CN101751001A - 工具机热误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工具机热误差补偿方法，于一工具机的至少一热源位置设置温度传感器；驱动该工具机于一运转条件下运转，使热源位置发热；由该温度传感器感测热源位置的温度，并产生温度感测信号；由一结构导热运算单元读取该温度感测信号，以及该工具机的运转条件信息，计算并输出至少一节点温度；以及，由一误差补偿运算单元读取该节点温度，并计算出该工具机的热误差补偿量。

Description

工具机热误差补偿方法

技术领域

本发明涉及一种工具机热误差补偿方法，尤其是涉及一种考虑工具机结构几何设计与材料性质，通过结构导热运算单元及误差补偿运算单元补偿工具机热误差的方法。

背景技术

热误差的问题是精密机械研发过程中永远必须面对的课题；自1960年代起，相关研究便未曾间断过，其主要目的乃是发展系统化的设计逻辑或是补偿方法，借此来抑制或改善工具机因温度变异所产生的误差，进而提升工具机的精度与稳定性。虽然全球专家学者于工具机热误差相关的研究投入已近半个世纪，但对于近来精密模具、生医应用、消费性电子等产业的精微加工需求，温度变异对于机台精度的影响更是不容忽视，发展有效且可靠的热误差因应技术，已是近年来工具机技术发展必要投入的重点项目。

工具机种类繁多，例如综合加工中心机、攻牙加工中心机、锯床、车床、放电加工机、铣床、磨床、钻床、攻牙机、焊接切割设备、冲床、折床、金属加工机等机械及其外围设备；通常，工具机热源种类可分为外部与内部热源；外部热源主要包括外在环境与人为影响所造成的温度变异，内部热源则是包括机械本体运转过程中产生的热，机械本体热源主要有各轴向马达、主轴、冷却系统、导轨或螺杆等运动接口所产生的热量。不管是外部或是内部热源，上述各种热源会以传导、对流、或是辐射的方式来改变机械结构的热状态，致使刀具尖点产生位移而造成所谓的热误差。根据研究文献记载，工具机加工总误差量约有40-70％是由热误差所贡献，可见其对于工具机加工精度的影响，扮演着绝对关键的角色。一般而言，针对工具机热误差的因应策略主要可分为两种方式，一种是采用被动补偿方式，通过建构工具机热误差预测模型，以软件方式来进行误差量的补偿；另一种策略则是采用主动抑制方式，于设计阶段即设法让误差产生量降低，其目的在于控制或避免热误差的生成。相较于主动热抑制的设计方式，采取热误差软件补偿的手段更具有便利性且符合经济效益，它并非直接移除或减少工具机产生的热误差，而是利用实验量测结果进行运算分析，通过软件方式来弥补误差的影响，此种方法也广受国外工具机厂使用，例如日本Mazak与Okuma、瑞士Mikron等。因此，如何改善现有补偿技术，研发更精确、更可靠的热误差补偿方法，乃是工具机业者长期以来持续投入的目标。

关于热误差补偿方法架构的研究与以往技术，概述如下。

例如公开文献，C.H.Lo，J.Yuan，J.Ni，An application of real-timeerror compensation on a turning centre，International Journal ofMachine Tools and Manufacture 35(12)(1995)1669-1682。该文献主要公开一种关于工具机实时误差补偿方法，通过工具机本体的温度感测、轴向位置、以及刀具信息，利用预建的误差模型计算出位置误差预测值，进而传送至控制器完成补偿动作。文中说明为清楚了解整机结构可能的热误差行为，于工具机上布建了80个温度传感器，之后利用实验结果进行分析，以减少实际应用时的传感器数目。该研究说明了热误差补偿技术的开发，必须仰赖完整的工具机温度感测信息，方能提供充分信息以建构误差模型；然而，在工具机上布建高达80个温度传感器的方法，不仅布置困难度极高，同时增加了技术发展的成本、限制了实用性。

例如中国台湾新型专利公告M290082号“工具机的热补偿装置”，主要针对热误差补偿方法建构一套装置，包括将若干温度传感器设置于工具机的热量产生位置或热集中位置、一用以获取温度传感器所测得的温度数据的温度卡，以及一用以作系统监控、运算数据及控制补偿系统的控制器，该控制器包含有宏程序单元与可程序逻辑控制单元，借此对工具机的主轴与进给系统运转所造成的热量进行监控，并通过控制器系统运算补偿主轴的热误差，以达成工具机加工精度准确性。该案主张的专利申请范围为误差补偿所需相关组件与装置，运作原理主要是利用感测组件所测得的信号，通过其自制的程序语言，运算出热误差量进行补偿，与上述文献采用的手段相似，因此，该装置对于温度感测信息的全面掌握程度(即传感器的布局)，同样具有高度的依赖性，换言之，由于过度依赖温度传感器，因此未设置温度传感器的部位则无法进行检测分析。

例如中国台湾专利公开200812746号“工具机的高解析智能型热补偿方法”，该案揭露一种控制器系统，其包含宏程序单元，利用内部的程序获取工具机主轴转速区段作为补偿依据，判断出主轴转速的范围区段，并施以具智慧判断的方式得出合适的补偿方程式以计算出补偿量，将补偿量以控制器的最小移动单位为基础，提升成为一高解析补偿量；借此补偿方法，使热误差量更容易控制，有效提升工具机精密补偿的移动，增进工具机的热补偿功能。为获得更多利于建立补偿模型的参考信息，该专利主要将主轴各种不同的转速条件纳入考虑，并以最小移动单位进行补偿；但，对于结构其它内部热源在不同位置与不同进给条件时，其交互作用下产生的影响则无从得知。

例如美国发明专利6167634号“Measurement and compensation systemfor thermal errors in machine tools”，该专利主要针对工具机主轴与进给系统的热误差，提出一种工具机的热误差量测与补偿模块系统，该补偿系统由若干个温度传感器、A/D转换器、位置检知、误差运算、以及模型数据库等构成。在主轴说明方面，主要利用九个温度传感器与五个电容式位移计，来量测主轴的温升与误差量，并利用量测结果来建构误差预测模型。在进给系统方面，则是利用十二个温度传感器与雷射干涉仪来量测，并建立在不同进给速率条件下的误差模型数据库。该专利除考虑主轴不同转速外，也考虑了不同进给速率对于热误差的影响，借此强化误差模型的准确性；然而，如同先前专利技术，此法高度依赖温度传感器的布建方式，对于整体结构几何、构件相对位置、热源交互作用等因素都无考虑，如此使得此法较适用于与实验条件相同的加工场合，对于实验条件外的应用状况，补偿模型的可靠度便降低许多。

根据上述公开文献及以往专利可知，以往技术采取的热误差补偿方法主要包括三步骤：

(1)利用温度传感器量测工具机热量发生位置或最聚集位置，并获取；

(2)利用以数学统计方法建构的误差补偿模型，将感测到各点温度数据转换为热误差补偿量值；

(3)将补偿量值传送至控制器进行补偿。

而上述以往热误差补偿的缺点，可归纳如下：

1)缺乏结构整体物理信息：由于热误差的产生主要来自于温度变异对于整体结构的影响，以往技术对于误差模型的建立仅参考各个单点温度的感测信息，无法反应出结构整体设计相关的物理信息，如几何形状与材料性质。

2)热源交叉效应不易判断：对于工具机而言，当各轴向在不同位置时，各种热源彼此相对的位置随之改变，其交互作用所导致结构的热误差则变得不易判断。换言之，即使在相同的感测温度条件下，也可能产生不同的热误差；因此，对于以往技术而言，便需要仰赖大量的实验决定感测布局方式，以降低此种情形发生的机率。

3)有限的温度信息供模型使用：由于热误差运算的参数依据，主要来自于传感器所测得的温度值，因此，传感器的布局方式大幅影响补偿模型的正确性与可靠性，然而，欲了解加工机整体结构的温度行为，必须使用大量的感测组件，增加了技术发展成本。

4)模型准确性与可靠度低：因为上述三个因素，导致了补偿模型的准确性及可靠度不佳。

发明内容

有鉴于以往技术的缺点，本发明要解决的技术问题是提出一种工具机热误差补偿方法，将工具机的结构设计模型、材料信息导入热误差补偿的流程，通过热源温度的感测，便可计算、掌握整体结构温度行为信息，提供了补偿模型所需要的充分信息，增加其正确性与可靠性，进而提高工具机的加工精度表现。

为了解决上述技术问题，本发明提出一种工具机热误差补偿方法，于一工具机的至少一热源位置设置温度传感器；驱动该工具机于一运转条件下运转，使热源位置发热；由该温度传感器感测热源位置的温度，并产生温度感测信号；由一结构导热运算单元读取该温度感测信号，以及该工具机的运转条件信息，计算并输出至少一节点温度；以及，由一误差补偿运算单元读取该节点温度，并计算出该工具机的热误差补偿量。

上述工具机热误差补偿方法，其特点在于，该温度传感器所产生的温度感测信号为模拟信号，将该模拟信号先送入一模拟/数字转换器，通过该模拟/数字转换器将模拟信号转换为数字信号后，再将该数字信号送入该结构导热运算单元。

上述工具机热误差补偿方法，其特点在于，该结构热传运算单元中储存有该工具机的结构有限元素分析模型信息。

上述工具机热误差补偿方法，其特点在于，该结构热传运算单元计算节点温度的步骤包含：读取温度感测信号以及该工具机的运转条件信息；针对模型信息设定热源温度与位置；计算结构热传温度分布；输出该工具机的热集中处与特殊几何特征的节点温度。

上述工具机热误差补偿方法，其特点在于，该结构有限元素分析模型信息包括该工具机的几何与材料性质等参数。

上述工具机热误差补偿方法，其特点在于，该误差补偿运算单元包含一补偿模型数据库，该补偿模型数据库通过进行各种不同实验所建立，其储存不同运转条件下、描述温度信息与热误差关系的函数数据库。

上述工具机热误差补偿方法，其特点在于，该误差补偿运算单元计算热误差补偿量的步骤包含：读取节点温度；根据该工具机的运转条件，于该补偿模型数据库搜寻适当的误差模型；以及，将节点温度代入误差模型，计算出该工具机的热误差补偿量。

上述工具机热误差补偿方法，其特点在于，通过多变量回归、类神经网络等统计方法描述温度信息与热误差关系。

上述工具机热误差补偿方法，其特点在于，该工具机的热源包括外部环境、主轴、伺服马达、轴承、螺帽及滑块位置。

上述工具机热误差补偿方法，其特点在于，该工具机具有一控制器，由该控制器接收该热误差补偿量，以对工具机进行补偿。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2为本发明于工具机热源设置温度传感器的示意图；

图3为本发明的结构导热运算单元的运作流程图；

图4为应用本发明的工具机结构热传运算的节点分布示意图；

图5为本发明的误差补偿运算单元的运作流程图。

100-工具机热误差补偿方法流程

101～105-步骤

200-工具机

201-底座

202-立柱

203-主轴头座

204-鞍座

205-工作台

206-轴向伺服马达

207-马达轴承端

208-尾座轴承端

209-螺帽

210、211-滑块

30A～30G-温度传感器

300-结构热传运算单元计算节点温度流程

301～304-步骤

40-节点

500-误差补偿运算单元计算热误差补偿量流程

501～503-步骤

具体实施方式

以下将参照附图来描述本发明为达成目的所使用的技术手段与功效，而以下附图所列举的实施例仅为辅助说明。

请参阅图1所示本发明所提供的工具机热误差补偿方法的流程100，其包含以下步骤：

步骤101：于一工具机的至少一热源位置设置温度传感器；

请参阅图2所示于工具机热源设置温度传感器的示意图，该工具机200主要由一底座201、一立柱202、一主轴头座203、一鞍座204及一工作台205构成，将温度传感器30A～30G安装于该工具机200的热源或其附近位置，关于该工具机200的热源位置并无限定，一般工具机热源包括主轴、伺服马达、轴承、螺帽、滑块等位置，也即工具机运转时产生摩擦的部位，除了工具机本身发热的因素，同时考虑外部环境温度对于工具机的影响，因此，以图2所示该实施例而言，其中该温度传感器30A安装于该工具机200的外部环境中，该温度传感器30B安装于该工具机200的轴向伺服马达206，该温度传感器30C安装于该工具机200的马达轴承端207，该温度传感器30D安装于该工具机200的尾座轴承端208，该温度传感器30E安装于该工具机200的螺帽209，该温度传感器30F、30G安装于两个相对直线运动结构件间的滑块，如该鞍座204与该底座201间的滑块210、211。将温度传感器30A～30G于该工具机200设置定位后，再执行以下步骤102。

步骤102：驱动该工具机200于一运转条件下运转，使热源位置发热；该运转条件包括该工具机200的各轴向位置、进给速率等，于不同运转条件下，该工具机200的发热量也会不同；

步骤103：由温度传感器30A～30G感测热源位置的温度，并产生温度感测信号；

步骤104：由一结构导热运算单元读取该温度感测信号，以及该工具机200的运转条件，计算并输出至少一节点温度；于该结构热传运算单元中储存有该工具机200的结构有限元素分析模型信息，该结构有限元素分析模型信息包括该工具机200的几何与材料性质等参数；

请参阅图3所示，该结构热传运算单元计算节点温度的流程300，包含以下步骤：

步骤301：读取温度感测信号以及该工具机200的运转条件；

步骤302：针对模型信息设定热源温度与位置；

步骤303：计算结构热传温度分布；

步骤304：输出该工具机200的热集中处与特殊几何特征的节点温度。

由以上步骤可知，该结构导热运算单元综合温度感测信号、工具机运转条件及模型信息，进行结构热传运算，以掌握工具机200各构件的温度分布信息，进而运算出该工具机200的节点温度，如图4所示，结构导热运算单元运算出该工具机200的热集中处与特殊几何特征的节点40的温度(图中圆圈标示处均为节点位置)，必须说明的是，当该工具机200的运转条件不同时，温度感测信号及模型信息也随之不同，因此该结构导热运算单元所运算出的节点位置、节点数量及节点温度也会不同，图4仪为示意图而已。

此外，前述该温度传感器30A～30G(显示于图2)所产生的温度感测信号为模拟信号，因此先将该模拟信号送入一模拟/数字转换器(图中未示出)，通过该模拟/数字转换器将模拟信号转换为数字信号后，再将该数字信号送入该结构导热运算单元进行运算。

步骤105：由一误差补偿运算单元读取该节点温度，并计算出该工具机的热误差补偿量；该误差补偿运算单元包含一补偿模型数据库，该补偿模型数据库通过进行各种不同实验所建立，其储存不同运转条件下、描述温度信息与热误差关系的函数数据库，描述工具可为一般现有的多变量回归、类神经网络或其它统计方法。

请参阅图5所示，该误差补偿运算单元计算热误差补偿量的流程500，包含以下步骤：

步骤501：读取节点温度；

步骤502：根据该工具机的运转条件，于该补偿模型数据库搜寻适当的误差模型；

步骤503；将节点温度代入误差模型，计算出该工具机的热误差补偿量。

将所计算得出的热误差补偿量传送至工具机的控制器(图中未示出)，即可由控制器对工具机进行补偿。

综上所述，本发明提供的工具机热误差补偿方法，将工具机的结构设计模型、材料信息导入热误差补偿的流程，通过热源温度的感测，便可计算、掌握整体结构温度行为信息，提供了补偿模型所需要的充分信息，增加其正确性与可靠性，进而提高工具机的加工精度表现，此外，本实施例所适用的工具机种类并无限定，例如综合加工中心机、攻牙加工中心机、锯床、车床、放电加工机、铣床、磨床、钻床、攻牙机、焊接切割设备、冲床、折床、金属加工机等机械及其外围设备均可。

本发明针对现有技术的缺点所提出的热误差补偿方法，主要具有以下优点：

1)应用结构设计等物理信息：利用工具机开发阶段所产生的CAD模型，导入结构几何设计与材料热传相关性质参数并建构其有限元素模型，强化误差运算所需的信息来源。

2)仅需热源温度感测：对于传感器的布局，仅需感测热源或其附近位置即可，不需要通过大量实验来选择传感器的数目与最佳位置。

3)考虑结构热传现象：利用建构的有限元素模型，通过热源温度感测的条件输入，可快速计算出结构整体的热传温度分布。

4)提供充足温度信息供模型使用：通过结构热传的运算功能，可获取整体结构特殊几何特征处或热源交互影响集中处的温度信息，提供完整且充足的信息供误差模型建立与运算使用。

5)提高模型准确度与可靠度：因为充分掌握整机结构的温度行为，提高了误差模型的准确性与可靠度。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种工具机热误差补偿方法，其特征在于，包含下列步骤：

设置温度传感器于一工具机的至少一热源位置；

驱动该工具机于一运转条件下运转，使热源位置发热；

通过该温度传感器感测热源位置的温度，并产生温度感测信号；

通过一结构导热运算单元读取该温度感测信号，以及该工具机的运转条件信息，计算并输出至少一节点温度；以及

通过一误差补偿运算单元读取该节点温度，并计算出该工具机的热误差补偿量。

2.如权利要求1所述的工具机热误差补偿方法，其特征在于，该温度传感器所产生的温度感测信号为模拟信号，将该模拟信号先送入一模拟/数字转换器，通过该模拟/数字转换器将模拟信号转换为数字信号后，再将该数字信号送入该结构导热运算单元。

3.如权利要求1所述的工具机热误差补偿方法，其特征在于，该结构热传运算单元中储存有该工具机的结构有限元素分析模型信息。

4.如权利要求3所述的工具机热误差补偿方法，其特征在于，该结构热传运算单元计算节点温度的步骤包含：

读取温度感测信号以及该工具机的运转条件信息；

针对模型信息设定热源温度与位置；

计算结构热传温度分布；

输出该工具机的热集中处与特殊几何特征的节点温度。

5.如权利要求3所述的工具机热误差补偿方法，其特征在于，该结构有限元素分析模型信息包括该工具机的几何与材料性质等参数。

6.如权利要求1所述的工具机热误差补偿方法，其特征在于，该误差补偿运算单元包含一补偿模型数据库，该补偿模型数据库通过进行各种不同实验所建立，其储存不同运转条件下、描述温度信息与热误差关系的函数数据库。

7.如权利要求6所述的工具机热误差补偿方法，其特征在于，该误差补偿运算单元计算热误差补偿量的步骤包含：

读取节点温度；

根据该工具机的运转条件，于该补偿模型数据库搜寻适当的误差模型；以及

将节点温度代入误差模型，计算出该工具机的热误差补偿量。

8.如权利要求6所述的工具机热误差补偿方法，其特征在于，通过多变量回归、类神经网络等统计方法描述温度信息与热误差关系。

9.如权利要求1所述的工具机热误差补偿方法，其特征在于，该工具机的热源包括外部环境、主轴、伺服马达、轴承、螺帽及滑块位置。

10.如权利要求1所述的工具机热误差补偿方法，其特征在于，该工具机具有一控制器，由该控制器接收该热误差补偿量，以对工具机进行补偿。

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