CN101122791A - 数控机床定位误差实时补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数控机床定位误差实时补偿装置，基于机床外部坐标系偏置的数控机床定位误差实时补偿器，包括计算处理模块、温度传感器采集变送模块和数控接口控制模块。计算处理模块中的计算处理系统在采集数控机床温度信号的同时，还接收来自数控系统的机床坐标位置信号，并将这两种信号输入预先设置的定位误差数学模型中计算得到补偿值，并通过数控系统的接口将补偿值送入数控机床，利用机床数控系统中的外部坐标系偏置功能实时调整机床的运动位置，完成补偿过程。本发明主要通过接口和软件的设计完成补偿操作，对原有数控系统和加工程序不产生任何影响，硬件相对比较简单，软件修改灵活，通用性强。

Description

数控机床定位误差实时补偿装置

技术领域

本发明涉及一种数控机床定位误差实时补偿装置，能实时调整刀具与被加工零件的相对位置，使数控机床获得更高的加工精度。属于精密机床技术或精密加工领域。

背景技术

经过多年发展，我国机床生产取得了很大成绩，已跻身机床生产大国行列，但就技术水平和整体实力而言，在世界上仅处于第二梯队的中前位置。目前，我国生产的数控机床约占国内市场份额的31％，其余从境外进口。时下我国中高端数控机床市场的绝大部分被境外产品占领，其中高端数控机床国内产品的市场占有率仅4％左右。随着现代制造业对精密加工零件的要求越来越高，对高精度的数控机床的需求将越来越大，如果单纯依赖进口，不仅花费大量外汇，而且往往在先进机床进口时受制于人，因此提高我国机床产品的精度和可靠性有着十分巨大的意义。

提高机床精度有两种基本方法：误差防止法和误差补偿法。误差防止法是试图通过设计和制造途径消除或减少可能的误差源。误差防止法采用的是“硬技术”，它虽能减少原始误差，但靠提高机床制造和安装精度来满足机床的精度有着很大的局限性，经济上的代价往往很昂贵，特别是需要进口更精密的机床作为生产机床的工作母机。误差补偿是指人为地造出一种新的误差去抵消或大大减弱当前成为问题的原始误差，通过分析、统计、归纳及掌握原始误差的特点和规律，建立误差数学模型，尽量使人为造出的误差和原始误差两者的数值相等、方向相反，从而减少加工误差，提高零件尺寸精度。误差补偿采用的是“软技术”，其投入的费用与提高机床本身精度或新购买高精度机床相比较，价格要低得多。误差补偿技术是一项具有显著经济价值并十分有效的提高机床精度的手段。

目前，数控机床的定位误差补偿的方法主要有根据测量得到的误差数据对数控程序进行修改，在开放式数控系统中则可以作为后置处理的参数进行处理；还有一种方法也是最常用的方法就是利用数控系统具有的误差补偿功能，将误差数据以表格的形式输入数控系统对螺距误差和背隙误差等进行补偿。但是，这些补偿方法最大的缺点在于，机床在使用过程中，随着机床温度场的变化，这些机床的定位误差会随着温度的变化而变化，如果温度变化造成的定位误差过大，将很大程度上影响工件的加工精度。因此，必须设计出一种实用和性能价格比高可以对数控机床定位误差进行实时补偿的补偿装置。目前，数控机床误差实时补偿技术及其实时补偿器在国外的工厂企业中大批量应用的并不很多，还没达到商业化程度；在国内则主要还处于实验室阶段，虽然也有文献提到研制了补偿装置，但是应用实施复杂、适用面窄，不具有普遍性，难以推广实际应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种数控机床定位误差实时补偿装置，可以根据温度和位置参数对数控机床定位误差进行实时补偿，提高数控机床的加工精度，而装置结构简单，使用方便、成本较低。

为实现这一目的，本发明采用数控系统中机床外部坐标系偏置功能，根据数控机床的坐标位置和温度来调整数控机床上的刀具与被加工零件的相对位置，以使得被加工零件获得更精确的尺寸或使得数控机床获得更高的加工精度。

本发明的数控机床定位误差实时补偿装置主要包括计算处理模块、温度传感器采集变送模块、数控接口控制模块。计算处理模块包括计算处理系统和外部I/O扩展子模块；温度传感器采集变送模块包括A/D转化子模块、温度变送器子模块和温度传感器；数控接口控制模块包括补偿器侧接口和数控机床侧接口。

计算处理模块中，计算处理系统与温度传感器采集变送模块中的A/D转化子模块相连，外部I/O扩展子模块通过数控接口控制模块与数控机床相连，将机床的位置信号传送到计算处理系统。

温度传感器采集变送模块中，若干温度传感器分别置于数控机床的各个测量点，温度传感器的输出经温度变送器子模块连接到A/D转化子模块，计算处理系统与A/D转化子模块相连，获得机床的温度信号。

计算处理系统根据机床的位置信号和温度信号，利用预设的定位误差数学模型，产生补偿信号并将补偿信号通过数控接口控制模块传输到机床，利用数控机床外部坐标系偏置功能，完成补偿过程。

温度传感器采集变送模块主要由温度传感器、温度变送器子模块和A/D转化子模块组成。温度传感器置于数控机床的床身，通过导线与温度变送器子模块连接，温度变送器子模块对传感器信号进行调理转变为可检测的电压或电流信号后，A/D转化子模块将由温度变送器输出的模拟信号转变为可供计算处理和存储的数字信号，计算处理系统根据编制的程序，依次读入每个传感器通道所对应数据地址的数值并保存在存储器的对应地址中。数控接口控制模块是本发明实现数控机床定位误差补偿的关键。计算处理模块通过数控接口控制模块与数控机床相连，外部I/O扩展子模块通过总线和计算处理系统相连，并通过数控接口控制模块的补偿器侧接口转化为可以和数控机床相连的数控机床侧接口。计算处理系统一方面将机床位置信号读入，另一方面，将数控机床的定位误差补偿控制信号，包括信号触发、补偿轴和补偿值等输出到数控机床，由数控系统根据机床外部坐标系偏置功能所需的这些输入参数，对数控机床进行外部坐标的偏置运动。

本发明的补偿信号通过数控机床的标准输入输出接口进入数控系统，利用数控系统的机床外部坐标系偏置功能来实现误差的实时补偿。在使用中不需要对加工程序和数控系统本身运行指令进行修改，主要是通过接口技术和计算处理模块的程序，并只需对机床PMC(可编程序机床控制器)的原有梯形程序添加相应的数据输入输出程序等软技术改动即可实现补偿功能。

因此，本发明装置对原有数控系统和加工程序不产生任何影响，而且硬件相对比较简单，大大降低补偿装置的成本，软件修改灵活，通用性强，这可以为本装置在数控系统定位误差领域进行推广应用提供了基础。

附图说明

图1是本发明装置的结构框图。

图2是本发明装置的工作传输流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明装置的结构如图1所示，由计算处理模块、温度传感器采集变送模块、数控接口控制模块构成。计算处理模块包括计算处理系统和外部I/O扩展子模块；温度传感器采集变送模块包括A/D转化子模块、温度变送器子模块和若干温度传感器；数控接口控制模块可以包括补偿器侧接口和数控机床侧接口。

计算处理模块中，计算处理系统通过总线与温度传感器采集变送模块中的A/D转化子模块相连，外部I/O扩展子模块与计算处理系统相连，并通过数控接口控制模块与数控机床相连，将机床的位置信号传送到计算处理系统。同时外部I/O扩展子模块将计算处理系统产生的补偿信号通过数控接口控制模块传输到机床。

本发明中的数控接口控制模块可以包括补偿器侧接口和数控机床侧接口，外部I/O扩展子模块与数控接口控制模块中的补偿器侧接口连接，然后通过转化后的数控机床侧接口与数控机床相连。本发明装置中提供了和数控机床相连的接口，在数控机床侧只需在PMC(可编程机床控制器)的梯形图中增加数据输入输出的程序即可，只有当数控机床的输入输出接口不够时，才需在数控机床处进行接口扩展。

温度传感器采集变送模块中，若干温度传感器分别置于数控机床的各个测量点，温度传感器的输出经温度变送器子模块连接到A/D转化子模块，温度传感器的输出信号接入温度变送器子模块，通过变送器调理后输出为符合要求的电压或者电流信号，这些信号通过A/D转化子模块转化为可进行计算处理的数字信号。计算处理系统与A/D转化子模块通过数据总线相连，获得机床的温度信号。

计算处理系统根据编制的程序和通讯协议，实现数控机床位置信号和温度信号的读取，并一起作为数控机床定位误差数学模型的输入，预测出误差补偿所需的机床外部坐标系的偏置量，通过数控接口控制模块向机床PMC发出触发信号，同时输出补偿所需的坐标轴及对应的补偿数值等参数，PMC得到触发后将这些数值读入并由相应的轴控伺服单元进行实时处理，利用数控机床外部坐标系偏置功能对机床进行偏移运动，完成定位误差补偿过程。

本发明的工作流程如图2所示，当启动补偿装置后，装置首先要进行初始化，一切正常之后，则由计算处理系统发出数据采集指令，从温度传感器所对应的数据地址处依次读入机床上各测量点的温度数值到计算处理系统的存储器，同时向PMC发送读入位置参数的触发信号，并将机床所对应的位置信号参数读入存储器。当数据采集完成之后，则根据定位误差的数学模型计算当前温度条件当前位置处的误差值。为了防止机床坐标原点偏置的误操作，造成加工误差，还要对这个误差值进行判定，如果过大则取消偏置操作，如果较大则以预定的上限值进行补偿，这一预定上限值一般为机床可能出现的最大误差值。当误差数据完成判定并调整为正确的补偿值之后，由计算处理系统生成补偿参数，这些补偿参数包括补偿功能代码、补偿轴、补偿值，补偿方向(以补偿值的正负表示)。有了这些补偿参数之后，再次向PMC发出触发信号，要求读入这些补偿参数，当PMC接收完这些补偿信号之后，一次补偿工作完成，系统重新进入数据采集过程。

机床补偿的控制主要通过补偿装置和数控机床的PMC的信息交换完成。机床进入正常工作之后，读入零件的加工程序，PMC按照原有的梯形图程序进行工作，也就是新加入的梯形图程序对原有机床工作没有任何影响。在工作过程中，PMC接收到触发信号则进入补偿工作流程，如果得到的是要求发送位置参数的触发信号，则PMC将数控系统CNC中位置寄存器的位置参数输出，输出信号包括坐标轴的轴号和位置参数，当所有轴的位置信号都输出完毕时，继续进入PMC的原有程序，如果得到的是请求输入补偿值的触发信号，则PMC将补偿装置发送的补偿信号，包括轴号和补偿值读入CNC系统，并由轴控伺服单元进行轴的偏移操作。同样，完成操作后，PMC继续运行原有程序。很显然，添加的补偿程序梯形图对原有的机床工作没有任何影响，只有得到触发时才会进行补偿工作。

可以看到本发明装置的最大优点在于这种补偿方式既不影响CNC中的坐标值，也不影响CNC控制器上执行的工件程序，因而，对操作者而言，这种方法可以说是不可见的，不影响原来的正常操作。

Claims (1)

1.一种数控机床定位误差实时补偿装置，其特征在于由计算处理模块、温度传感器采集变送模块、数控接口控制模块构成；计算处理模块包括计算处理系统和外部I/O扩展子模块；温度传感器采集变送模块包括A/D转化子模块、温度变送器子模块和若干温度传感器；数控接口控制模块包括补偿器侧接口和数控机床侧接口；

计算处理模块中，计算处理系统与温度传感器采集变送模块中的A/D转化子模块相连，外部I/O扩展子模块通过数控接口控制模块与数控机床相连，将机床的位置信号传送到计算处理系统；

温度传感器采集变送模块中，若干温度传感器分别置于数控机床的各个测量点，温度传感器的输出经温度变送器子模块连接到A/D转化子模块，计算处理系统与A/D转化子模块相连，获得机床的温度信号；

计算处理系统根据机床的位置信号和温度信号，利用预设的定位误差数学模型，产生补偿信号并将补偿信号通过数控接口控制模块传输到机床，利用数控机床外部坐标系偏置功能，完成补偿过程。