CN101943896A

CN101943896A - 数控机床误差的轨迹再生补偿方法

Info

Publication number: CN101943896A
Application number: CN 201010228662
Authority: CN
Inventors: 傅建中; 贺永; 姚鑫骅; 沈宏垚; 陈子辰
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2010-07-16
Filing date: 2010-07-16
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2030-07-16
Also published as: CN101943896B

Abstract

本发明公开了一种数控机床误差的轨迹再生补偿方法。首先，在机床上布置温度传感器，对机床的几何误差及热误差进行测量，然后建立机床误差模型；其次，误差补偿控制器将待加工的数控轨迹进行离散，并读取温度传感器的数据；再次，误差补偿控制器将离散后的节点坐标及温度数据代入机床误差模型中获得该坐标所对应的误差，然后将该误差叠加到该节点的坐标上，并根据修正后的坐标点重构出数控轨迹；最后，误差补偿控制器将重构后的轨迹送入数控系统进行加工，从而实现数控机床误差的补偿。和其他补偿方法相比，本发明具有灵活方便，适应性强，不需要改动数控系统等优点。

Description

数控机床误差的轨迹再生补偿方法

技术领域

本发明涉及数控机床误差补偿方法，尤其是涉及采用外置补偿控制器补偿的一种数控机床误差的轨迹再生补偿方法。

背景技术

数控机床的加工精度是衡量数控机床工作性能的重要指标，影响机床的加工精度中尤以几何误差及热误差所占的误差比例最大。几何误差是由于机床整体结构变形所造成的误差，对于大型数控加工机床而言，部件的自重及装配时的工艺都可能导致结构出现较大的变形。而大量的研究表明，热误差是数控机床等精密加工机械的最大误差源，占总误差的70％左右，而对于超精密机床而言，甚至达到近90％。由于数控机床在加工过程中不可避免地存在内外部热源，特别是内部热源，必然导致热变形误差的产生。

机床的几何误差及热误差可以优化机床设计、提高数控机床的制造精度、采用全闭环等硬件提高的方式降低，但该方法会导致数控机床造价大幅上升。而通过误差补偿技术提升机床的精度是一种经济而有效的方法，该方法在不改变机床结构和制造精度基础上对数控机床加工中所产生的各种误差进行在线检测、预测并进行误差补偿从而提高机床加工精度。

目前对机床几何误差及热误差的建模已经有较多的研究，也提出诸如神经网络、最小二乘、支持向量机、多体理论等建模方法。但在具体的误差补偿实现方法上研究的不多，目前主要有数控系统内嵌误差补偿模块、反馈中断补偿法、原点平移补偿法三种补偿实现方式。

数控系统内嵌误差补偿模块需要由数控系统开发厂商提供，并提供外部的补偿接口，供用户修改误差补偿模型，数控系统根据修改后的数据在一个粗插补周期内修正误差，从而最终实现其补偿。该方法的优点是可在一个粗插补周期内补偿所有的误差，补偿精度高，但在实际应用中有如下问题：提供完整的误差补偿接口的数控厂商较少，由于机床的总体误差是一个空间误差，其计算处理都比较复杂，会耗费大量的运算资源。同时由于机床误差和具体的机床类型直接相关，其误差补偿接口不具有通用性。目前主流的数控系统厂商仅提供一些简单的单维补偿功能，如垂直度补偿、轴伸长补偿等，而对整个空间的几何误差及热误差的补偿还未见有商业化的数控系统问世。

反馈中断法将热误差模型的计算数值直接插入到伺服系统的位置反馈环中而实现的。通过误差补偿控制器获取进给轴伺服电机的编码器反馈信号，同时该补偿控制器还计算出当前位置机床的误差，然后将误差信号和编码器反馈信号叠加，指令伺服系统据此实时调节机床的进给位置。该方法的主要问题是实现时需要对数控系统的硬件进行修改，极容易破坏数控系统的稳定性，因而目前极少见具体应用。

原点平移补偿法也是通过误差补偿控制器计算当前时刻机床的误差，和数控系统通讯，将该误差信号叠加到整个工件加工坐标上，使得加工零件的工件坐标整体偏移以最终实现其误差的补偿。该方法不需要对数控系统硬件进行修改，实现方便。该方法的缺点是补偿的误差有限，由于是把将要加工的若干段轨迹进行整体偏移，其误差补偿的有效性是建立在轮廓各处的热误差都相同的基础上的。这时如果轨迹两端的热误差相差比较大，会导致最终的补偿效果很差，有些情况下还不如未补偿时的效果。

发明内容

为了方便可行的进行数控机床的几何误差及热误差补偿，本发明的目的在于提供一种数控机床误差的轨迹再生补偿方法，通过在加工时根据误差重构加工轨迹，实现数控机床误差的有效补偿。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的步骤如下：

1)在机床本体上布置温度传感器，对机床的几何误差及热误差进行测量，然后将测量数据输入到误差补偿控制器中，建立机床误差模型获得机床的几何误差及热误差和机床坐标及温度信号间的关系；

2)误差补偿控制器将待加工的轨迹进行轨迹离散，并读取温度传感器的数据；

3)误差补偿控制器将离散后的每段坐标及温度数据代入机床误差模型中获得该坐标所对应的误差，并将该坐标对应的误差叠加到该点的坐标上，并根据修正后的坐标点重构出轨迹；

4)误差补偿控制器将重构后的轨迹送入数控系统进行加工，从而实现数控机床误差的补偿。

所述的待加工的轨迹进行轨迹离散，其离散步长要δ满足以下条件，找到一个半径值，使得以该值为半径的球滚到机床的加工空间内任意位置时，该球内所包含点的坐标的误差都小于A，该半径值即为离散步长δ，其中A为根据零件加工精度要求确定系统的误差补偿精度向量。

所述的误差补偿控制器具备如下功能：温度采集、轨迹离散、轨迹重构、机床误差建模、和数控系统通讯，将修正后的轨迹传到数控系统中进行加工。

所述的修正后的坐标点重构出轨迹是B样条曲线、非均匀有理B样条曲线或多项式曲线。

所述的误差补偿控制器和数控系统的通讯方式包括串口、并口、网口或光纤。

所述的建立机床误差模型的方法包括最小二乘、支持向量机或神经网络。

本发明具有的有益的效果是：

本发明和其他实现数控机床误差补偿的方法相比具有结构简单、模块化好、和数控系统无关等优点。通过本方法可以补偿数控机床的几何误差及热误差，从而在机床成本几乎不变的情况大幅提高机床的加工精度。

附图说明

图1是机床误差的轨迹再生补偿方法原理。

图2是轨迹离散及重构过程示意图。

图3是机床误差的轨迹再生补偿方法软件流程图。

图4是测得的机床X轴方向的几何误差图。

图5是测得的机床Y轴方向的几何误差图。

图6是测得的机床Z轴方向的几何误差图。

图7是实施例中测得的机床热误差图。

图8是实施例中补偿后测得的X方向的机床误差图。

图9是实施例中补偿后测得的Y方向的机床误差图。

图10是实施例中补偿后测得的Z方向的机床误差图。

图中：1.原始轨迹，2.离散后获得的节点，3.节点叠加误差后的位置，4.重构的轨迹。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，误差补偿控制器在加工时采集机床温度，结合轨迹离散后节点的位置，根据已经建好的误差模型计算出节点位置偏差，然后用修正后的节点重构出轨迹，并将该轨迹送到数控系统中进行加工。该方法的具体步骤如下：

1)在机床本体上布置温度传感器，对机床的几何误差及热误差进行测量，然后将测量数据输入到误差补偿控制器中，建立机床误差模型获得机床的几何误差、热误差和机床坐标及温度信号间的关系；机床几何误差及热误差的测量采用激光干涉仪进行，而测量数据的建模目前有很多通用的建模方法，常用的有最小二乘法、神经网络法、支持向量机法等。

机床几何误差是指由制造、安装、运动控制不精确所造成的在机床运动空间内的一个静态误差，和时间没有关系。其误差模型可描述为E_G＝f₁(P)，其中P为机床坐标向量。机床热误差是指机床在加工过程中由于主轴的旋转、伺服电机的运动、刀具的切削等加工热源的发热造成机床结构空间上的变形所产生的误差，该误差随时间缓慢变化，是一种准静态误差。该误差方程可描述为E_T＝f₂(P，T)，其中P为机床坐标向量，T为一系列传感器反馈的温度向量。机床误差是指机床几何误差及热误差的和，其误差模型可表示为E＝f₁(P)+f₂(P，T)＝f(P，T)。

整个详细过程误差测量及建模的详细过程可描述为：

①通过对机床几何误差进行测量，并建立数控机床的几何误差模型E_G＝f₁(P)。

②在机床上选择一系列的温度测点，并布置温度传感器，在机床正常加工时，每隔时间步长Δ测量一次机床的热误差，一直到机床达到热平衡为止，然后建立机床的热误差模型E_T＝f₂P，T)。将几何误差模型和热误差模型叠加，得到机床的误差模型E＝f₁(P)+f₂(P，T)＝f(P，T)。

2)误差补偿控制器将待加工的轨迹进行轨迹离散，并读取温度传感器的数据，其轨迹离散过程如图2所示；

误差补偿控制器将待加工的数控轨迹按步长δ进行离散，获得离散后每个节点的坐标P，离散步长为0.01mm-100mm，并读取当前时刻温度传感器的数据T。

离散步长δ要满足以下条件：找到一个半径值，使得以该值为半径的球滚到机床的加工空间内任意位置时，该球内所包含点的坐标的误差都小于A，该半径值即为离散步长δ，其中A为根据零件加工精度要求确定系统的误差补偿精度向量。目前数控机床工件加工精度在μm量级，而热变形及几何变形所造成的精度损不超过10μm/100mm，因而可满足绝大部分精度补偿要求的一个经验型的步长可选为δ＝5mm。

误差补偿控制器将离散后的坐标P及温度数据T代入误差模型f(P，T)，获得P所对应的误差E，并将该坐标对应的误差叠加到该点的坐标上以对坐标进行修正，获得修正后的坐标P’＝P+E。

误差补偿控制器具备如下功能：采集温度传感器数据、离散加工轨迹、计算离散后加工轨迹上每一点的误差并修正该位置、根据修正后的坐标重构加工轨迹、和数控系统通讯，将修正后的轨迹传到数控系统中进行加工。

根据修正后的坐标点P’采用曲线拟合方法重构出数控轨迹；曲线拟合方法可采用B样条、非均匀有理B样条(NURBS)曲线或多项式曲线等通用的曲线拟合算法。

4)误差补偿控制器将重构后的轨迹送入数控系统进行加工，从而实现数控机床误差的补偿。误差补偿控制器和数控系统的通讯方式可采用串口、并口、网口或光纤。整个轨迹再生补偿方法软件流程如图3所示。

本发明的一个典型实施实例如下：

1、获得几何误差及热误差数据，并采用最小二乘法建立机床误差模型；

实验用机床选用数控铣床4300C，机床整体的几何误差采用激光干涉仪来测量，主要测量三个轴的定位误差、重复定位误差。热误差主要测量机床主轴的发热所导致机床整体的热变形，该热变形由三个CCD激光位移传感器(LK-150H)采集，而温度由热电偶采集。测量数控铣床空载时，主轴转速每分钟5000转下的机床温度场数据对Z轴、X轴、Y轴的热变形数据。每间隔0.1分钟进行一次数据采样，机床运行6小时，停车10小时，如此重复5次，以加权平均后的结果作为最终每个采样时间点上对应的温度数据与热变形数据。获得机床几何误差及热误差数据，并将数据存储到误差补偿控制器中。图4，图5，图6分别为所测机床X，Y，Z方向的几何误差，可以看出机床的X向几何误差最大达到了13μm，Y向几何误差最大达到了16μm，而Z向几何误差最大达到了12μm。

热变形测量中，选择4个关键点放置热电偶，其中1号热电偶测量主轴轴承温升，2号热电偶用于测量环境温度；3号热电偶用于测量机床台面温度；4号热电偶用于测量主轴轴承箱温度。图7为所测机床X，Y，Z方向的热误差，其X，Y，Z三向的热误差分别为20μm，15μm，35μm。

误差补偿控制器由ARM作为控制核心，机床误差建模算法采用最小二乘法，而最小二乘建模算法为一种通用的建模方法，具体的实现过程这里不再赘述。

2、补偿效果验证；

为验证几何误差及热误差的补偿情况，在数控机床开机后、开机运行5小时后，开机运行10小时后分别进行精度检测。开机后由于机床还没有温升，这时机床误差主要由几何误差构成。开机运行5小时后，机床的主轴及立柱结构已经有较大的温升，这时机床误差由几何误差和热误差共同构成。而开机运行10小时后，机床已经达到热平衡，机床误差由几何误差和热误差共同构成，本次精度检测主要是用于校核热误差及几何误差的补偿效果。

加工时温度检测采用热电偶，而位置精度检测采用激光干涉仪，温度型号每5min采集一次，位置检测主要检测机床加工过程中到达指定位置的精度。四个用于测量机床温升的热电偶布置方位为：1号热电偶测量主轴轴承温升，2号热电偶用于测量环境温度；3号热电偶用于测量机床台面温度；4号热电偶用于测量主轴轴承箱温度。

机床运行条件为：主轴转速6000r/min，进给速度4000mm/min。编写精度检测所用代码，控制机床在X，Y，Z行程内每隔5mm停顿1s，便于激光干涉仪测量其精度。

误差补偿控制器采集当前温度，读取待加工轨迹并进行离散、计算误差、重构处理，然后将轨迹送入数控系统，直至加工完毕。其中轨迹离散步长为2mm，轨迹重构采用的是B样条曲线拟合方法，通讯采用RS232串口进行，波特率为9600bit/s。

精度检测的方法采用测量其定位精度及重复定位精度的方法，对检测过程中。图8，图9，图10分别为采用本发明补偿后机床X，Y，Z方向的误差，可以看出采用本方法补偿后机床的误差被大幅降低，X，Y，Z向的误差被控制在2.8μm的范围内，有效的提高了机床的精度，此外机床的精度保持性比较好，热误差也得到有效的补偿。

Claims

1.一种数控机床误差的轨迹再生补偿方法，其特征在于，该方法的步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种数控机床误差的轨迹再生补偿方法，其特征在于：所述的待加工的轨迹进行轨迹离散，其离散步长要δ满足以下条件，找到一个半径值，使得以该值为半径的球滚到机床的加工空间内任意位置时，该球内所包含点的坐标的误差都小于A，该半径值即为离散步长δ，其中A为根据零件加工精度要求确定系统的误差补偿精度向量。

3.根据权利要求1所述的一种数控机床误差的轨迹再生补偿方法，其特征在于：所述的误差补偿控制器具备如下功能：温度采集、轨迹离散、轨迹重构、机床误差建模、和数控系统通讯，将修正后的轨迹传到数控系统中进行加工。

4.根据权利要求1所述的一种数控机床误差的轨迹再生补偿方法，其特征在于：所述的修正后的坐标点重构出轨迹是B样条曲线、非均匀有理B样条曲线或多项式曲线。

5.根据权利要求1所述的一种数控机床误差的轨迹再生补偿方法，其特征在于：所述的误差补偿控制器和数控系统的通讯方式包括串口、并口、网口或光纤。

6.根据权利要求1所述的一种数控机床误差的轨迹再生补偿方法，其特征在于：所述的建立机床误差模型的方法包括最小二乘、支持向量机或神经网络。