CN101183049B - 数控铣床误差自动测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种数控铣床误差自动测量装置，包括杠杆式电感测步距规、杠杆式电感测位仪、夹持机构和数据采集与处理器；杠杆式电感测位仪的测头与步距规的测量基准面接触，杠杆式电感测位仪的夹持端与夹持机构的夹持端相连接；杠杆式电感测位仪与数据采集与处理器相连接，用于向数据采集与处理器传输位移信号。本发明提高数控铣床误差测量的效率，降低误差测量、评价及补偿操作的复杂性和误差测量成本。

Description

数控铣床误差自动测量装置

技术领域

本发明涉及数控铣床的误差测量、评价及补偿领域。

技术背景

数控铣床作为新一代工作母机，在机械制造中已得到广泛的应用，精密加工技术的迅速发展和零件加工精度的不断提高，对数控机床的精度也提出了更高的要求。定位精度(也称位置精度)是数控机床的一项重要指标，各数控机床生产厂家在机床出厂时，都需要对其位置精度进行标定；同时，用户在选购数控机床时，往往也十分看重机床的定位精度，特别是各轴的定位精度和重复定位精度。大量统计资料表明：65.7％以上的新机床，安装时都不符合其技术指标；90％使用中的数控机床处于失准工作状态。因此，对机床工作状态进行监控和对机床精度进行定期测试是非常必要的，以便及时发现和解决问题，提高零件加工精度。

现有商品化数控系统都具有螺距误差补偿功能，通常在数控机床出厂时，需要对其精度进行测量，并在数控系统中输入螺距误差补偿数据。机床用户在使用一段时间后，机床精度会裂化，有必要对机床进行重新校正。当前，误差检测、评价及补偿是机电联调工作中重要的一环，它是制约机床大批量生产的一个原因之一。因此，寻求一种简单、快速和低成本的误差检测、评价及补偿装置和方法，尤为必要，特别是对于大量生产和消费的中、低档数控机床来说，软件补偿方法廉价，不需要添加硬件，因此它具有重要的应用价值和现实意义。

而现有的数控机床误差测量方法主要有激光干涉仪，步距规与千分表组合以及光栅尺，这些方法存在一定的局限性，其中激光干涉仪操作复杂、效率低、成本高及使用环境要求高；步距规与千分表组合方法，其中重要的问题，大部分工作需要人的参与，如数据需要人来读取和处理，这样大大提高出错的可能性，同时效率低；光栅尺，安装不便，现有的类似的测量系统没有考虑补偿，如海德汉(Heidenhain)直线光栅误差测量系统。目前，铣床误差测量主要采用激光干涉仪，它存在前面所述的缺点。从现有专利来看，如申请号200510035936，公开日2007.01.10，公开号CN1892175，发明创造名称为“三坐标误差补偿系统及方法”的专利申请文件公布的技术方案为：利用激光镭射干涉仪等高精度测量仪器测量三坐标机床的误差，建立误差模型，利用独立的误差模块，根据输入的坐标值，由误差模型计算误差，输出补偿后的实际坐标值。因为需要手动输入坐标值，因此其补偿不方便。申请号200410093428.1，公开日2005.06.29，公开号CN1631614，发明创造名称为“基于机床外部坐标系偏置的数控机床误差实时补偿器”的专利申请文件公布的补偿器在补偿时需要与数控系统的底层硬件连接，同时在实时输出补偿误差时，需与数控系统的运动控制同步，因此应用不方便。申请号为92204762.6，公开日1992.09.09，公开号CN2115516，发明创造名称为“T型机床误差检具”的专利申请文件公布的误差检具在安装测量过程中非常复杂。

发明内容

本发明的目的是提高数控铣床误差测量的效率，降低误差测量成本。

一种数控铣床误差自动测量装置包括杠杆式电感测步距规、杠杆式电感测位仪、夹持机构和数据采集与处理器；杠杆式电感测位仪的测头与步距规的测量基准面接触，杠杆式电感测位仪的夹持端与夹持机构的夹持端相连接；杠杆式电感测位仪与数据采集与处理器相连接，用于向数据采集与处理器传输位移信号。

所述步距规放置在夹具上，夹具包括两两垂直相交的底面、正面和侧面，侧面内部放置有磁体。

所述数据采集与处理器包括：

参数设置模块用于设置参数数据；

G代码生成模块用于接收来自参数设置模块的参数数据，生成数控机床运动指令；

测量装置校正模块用于接收来自参数设置模块的参数数据、来自杠杆式电感测位仪的位移信号、手动输入的杠杆式电感测位仪的实际位移和步距规点位置之间的实际间距，计算得到测量装置误差数据，将其传送给误差测量模块；

位姿测量模块用于接收来自杠杆式电感测位仪的位移信号和手动输入的机床指令移动距离，根据位移信号获取位移数据，利用位移数据和机床指令移动距离计算步距规相对被测量轴的位姿数据，将位姿数据传送给误差测量模块；

误差测量模块用于接收来自参数设置模块的参数数据、来自杠杆式电感测位仪的位移信号、来自测量装置校正模块的测量装置误差数据和来自位姿测量模块的位姿数据，根据位移信号获取位移数据，判断机床的运、停状态，利用测量装置误差数据和位姿数据修正位移数据，对修正后的位移数据进行处理形成误差数据，将误差数据传送给数据拼接模块；

数据拼接模块用于接收来自参数设置模块的参数数据和来自误差测量模块的误差数据，生成整个机床运动行程的误差数据。

所述数据采集与处理器还包括误差补偿模块，其用于接收来自参数设置模块的参数数据和来自数据拼接模块的误差数据，对误差数据进行处理生成相应的误差补偿数据。

所述数据采集与处理器还包括精度评价模块，其用于接收来自参数设置模块的参数数据和误差拼接模块的误差数据，根据预定评价标准对误差数据进行分析和处理，得到评价结果。

所述夹持机构采用磁力表座。

本发明提出使用不需调整测量装置位姿的测量方法，利用测量装置本身的测量功能，对测量装置本身的位姿进行快速测量，在误差测量的过程中，根据测量获得的位姿数据，直接对测量数据进行修正，达到快速和准确测量数控铣床误差的目的。针对测量装置在制成后，本身存在制造误差和非线性引起的误差，同时使用后，会出现精度的裂化，特设计了测量装置校正模块，把相关装置的在不同位置的实际位移数据输入系统，在以后的测量过程中，系统可以自动修正由于测量装置误差引起的误差，提高测量精度；本发明可用来测量大行程机床的误差，即较短长度的步距规也可测量大行程的机床，这样降低了测量装置的成本。数据采集与处理器自动生成G代码以及自动处理测量数据生成相应数控系统所需的补偿数据，将其传送给CNC，实现快速的误差补偿，同时通过对误差数据的处理，快速获得用户所需的精度指标和误差分布。本发明使用环境要求不高，能应用于加工企业对使用中机床的精度检测和精度强化，最终提高加工精度。

附图说明

图1为本发明系统结构图；

图2为本发明数据采集与处理系统功能模块图；

图3为本发明测量装置自调整原理图，其中，图3a为步距规主视图，图3b为步距规俯视图；

图4为本发明的接力测量原理图；

图5为本发明测量Z轴示意图；

图6为本发明测量Z轴夹具图；

图7为本发明参数设置流程图；

图8为本发明G代码生成流程图；

图9为本发明测量装置校正流程图；

图10为本发明步距规位姿测量流程图；

图11为本发明误差测量流程图；

图12为本发明数据拼接流程图；

图13为本发明精度评价流程图；

图14为本发明误差补偿流程图。

具体实施方式

本发明主要应用在数控铣床上。图1为本发明结构图，该系统包括步距规1、杠杆式电感测位仪2、夹持机构3、数据采集与处理系统6。其中步距规1放置在机床4工作台上，夹持机构3的夹持端与杠杆式电感测位仪2的夹持杆紧密相连，夹持机构3的另一端吸附在机床4的主轴箱上，起到固定杠杆式电感测位仪2的作用，杠杆式电感测位仪2与步距规1测量基准面接触。杠杆式电感测位仪2与数据采集与处理器6连接，用于向数据采集与处理6传输位移信号。数据采集与处理器自动生成的数控机床运动指令程序(G代码文件)和补偿数据，并由网络或串口通讯程序传输给CNC5。

本发明采用传统的步距规1与杠杆式电感测位仪2的组合作为测量装置，其测量原理与步距规1和百分表组合的测量原理一样。现在高精度步距规的材料是大理石，它具有精度高，热膨胀系数小，因此精度高。杠杆式电感测位仪3，选择量程小，如200um，其精度高达1um左右，而机械式的千分表精度达到6um左右。本发明采用杠杆式电感式测位仪2，便于实现自动化，提高测量效率和数据处理的方便性。本发明中的夹持机构3采用磁力表座。

在测量铣床Z轴时，需要夹具7夹具安放在工作台上，步距规竖立，其定位面与夹具7的定位面接触，保证步距规定位面与机床Z轴的平行。

如图2所示，数据采集与处理器4包括八个模块：参数设置模块61、G代码生成模块62、测量装置校正模块63、位姿测量模块64、误差测量模块65、数据拼接模块66、精度评价模块67和误差补偿模块68。

参数设置模块61主要完成对测量和补偿相关的参数设置，包括数控系统类型、测量点数、间距、测量轴、回零方向等参数，生成参数数据，并向G代码生成模块62、测量装置校正模块63、误差测量模块65、数据拼接模块66、精度评价模块67及误差补偿模块68提供参数数据。

G代码生成模块62，接收来自参数设置模块61的参数数据，提取参数数据中的测量点数、间距、测量轴、回零方向、暂停时间等参数，生成数控机床运动指令，即G代码。

测量装置校正模块63用于计算得到测量装置误差数据，将其传送给误差测量模块65。测量装置误差数据包括杠杆式电感测位仪2装置误差数据和步距规1装置误差数据。获取杠杆式电感测位仪2装置误差数据的方法为：测量装置校正模块63采集杠杆式电感测位仪2的位移信号，根据位移信号获得信号位移值；向测量装置校正模块63手动输入杠杆式电感测位仪2的实际位移值，实际位移值与信号位移值相对应，实际位移值由激光干涉仪等高精度仪器来测取，标定的范围要覆盖整个测量量程，这个过程最好与机床配合完成；测量装置校正模块63根据信号位移值和实际位移值计算得到杠杆式电感测位仪2装置误差数据。获取步距规1装置误差数据的方法为：向测量装置校正模块63手动输入步距规点位置之间的实际间距值，实际间距值是利用激光干涉仪等高精度仪器标定得到的；测量装置校正模块63根据实际间距和参数数据中的步距规点数、间距参数计算得到步距规5装置误差数据。

位姿测量模块64计算步距规1基准与被测量轴之间的角度关系，即步距规1相对被测量轴的位姿数据，并传送给误差测量模块65。

误差测量模块65在机床运行的同时采集杠杆式电感测位仪2的位移信号，根据位移信号获得位移数据，并根据位移数据判断机床的运、停状态，根据来自测量装置校正模块63的装置误差数据和来自位姿测量模块64的位姿数据修正位移数据，对修正后的位移数进行处理，形成误差数据，并将误差数据传送给数据拼接模块66。

数据拼接模块66处理来自误差测量模块65的误差数据，按照接力测量原理生成整个机床运动行程的误差数据，将误差数据传送给精度评价模块67和误差补偿模块68。

精度评价模块67接收来自参数设置模块61的参数数据和误差拼接模块66的误差数据，根据预定评价标准对误差数据进行分析和处理，得到并输出评价结果，即反向间隙、定位精度、重复定位精度和误差分布曲线，为进一步分析误差源提供基础。

误差补偿模块68接收来自参数设置模块61的参数数据和来自数据拼接模块66的误差数据，根据参数数据中的数控系统类型参数采用双向或单向的误差补偿方式对误差数据进行处理，生成相应的误差补偿数据，将该传送给CNC5，覆盖数控系统CNC5中误差补偿数据，实现误差补偿。

如图3所示，本发明的步距规位姿测量和误差修正原理。如何测量步距规基准与被测轴的角度，如图3所示，先让测头接触步距规基准面上任一点D，使得测位仪有一定的读数，沿被测轴移动机床，移动到E，并记录机床移动量，移动过程中，表头读数在D和E位置的相对值为EF，则步距规基准与被测轴定位夹角β＝arctg(^DF/_FE)。以测量一节为例，说明误差修正，如图3所示，当步距规基准与被测轴平行时，测量头接触点A和C，当不平行时，测量头接触点A和点B，这时测量获得的误差中包含由于步距规与被测轴不平行引起的误差E＝AB-AC＝AC/cosθ-AC，其中θ与β为相等，当已知此误差，可在误差测量时消除由于步距规与被测轴不平行对测量结果的影响。

如图4所示，本发明的接力测量的应用，当已测量完步距规在I位置的所有测量量程范围内点的误差，即机床位置点B、C、D、E和F相对于位置点A的误差，然后，移动步距规到II位置，位置点F点F₁重合(考虑机床误差连续性，不需严格重合，即在一定的误差范围内可满足测量要求)，测量其中机床位置点G、H、I、J、K相对于点F₁的误差，则点G、H、I、J、K相对于点A的误差为步距规在第II位置时测量的机床位置点的误差分别加上在第I位置时机床位置点F的误差，同理，可以接力多次，测量机床整个行程的误差。

图5是本发明测量立式铣床Z轴示意图，步距规吸附在一个简单的夹具上，夹具7放置在工作台上，夹持机构3吸附在主轴箱上，移动机床依次测量整个行程，而测量X、Y轴时，不需夹具，直接把步距规放置在机床4的工作台上即可测量。

图6是本发明测量Z轴夹具图，步距规1竖立放置在夹具7底面上，它与底面的上表面接触，底板的下表面与机床工作台接触，在底面一侧有一L型的结构，此结构包括一个正面和一个与正面垂直的侧面，两面的交线与底板的下表面垂直，保证了步距规与Z轴平行。在L型结构的侧面内部镶有磁体，保证了步距规与侧面的紧密接触，不需附加夹紧装置。在接力测量时，可以在步距规1与夹具7的底板之间加入垫块，达到测量整个行程的目的。

图7是本发明的参数设置流程图，设置数控系统类型(可选择的系统包括华中数控、广州数控、西门子、法拉克和马扎克等)、测量点数、测量点之间的间距、测量轴、回零方向、循环次数及暂停时间等参数，其中若不需生成G代码，不需设置回零方向、循环次数及暂停时间参数，保存参数数据，为其它模块提供参数数据。

图8是本发明自动生成G代码流程图，接收来自参数设置模块41生成的参数数据，提取其中的测量点数、测量间距、回零方向、测量循环次数、暂停时间及测量轴等参数，自动生成G代码文件，与CNC5的串口或网络通讯程序配合，可把此文件直接传输到CNC5中的任意位置。

图9是本发明测量装置校正流程图。标定步距规1时，提取步距规1的间距和点数等参数，手动方式输入此对应步距规1位置的由激光干涉仪等高精度仪器标定的实际值，系统自动计算在此位置时步距规1装置误差数据；标定杠杆式电感测位仪2时，系统自动采集杠杆式电感测位仪2的位移信号，获得其信号位移值，同时用高精度仪器(如激光干涉仪)测量实际位移值，把此值手动输入测量装置校正模块63的数据输入接口。系统根据信号位移值和实际位移值计算得到杠杆式电感测位仪2装置误差数据

如图10所示，本发明位姿测量流程图。步距规基准与被测量轴夹角测量，在此过程中，系统自动判断测量过程的开始和结束，通过等时采样，确定采集的数据对应的机床指令移动位置，为最小二乘的方法求其夹角提供数据，此数据用于误差测量模块65对测量数据修正。

如图11所示，本发明误差测量流程图。为了使得软件系统能适合不同测量方式，软件系统提供误差数据手动输入接口，可接受来自其他测量方式(如激光干涉仪、光栅尺)条件下测量获得的机床误差数据，为精度评价模块67和误差补偿模块68提供误差数据。当测量方式为步距规5方式时，数据采集与机床需要保持协调，即测量的误差数据与指令位置相对应，而误差测量模块65与机床之间没有通讯，为了实现数据采集与机床协调，系统通过采集杠杆式电感测位仪2的位移信号，根据其变化，自动判断机床的静止或运动状态，当机床运动到目标点时，系统自动记录杠杆式电感测位仪2的位移数据。重复这个采集和判断过程，当采集的点数达到参数设置的点数，根据来自测量装置校正模块63的装置误差数据和位姿测量模块64的位姿数据修正位移数据，对位移数据进行处理，生成误差数据，并保存误差数据。

图12是本发明数据拼接流程图，选择由误差测量模块65生成的误差数据，按接力测量时，按照机床位置先后选取误差数据，在拼接时也要按这个顺序进行拼接，修改参数中测量点数和间距参数，根据接力测量的原理处理数据，最终获得整个行程的误差数据，为后面的精度评价67、误差补偿等模块68提供数据。

图13是本发明精度评价流程图，选定评价标准，评价标准有ISO标准、欧洲标准、日本标准及国家标准，标准不同，评价的处理的算法也不同。然后，选择误差拼接模块66获得的误差数据，根据选定的标准对误差数据进行处理，输出评价结果，输出的评价指标有反向间隙、定位精度和重复定位精度。另外，为了更好地了解误差分布和误差源，同时输出反向间隙曲线、误差曲线和误差的重复性曲线。

图14所示，本发明误差补偿流程图，首先选择误差补偿的方式，误差补偿的方式有单向和双向。然后选取数据拼接模块66生成的误差数据，根据参数设置模块61生成的参数数据，对误差数据进行处理，生成相应数控系统的误差补偿数据，与CNC5的串口或网络通讯程序配合，把此数据直接传输到CNC5中，覆盖数控系统中的误差补偿数据，即可快速实现误差补偿。

Claims (4)

1.一种数控铣床误差自动测量装置，其特征在于，包括步距规

(1)、杠杆式电感测位仪(2)、夹持机构(3)和数据采集与处理器

(6)；杠杆式电感测位仪(2)的测头与步距规(1)的测量基准面接触，杠杆式电感测位仪(2)的夹持端与夹持机构(3)的夹持端相连接；杠杆式电感测位仪(2)与数据采集与处理器(6)相连接，用于向数据采集与处理器(6)传输位移信号；

所述数据采集与处理器(6)包括：

参数设置模块(61)用于设置参数数据；

G代码生成模块(62)用于接收来自参数设置模块(61)的参数数据，生成数控铣床运动指令；

测量装置校正模块(63)用于接收来自参数设置模块(61)的参数数据、来自杠杆式电感测位仪(2)的位移信号、手动输入的杠杆式电感测位仪(2)的实际位移和步距规(1)点位置之间的实际间距，计算得到测量装置误差数据，将其传送给误差测量模块(65)；

位姿测量模块(64)用于接收来自杠杆式电感测位仪(2)的位移信号和手动输入的铣床指令移动距离，根据位移信号获取位移数据，利用位移数据和铣床指令移动距离计算步距规(1)相对被测量轴的位姿数据，将位姿数据传送给误差测量模块(65)；

误差测量模块(65)用于接收来自参数设置模块(61)的参数数据、来自杠杆式电感测位仪(2)的位移信号、来自测量装置校正模块(63)的测量装置误差数据和来自位姿测量模块(64)的位姿数据，根据位移信号获取位移数据，判断铣床的运、停状态，利用测量装置误差数据和位姿数据修正位移数据，对修正后的位移数据进行处理形成误差数据，将误差数据传送给数据拼接模块(66)；

数据拼接模块(66)用于接收来自参数设置模块(61)的参数数据和来自误差测量模块(65)的误差数据，生成整个铣床运动行程的误差数据；

精度评价模块(67)用于接收来自参数设置模块(61)的参数数据和误差拼接模块(66)的误差数据，根据预定评价标准对误差数据进行分析和处理，得到评价结果；

误差补偿模块(68)用于接收来自参数设置模块(61)的参数数据和来自数据拼接模块(66)的误差数据，对误差数据进行处理生成相应的误差补偿数据。

2.根据权利要求1所述的数控铣床误差自动测量装置，其特征在于，所述步距规(1)放置在夹具(7)上，夹具(7)包括两两垂直相交的底面、正面和侧面。

3.根据权利要求2所述的数控铣床误差自动测量装置，其特征在于，所述侧面内部放置有磁体。

4.根据权利要求1至3任一项所述的数控铣床误差自动测量装置，其特征在于，所述夹持机构(3)采用磁力表座。

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