算机实时补偿技术软件误差补偿技术，以其灵活、通用和经济有效的特点受到国 内外相关领域的重视。利用
23、中、低档数控机床，通过软件误差补偿技术，不仅能实现高精度加工，而且还可以取代工业型数控坐标测量机，从而能大幅度降低柔性制造系统的硬件投资。美国 Michigan、 Purdue 大学以及国内有关研究机构对多坐标数控机床和加工中心的误差建模及补偿应用已进行了比较深入的探索。目前，国内外丝杠误差动态补偿、几何误差补偿已渐进成熟，热误差补偿和对带回转轴的多坐标联动数控机床的误差研究也在发展中。可以肯定地说，软件误差补偿技术的发展和完善对我国机床行业摆脱当前面临的困境有着重要的指导意义和应用价值。 近年来，国内外对有关多体系统理论方法及应用的研究相当活跃。多体系统是指多个刚体或柔体通过某种方式联结而成
24、的复杂机械系统 13。该理论方法由于具有很强的概括性、通用性和系统性，已在航天器、机器人、工程机械等领域得到应用，并在数控机床误差分析、建模和误差补偿的软件实现 1 基于虚拟仪器的数控机床误差采集、参数辨识研究 中显示出其独特的优越性，对确立数控机床的通用性和动态建模方法有显著的理论指导意义及工程实践价值。 1 -2 数控机床几何误差补偿技术研究动态 数控机床的几何误差是指由 于机床零件和结构的制造误差以及整机的装配、安装不当而造成的不随时间变化的机床加工空间定位误差。机床的几何误差是由每个滑块沿导轨运动的位姿误差和导轨在空间的相互位置偏差引起的。 随着生产过程自动化的飞速发展和精密加工 14
25、的广泛应用，对数控机床加工精度的要求日益提高，尤其是柔性制造系统（ FMS）和柔性制造单元（ FMC）提出了机床加工过程中对各种误差的自动监测和自动补偿问题。机床的热变形、运动误差及力误差已成为影响系统加工精度稳定性的关键因素。目前，误差的检测、显示、监控及补偿问题已成为机械加工特别是精密加 工和超精密加工中的瓶颈问题。 数控机床几何误差补偿方法早期主要集中在基于误差测量结果调整机床结构或加工程序上。上世 纪 50 年代，出现了采用螺距校正尺刚性补偿丝杠车床母丝杠螺距误差的方法。 Kilistor 先测出加工工件的表面误差，而后改变后续工件的数控加工代码，以校正测出的误差。 机床误差的运动学建
26、模是基于与机床上每一运动副有关的误差成分，使用合成法来估计刀具相对于工件的位置与方向误差。所有的误差成分需要通过实际测量获得，而后通过实验建模技术将误差建为机床位置与温度场的函数。在补偿过程中，补偿系统根据 运动学模型、误差分量模型以及实时反馈（如温度、位置、切削力等值）预报机床的最终误差，并实时补偿该误差。 Leete15和 French 16分别在 1961 年和 1967 年用三角关系推导了几何误差模型。 1977 年 Schultschick17用矢量表达式方法建立了三轴坐标镗床的空间误差矩阵；同年 Hocken18， Ni J19用多维误差矩阵模型提高了三维坐标测量机的测量精度。 1
27、986 年Ferreira&Liu20提出了基于刚体运动学和小角度误差假设的三轴机床几何误差的解析二次型模型。 同年Donmez 等 21推导了车床的广义误差合成模型，该模型既考虑了几何误差，也考虑了热误差。相关研究还包括 Anjanappa 的研究，他开发了一种运动学模型，可以合成立式车削加工中心的所有几何误差。 1990 年Kurtoglu 用运动学模型补偿了铣床的空间误差，该模型包括了 18 项运动副误差，但不包括垂直度误差。1992 年 Soons 提出了一种方法，可以得到包含旋转轴在内的多轴机床的误差模型。 1993 年 Chen22等人去除了刚体运动假设，开发了可以对非刚体误差进行
28、补偿的模型，该模型考虑 了 32 项误 差成分，而不是传统的 21 项成分。 1993 年 Lin&Ehmann23提出了一种直接空间误差分析方法，可以评价多轴机床工作的位置和方向误差。在国内，章青、赵小松 2425提出了基于多体理论建立多轴（包含旋转轴）数控机床定位误差模型，为实现通用自动建模技术奠定了基础。盛伯浩 26、赵宏林等27研究了机床空间误差和镗刀磨损的综合动态补偿技术，并提出了 CDC 原理及其控制单元。 相应发展的还有误差测量及参数辨识技术。目前，主要的误差测量及参数辨识方法有：光栅阵列法、DBB 测量法、一维球列法、适应 辨识法和双频激光干涉仪测线法。其中，双频激光干涉仪测线
29、法近年来有了较大的改进和完善，它从原来的二十二测量法、十四位移线测量法发展到现在的九位移线测量法，在保证高精度测量和参数辨识的同时，使得测量和参数辨识工作量及难度大大减小。 刘又午等 28利用九线法双频激光干涉仪测量几何误差，采用基于空间误差模型的加工中心几何误差参数辨识方法辨识三坐标加工中心的全部 21 项几何误差，并基于多体理论建立几何误差补偿模型。证明只要被测机床具有较好的稳定性和重复性，几何误差的辨识精度可以得到保证。本课题就是在几何误差高精 度检测设备 双频激光干涉仪的基础上进行研究的。李书和等 2930研究了一种快速检具一维球列，它根据主轴转速和 Z 坐标值，通过基于主轴转速的自回
30、归模型及插值计算公式，在加工之前就可以预测热误差，根据误差值修改加工程序达到补偿热误差的目的。这种方法属于预补偿，无需 2 河北工业大学硕士学位论文 附加任何硬件，具有精度高、效率高、价格低等优点，它可以测量机床的全部 21 项几何误差和热误差，在机床误差检测和补偿中具有广泛用途。郭俊杰等 31使用二维检具（球板或孔板），可以快速检测三坐标测量机 的空间误差。他利用多项式回归的方法，分离坐标测量机的 21 项几何误差，并在MATLAB上进行了数据仿真，证明了此方法的准确性和可靠性，其检测方法、误差模型的建立和误差补偿的原理方法也同样适用于数控机床、加工中心、机器人等领域。王东升等 32使用 R
31、enishaw 检查规测量 XY、 YZ、 XZ 平面内特定圆周上各点的空间误差，通过最小二乘法，可分解出所有 21 项几何误差。这种方法操作方便、精度高，仅用两小时即可完成全部 21 项误差的测量，为通过误差补偿提高坐标测量机的精度提供了有效手段。冯其波等 33提出了 动态测量数控机床几何误差的方法，用于在某些精密加工和高速加工场合，对数控机床进行动态测量补偿。近些年来，磁性球头棒作为一种简便、快速的测量工具，引起国内外许多学者关注 3436，他们从几何误差对误差源模式的影响出发，提出了多种误差分离方法，但是，当多个几何误差源同时起作用时，这类方法很难准确地加以分离。各种几何误差测量方法对比
32、分析如表 1.1 所示。 表 1.1 几何误差测量方法对比分析 Table 1.1 Contrasting analysis of geometric error measurement methods 检 具 精 度 可测误差 价 格 操作难易 双频激光干涉仪 高 18 项几何误差 高 困 难 球板或孔板 较 高 21 项几何误差 较 高 较困难 磁性球头棒 较 高 21 项几何误差 较 高 方 便 一维球列 较 高 21 项几何误差和热误差 低 方 便 1 -3 虚拟仪器介绍 1-3-1 虚拟仪器的概念 二十多年前，美国国家仪器公司（ National Instruments，简称 NI）
33、提出 “软件即是 仪器 ”的概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了 “软件即是仪器 ”的先河。由此，出现了与传统的模拟仪器、智能仪器完全不同的新的测试仪器虚拟仪器（ Virtual Instruments，简称 VI）。 虚拟仪器是在计算机基础上通过增加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的仪器。采用虚拟仪器的软件战略，可以达到共享硬件和软件的目的，利用通用硬件模块，可以快速方便地组建各种误差测试、补偿系统，利用计算机的强大功能，可方便地进行信号分析、数 据的处理、存储、传输以及显示等。 虚拟仪器以透明的方式把计算机
34、资源（如微处理器、内存、显示器等）和仪器硬件（如 A/D、D/A、数字 I/O、定时器、信号调理等）的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的分析处理、表达以及用户接口的图形化（如图 1.1 所示）。用户可以通过友好的图形界面（通常称为虚拟前面板）操作这台计算机，就像在操作自己定制的一台传统仪器一样。 虚拟仪器最核心的思想是利用计算机的强大资源使本来需要硬件实现的技术软件化，以便最大限度地降低系统成本，增强系统功能与灵活性。因此，虚拟仪 器受益和依赖于计算机技术。其外部特征与传统仪器相比有较大不同，其中最突出的特点就是面板、相应的控件和指示器等不再是由物理实体构成，而是被计算机内部强大的
35、图形环境和在线帮助功能建立起来的虚拟面板所代替，人们称之为 “ 软面板 ” ；从内部特征看，原来智能仪器中较为复杂的微处理器及其固件，现在大多可共享计算机内部的 3 基于虚拟仪器的数控机床误差采集、参数辨识研究 软硬件资源，并借助其完善的数据分析处理功能，实现测试仪器所需的全部测试功能。因此，从这个意义上讲，以虚拟仪器为基础所构成的自动测试系统方案应 具备如下基本要素和特征： 1) 以个人计算机为核心； 2) 具有足够的仪器硬件功能； 3) 有强大的仪器操作、测试软件为支撑； 4) 强调在通用计算机平台上用灵活的虚拟软面板实现仪器的测试和控制等功能。 插入式 DAQ 卡 信号处理 网络传输 G
36、PIB 仪器 数字滤波 硬复制 VXI 仪器 统 计 文件 I/O RS-232 分 析 图形用户接口 采集处理 数据分析 结果表达 图 1.1 虚拟仪器内部功能划分 Fig. 1.1 Internal function partition of virtual instrument 1-3-2 虚拟仪器的特点 虚拟仪器的特定形式使其具有如下特点： 1) 强调 “ 软件就是仪器 ” 的新概念。在虚拟仪器中，仪器的功能和性能的实现，除了必备的硬件系统之外，大多采用硬件软件化或以软件代硬件技术，来完成复杂的控制、分析或处理等功能。因而从这个意义上讲，虚拟仪器对软件更具依赖性。 2) 打破传统仪器小
37、而全，且各仪器资源不能共享的现状。可将传统仪器的公共部分如显示、存储、打印及微处理器控制管理等，都由计算机来完成 ，即无论任何功能的仪器都可利用或共享计算机的这些公共资源，无需重复的设计。 3) 具有模块化、开放性、互换性及其资源的重复性等特点，同时可方便、经济地组建或重构自动测试系统。用户可根据自己的需要选购不同功能的卡式或模块化仪器，并可随测试任务的不同而灵活组合，提高仪器资源的可再用性。 4) 可自定义仪器功能。传统仪器在出厂时，其功能已经确定，用户不能根据自己的需要而随时进行修改，只能一机一用。而虚拟仪器可借助通用采集装置，通过编制不同的软件测试方案，构造几乎任意功能的仪器，故 “ 软
38、件就是仪器 ” 再次得到体现。 5) 采用虚拟 仪器，硬件测试设备与计算机之间的数据 “ 交流 ” 将变得方便、直接、迅速。对于普通的测试设备，所得到的测试数据一般需要测试人员手工实时记录。如果数据量比较大，就将使得测试过程变得很冗长、很复杂，不可避免地引起测试误差。而且有些常用测试仪器只能对被测对象作定性测试。如果采用虚拟仪器技术，测试设备所得到的测试结果将会实时、直接的通过计算机的总线，传输到计算机的内存或硬盘，供以后分析使用。这样，一方面避免了数据的传输问题；另一方面，可以充分利用计算机的存储能力。 6) 根据工程的实际需要，使用人员可以通过软件编程或采用现有 分析软件，实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理，如完成 DFT、 FFT 运算、 PID 控制、模糊逻辑控制、联合时频分析、数字信号处理、数学分析和数据库联接、统计分析参数调整、单位转换等工作，从而对被测控对象进行进一步的控制。 4
