[发明专利]一种数控机床主轴热误差智能感知系统和感知方法

权利要求书

1.一种数控机床主轴热误差智能感知系统，其特征在于该感知系统包括若干个温度传感器节点、若干个位移传感器节点、后台数据处理中心和热误差补偿执行模块；所述后台数据处理中心分别与温度传感器节点和位移传感器节点连接；所述后台数据处理中心与热误差补偿执行模块连接；

所述温度传感器节点分布在机床主轴温度敏感点上；所述温度传感器节点包括温度传感器、第一处理器模块、第一ZigBee发送模块和第一电源模块；所述第一电源模块分别与温度传感器、第一处理器模块和第一ZigBee发送模块连接；所述第一处理器模块分别与温度传感器和第一ZigBee发送模块连接；

所述位移传感器节点夹持在机床三轴位移测量点上；所述位移传感器节点包括位移传感器、第二处理器模块、第二ZigBee发送模块和第二电源模块；所述第二电源模块分别与位移传感器、第二处理器模块和第二ZigBee发送模块连接；所述第二处理器模块分别与位移传感器和第二ZigBee发送模块连接；

所述后台数据处理中心包括ZigBee协调器、嵌入式ARM处理器和FPGA芯片；所述ZigBee协调器与嵌入式ARM处理器连接；所述FPGA芯片与嵌入式ARM处理器连接；所述ZigBee协调器分别与第一ZigBee发送模块和第二ZigBee发送模块连接；所述FPGA芯片与数控机床的机床控制中心的热误差补偿执行模块连接；所述嵌入式ARM处理器与上位机连接。

2.根据权利要求1所述的数控机床主轴热误差智能感知系统，其特征在于所述温度传感器为铂热电阻PT100，测量范围为1-100℃。

3.根据权利要求1所述的数控机床主轴热误差智能感知系统，其特征在于所述位移传感器为电涡流位移传感器AEC5503，探头为PU-03A，量程为1mm。

4.根据权利要求1所述的数控机床主轴热误差智能感知系统，其特征在于所述第一处理器模块和第二处理器模块采用51单片机。

5.根据权利要求1所述的数控机床主轴热误差智能感知系统，其特征在于FPGA芯片与稳压模块连接。

6.根据权利要求1所述的数控机床主轴热误差智能感知系统，其特征在于所述嵌入式ARM处理器的型号为AT91SAM7S64C。

7.根据权利要求1所述的数控机床主轴热误差智能感知系统，其特征在于所述FPGA芯片的型号为EP2C20。

8.一种数控机床主轴热误差的感知方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一：进行FPGA的BP人工神经网络训练，建立热误差神经网络模型：将存储的实验数据输入至FPGA芯片中进行FPGA神经网络训练，得到热误差神经网络模型；

步骤二：搭建热误差感知系统，测量数控机床主轴工作时的热误差并传送至ZigBee协调器；

(1)搭建热误差感知系统：温度传感器节点安装于机床主轴温度敏感点，位移传感器节点位于主轴X、Y和Z三轴正向；ZigBee协调器建立传感器组网，温度传感器节点和位移传感器节点加入所建立的组网；温度传感器节点和位移传感器节点将处理完成的温度和位移信号传送至ZigBee协调器中；

(2)运行机床前，位移传感器节点记录机床主轴初始位置；启动数控机床并使主轴空转，主轴达到热平衡后，温度传感器节点记录主轴温度敏感点的此刻温度，位移传感器节点记录主轴三轴的最终位置，并与初始位置比较得到三轴变形量；温度传感器节点和位移传感器节点采集、处理和存储数控机床热误差信号并传送至ZigBee协调器；

步骤三：ZigBee协调器接收主轴工作时的热误差数据，输入至热误差神经网络模型并输出热误差补偿脉冲：

(1)ZigBee协调器接收到温度传感器和位移传感器发送的温度和位移信号并传送至嵌入式ARM处理器；

(2)嵌入式ARM处理器接收到ZigBee协调器传送的温度和位移信号后对数据进行归一化处理并存储至自身Kflash中；

(3)FPGA芯片以嵌入式ARM处理器存储的温度传感器节点和位移传感器节点测量的数据为输入层节点，输入至步骤一得到的热误差神经网络模型，得到热误差补偿脉冲；

步骤四：将热误差补偿脉冲信号发送至数控机床的机床控制中心的热补偿执行模块中，将热误差补偿脉冲信号与数控机床的原始反馈信号进行叠加，并将叠加后的反馈信号传输至机床控制中心以控制机床X、Y和Z三轴的运动方向，完成数控机床主轴热误差补偿。