熱誤差檢測(cè)及補(bǔ)償APP
一、企業(yè)簡(jiǎn)介
沈陽(yáng)機(jī)床（上海）智能系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)有限公司（前身沈陽(yáng)機(jī)床上海研究院）致力于面向機(jī)床行業(yè)的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)及云制造技術(shù)的產(chǎn)品研發(fā)和技術(shù)儲(chǔ)備。迄今為止，上海分公司已經(jīng)針對(duì)沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）所涵蓋的業(yè)務(wù)領(lǐng)域內(nèi)自主研發(fā)了一系列的產(chǎn)品，包括i5系列智能數(shù)控系統(tǒng)、HSHA系列伺服驅(qū)動(dòng)器及WIS車(chē)間信息系統(tǒng)等產(chǎn)品。
沈機(jī)智能在完成i5運(yùn)動(dòng)控制核心技術(shù)的研發(fā)與i5數(shù)控系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化之后，進(jìn)一步提出社會(huì)化的開(kāi)發(fā)思路，將i5運(yùn)動(dòng)控制核心技術(shù)進(jìn)行模塊化封裝，以平臺(tái)形式向數(shù)控行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈上下游的參與方（包括大中小型制造企業(yè)、裝備供應(yīng)商、個(gè)體開(kāi)發(fā)者、創(chuàng)客等）開(kāi)放，為數(shù)控技術(shù)在各個(gè)垂直領(lǐng)域的應(yīng)用與推廣打造通用的工業(yè)APP開(kāi)發(fā)、應(yīng)用與分享的平臺(tái)。該平臺(tái)于2017年11月向全世界發(fā)布，即被業(yè)界所熟知i5OS工業(yè)操作系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱為“i5OS”）
二、工業(yè)APP簡(jiǎn)介
（一）、問(wèn)題定位
機(jī)床熱誤差是引起零件加工誤差的最主要因素之一，對(duì)于鉆攻機(jī)來(lái)說(shuō)，主軸熱伸長(zhǎng)可達(dá)到10絲以上，嚴(yán)重影響加工精度。目前熱誤差補(bǔ)償存在以下幾個(gè)問(wèn)題：
1、要以較高的代價(jià)獲得建模數(shù)據(jù)；
2、熱誤差模型魯棒性和預(yù)測(cè)精度較差；
3、補(bǔ)償方式與CNC集成度不高。
鑒于上述問(wèn)題，在搭載i5OS系統(tǒng)的機(jī)床上開(kāi)發(fā)了熱誤差自動(dòng)測(cè)量和補(bǔ)償APP。它能解決由于主軸熱伸長(zhǎng)引起的工件尺寸的不一致性，提高加工效率，提高CPK指標(biāo)，減少能耗，降低對(duì)操作工人的技術(shù)要求。
（二）、創(chuàng)新點(diǎn)
熱誤差自動(dòng)測(cè)量和補(bǔ)償APP可實(shí)現(xiàn)主軸Z向熱伸長(zhǎng)的自動(dòng)采集和基于工況的熱誤差模型的建立及預(yù)測(cè)，CNC將補(bǔ)償值平均分配到每個(gè)插補(bǔ)周期中，在冷機(jī)、停機(jī)恢復(fù)狀態(tài)下無(wú)需熱機(jī)，保持較高的尺寸一致性和加工精度。
（三）、功能介紹
熱誤差自動(dòng)測(cè)量和補(bǔ)償APP實(shí)現(xiàn)如下功能：
1、建模數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集：包括熱伸長(zhǎng)的自動(dòng)測(cè)量（自動(dòng)生成對(duì)刀儀測(cè)量子程序；參數(shù)的設(shè)置：采集周期，刀號(hào)、安全位置等；熱伸長(zhǎng)的自動(dòng)保存）、溫度數(shù)據(jù)和主軸轉(zhuǎn)速的采集和保存溫度數(shù)據(jù)的采集和保存；
圖1 參數(shù)設(shè)置界面
圖2 自動(dòng)對(duì)刀設(shè)置界面
2、熱誤差建模：根據(jù)建模文件，自動(dòng)建立熱誤差模型，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中；
3、熱誤差預(yù)測(cè)：
(1) 、參數(shù)設(shè)置，包括補(bǔ)償周期和最大補(bǔ)償值的設(shè)置；
(2) 、熱誤差預(yù)測(cè)：根據(jù)事先建立的熱誤差模型，預(yù)測(cè)當(dāng)前溫度和轉(zhuǎn)速下的熱誤差量，將其發(fā)送給CNC進(jìn)行補(bǔ)償。
圖3 熱誤差預(yù)測(cè)界面
4、日志管理：自動(dòng)保存補(bǔ)償時(shí)間、溫度、主軸轉(zhuǎn)速和預(yù)測(cè)值，以便以后的數(shù)據(jù)分析及問(wèn)題追溯；
5、其它：App在CNC開(kāi)機(jī)時(shí)和奔潰時(shí)自啟動(dòng)，無(wú)需用戶干預(yù)；按F2可打開(kāi)和關(guān)閉前臺(tái)UI；具有溫度和預(yù)測(cè)量異常處理功能。
（四）、功能和技術(shù)指標(biāo)優(yōu)勢(shì)
1、廢品率：在不進(jìn)行熱機(jī)的情況下，減少不合格產(chǎn)品率；
2、CPK指數(shù)：提高零件尺寸的一致性，熱誤差在上下2絲以內(nèi)；
3、生產(chǎn)效率：在加工中無(wú)需通過(guò)經(jīng)常對(duì)刀來(lái)保證尺寸的一致性；
4、能耗：在冷機(jī)、停機(jī)恢復(fù)后無(wú)需熱機(jī)，節(jié)約10%的能耗。
三、技術(shù)方案說(shuō)明
（一）、工業(yè)APP架構(gòu)
熱誤差測(cè)量和補(bǔ)償系統(tǒng)目前針對(duì)的是M1.4主軸Z向的熱伸長(zhǎng)檢測(cè)和補(bǔ)償，包括硬件和軟件（App）兩部分組成。硬件部分包括對(duì)刀儀和自主研發(fā)的溫度采集裝置，其中對(duì)刀儀用于自動(dòng)采集主軸熱伸長(zhǎng)量；溫度采集裝置包括溫度傳感器、溫度配送器和采集卡，采集主軸測(cè)溫點(diǎn)的溫度和環(huán)境溫度，通過(guò)總線的方式傳輸給CNC,熱伸長(zhǎng)測(cè)量和補(bǔ)償模塊讀取CNC里面的參數(shù)值即可獲得溫度值，分別用于建立熱誤差模型和后續(xù)的熱伸長(zhǎng)量的建立。
App部分是在i5OS框架上開(kāi)發(fā)的，包括后臺(tái)數(shù)據(jù)處理、前臺(tái)UI和數(shù)據(jù)庫(kù)。前臺(tái)UI包括相關(guān)參數(shù)的設(shè)置、操作和相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示。用戶可按F2快捷鍵在前臺(tái)和后臺(tái)之間進(jìn)行切換。數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)了建模文件、熱誤差模型、日志文件和配置文件。后臺(tái)數(shù)據(jù)處理包括信息交互、數(shù)據(jù)分析和建模以及熱誤差預(yù)測(cè)。
圖4 產(chǎn)品架構(gòu)圖
（二）、工業(yè)APP關(guān)鍵技術(shù)
熱誤差測(cè)量和補(bǔ)償系統(tǒng)APP采用了如下關(guān)鍵技術(shù)：
1、熱伸長(zhǎng)自動(dòng)采集：通過(guò)App與PLC的交互，控制對(duì)刀儀在每個(gè)采集周期內(nèi)執(zhí)行自動(dòng)測(cè)量子程序，獲得當(dāng)前刀尖點(diǎn)Z向坐標(biāo)反饋給App，App自動(dòng)計(jì)算相對(duì)于冷態(tài)下的熱伸長(zhǎng)量；涉及到的技術(shù)是PLC處理邏輯的編寫(xiě)。
2、熱誤差建模和預(yù)測(cè)技術(shù)：基于最小二乘向量機(jī)建模方法建立熱誤差模型，并采用貝葉斯推理優(yōu)化方法獲得模型的最優(yōu)參數(shù)值，提高模型的擬合精度。針對(duì)最小二乘向量機(jī)模型的魯棒性較差的問(wèn)題，對(duì)權(quán)向量進(jìn)行加權(quán)處理，提高模型的魯棒性。
此外將主軸轉(zhuǎn)速加入到模型中，一方面提高模型對(duì)各種工況的魯棒性，另一方面克服溫度超前或滯后于熱誤差的問(wèn)題（即溫度變化的速度快于或慢于熱誤差的變化），提高預(yù)測(cè)精度。
四、應(yīng)用情況描述
（一）、應(yīng)用場(chǎng)景描述
目前該熱誤差測(cè)量和補(bǔ)償App在云端應(yīng)用商城上架，通過(guò)設(shè)備端的i5OS的軟件管家上下載安裝，經(jīng)授權(quán)后使用，下載安裝后需配合自主研發(fā)的溫度采集裝置（包含兩或三個(gè)傳感器和一個(gè)采集卡，傳感器數(shù)量視機(jī)床類(lèi)型而定）及對(duì)刀儀一起使用。首次使用時(shí)，分別在主軸測(cè)溫點(diǎn)處和機(jī)床側(cè)面板吸附上溫度傳感器，并將溫度采集卡通過(guò)網(wǎng)線形式與CNC連接，配置溫度引腳值。其次安裝和調(diào)試對(duì)刀儀，然后在自動(dòng)測(cè)量頁(yè)面配置對(duì)刀儀測(cè)量參數(shù)，生成測(cè)量子程序。接著運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的建模程序，對(duì)刀儀在每個(gè)采樣周期內(nèi)執(zhí)行一次測(cè)量子程序，直到建模程序結(jié)束；最后建立好熱誤差模型后即可進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償。
（二）商業(yè)化情況
該APP已在3C行業(yè)金屬切屑加工領(lǐng)域的云科江門(mén)公司和汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)領(lǐng)域機(jī)加工領(lǐng)域的豪銘艾德金屬制品有限公司應(yīng)用。
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