CN101968641B - 一种机床xy平面误差修正系统 - Google Patents

一种机床xy平面误差修正系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机床XY平面误差修正系统，属于机床系统误差修正控制技术领域，系统硬件包括基于上位计算机及可编程控制器控制的伺服驱动器，以及与伺服驱动器连接的伺服电机，XY平面工作平台由伺服电机通过丝杆驱动，所述上位计算机里内设有对机床XY平面的系统误差辨识模块和拟合补偿模块；本发明通过系统软硬件配合，上位计算机功能模块即可辩识出机床精确误差模型数据，通过系统适时补偿，可使机床达到理想的控制精度，同时，数控系统设定补偿数据简单、便捷。

Description

一种机床XY平面误差修正系统
技术领域
本发明涉及一种机床系统误差修正控制技术，尤其涉及一种机床XY平面系统误差修正控制技术。
背景技术
机床的误差补偿是提高机床精度的一种有效措施，具有重要的现实意义。目前国内外，机床误差补偿主要由数控CNC系统完成（国外CNC数控系统主要厂家有SIEMENS、FANAC、FAGOR等）。其误差补偿主要包括螺距补偿和齿隙补偿。螺距补偿时，CNC系统自动将目标位置Pi的平均位置偏差叠加到插补指令上,使误差部分抵消, 实现误差的补偿。齿隙补偿时，需要测量出各目标位置Pi的平均反向差值,作为机床的补偿参数输入系统，系统在控制坐标反向运动时,自动先让该坐标轴反向运动,然后按指令进行运动，由此补偿误差。
机床采用的CNC控制系统时，硬件上需要通过CNC控制器控制伺服驱动器，然后由伺服驱动器控制伺服电机，这样，集成的系统造价高，控制结构复杂。对于功能相对简单的车床（如精密钻床）来说，如果采用CNC控制器，CNC控制器的许多复杂功能在应用装置中没有使用，形成了很大的资源浪费。CNC系统补偿时，将目标位置Pi的平均位置偏差叠加到插补指令上，这样，位于相邻目标位置之间的补偿点的误差值较大，并且随着相邻目标位置之间的距离的加大，其补偿点的位置精确度亦变差。同时，目前流行的CNC控制系统（如：SIEMENS-840D数控系统等），其螺距误差补偿采用绝对型补偿方法，可以通过执行程序来设定补偿数据，方法直观但操作步骤非常繁琐。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够在不使用CNC控制器的功能相对简单的机床上，不改变原有系统硬件结构的情况下，便可使机床达到需要的控制精度的机床XY平面误差修正系统。
本发明的技术方案为：一种机床XY平面误差修正系统，系统硬件包括基于上位计算机及可编程控制器控制的伺服驱动器，以及与伺服驱动器连接的伺服电机，XY平面工作平台由伺服电机通过丝杆驱动，所述上位计算机里内设有对机床XY平面的系统误差辨识模块和拟合补偿模块；
所述系统误差辨识模块，通过若干给定的指令位置和机床上刀具在机床XY平面对应的实际测量位置，得出机床XY平面系统误差模型；
所述拟合补偿模块，接收给定位置信号后，通过所述系统误差辨识模块所得出的机床XY平面系统误差模型，拟合计算出前馈量并将输出位置修正，将修正后的输出位置传给伺服驱动器。
所述系统误差辨识模块包括：
进给位置数据转换子模块，该模块将需要输入的若干进给位置，转换成机床系统可以识别的数据格式；
自动点到点进给位置子程序子模块，该模块指令刀具自动按照所述输入到机床加工数据基准区域的进给位置和数目自动进给；
刀具实际进给位置测量及数据格式转换子模块，通过激光干涉仪对机床刀具在XY平面实际进给位置进行测量，该模块将激光干涉仪的测量数据格式转换为机床系统可以识别的数据格式；
偏差计算修正子模块，该模块计算各输入点的进给位置与其实际进给位置的误差值，修改输入的进给位置，以修改后的进给位置输入系统，进行迭代过程计算，记录相应数据，直到误差符合要求，从而得到机床XY平面系统误差模型。该计算方法如下，即模型函数                                                
Figure 2010102214914100002DEST_PATH_IMAGE001
的求取：
设各给定位置
Figure 2010102214914100002DEST_PATH_IMAGE002
，其对应输入变量
Figure DEST_PATH_IMAGE003
。对于函数
Figure 2010102214914100002DEST_PATH_IMAGE004
，可转换为方程，由此，过程转换为方程的求解。
将机床系统对应各给定位置
Figure 881909DEST_PATH_IMAGE002
（即机床对应输出点）的对应理想输入变量
Figure 64628DEST_PATH_IMAGE003
作为求取过程初始值点，引入迭代算法，则机床实际输出即为
Figure 2010102214914100002DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，可以通过激光干涉仪实际测量得到
Figure 2010102214914100002DEST_PATH_IMAGE008
。上位计算机通过
Figure DEST_PATH_IMAGE009
（W为迭代次数）的误差值计算，对输入
Figure 2010102214914100002DEST_PATH_IMAGE010
值进行修正，得到进入下一次迭代过程。对测量数据进行分析，当满足相应国家标准(如VDI3441、JIS6330、GB10931-89等)时，过程结束，这样可得到机床XY平面系统误差模型函数
Figure 922994DEST_PATH_IMAGE001
。
所述系统误差辨识模块的辨识方法与现有方法不同的实质是：通过迭代计算过程不断修正机床输入的进给位置，从而得到误差允许的理想输出进给位置所对应的输入进给位置量数值。并建立理想输出进给位置与输入进给位置的函数关系，以此函数关系作为机床存在系统误差时的模型。此辨识方法得到的误差模型可以综合机床螺距误差、系统安装等误差因素。
系统误差辩识模块原理：
在机床丝杆驱动系统硬件结构稳定、系统给定在合理的范围内时，可以认为机床的位置误差具有唯一性和可重复性。将系统实际位移量（其中包括了系统螺距误差、齿隙误差、以及由安装工艺等引起的系统误差）做为系统系列期望值点，并且做为系统函数的输出点。根据计算数学原理，可以求解出系统函数在各个输出进给位置的函数输入进给位置。
设机床输入、输出的模型函数为；其中
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为输入位置，为实际输入指令的位置点，即输入的进给位置，
Figure 2010102214914100002DEST_PATH_IMAGE014
为机床实际输出进给位置。
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为高次函数，其阶数与机床系统误差相关（包括：齿轮间隙误差、丝杆误差、安装误差）。在区间
Figure 2010102214914100002DEST_PATH_IMAGE016
，即机床正常工作范围内，函数
Figure 772056DEST_PATH_IMAGE012
是连续的，对于指定的函数值
Figure 673147DEST_PATH_IMAGE002
有唯一的输入变量与之对应。
由此，函数在区间
Figure DEST_PATH_IMAGE017
连续，给定个点
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，已知
Figure 2010102214914100002DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 604697DEST_PATH_IMAGE007
，可寻找一函数
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，作为的近似表达式，使满足
Figure 2010102214914100002DEST_PATH_IMAGE022
， 
Figure 663975DEST_PATH_IMAGE007
                      （1.1）
由计算数学定理可知:在给定
Figure 728883DEST_PATH_IMAGE018
个互异节点
Figure 517847DEST_PATH_IMAGE003
上的函数值
Figure 150954DEST_PATH_IMAGE002
满足式（1.1）的
Figure 2010102214914100002DEST_PATH_IMAGE024
次多项式是存在且唯一的。
因此，可得到
Figure 736787DEST_PATH_IMAGE022
即为机床系统实用的计算模型函数。
本发明所述刀具实际进给位置测量及记录子模块中的测量装置采用激光干涉仪离线方法测量刀具的实际进给位置。也可以采用其他的实际位置测量装置。
本发明所述拟合补偿模块，包括：
进给位置数据转换子模块:该模块将需要输入的进给位置转换成机床系统可以识别的数据格式； 
进给位置前馈量计算、输出子模块：该模块根据各输入点的进给位置，与对应的机床XY平面系统误差模型进行拟合运算，得出前馈量，根据所述前馈量得到各输入点的实际所需进给位移，并将各实际所需进给位移传给伺服驱动器，控制伺服电机输出位移。
拟合补偿的作用：在系统送入一要求的理想进给位置时，根据系统误差辨识模块，对该进给位置的前馈量进行计算、确定，将确定的前馈量加入控制系统，达到误差修正补偿目的。所述的拟合补偿模块的拟合补偿方法与现有方法不同的实质是：在机床要求到达某一理想进给位置时，系统根据辩识出的系统误差模型，进行拟合计算，求出本要求进给位置对应的前馈量，并将确定的前馈量加入控制系统，达到误差修正补偿目的。模型拟合计算采用分段二次Lagrange插值法。
拟合补偿方法原理：
根据系统误差辨识模块已知：系统模型函数
Figure 277490DEST_PATH_IMAGE001
，得到其有限点的函数值。对连续函数在任意点的值，采用分段二次Lagrange插值。方法近似度为：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
 
有式：
Figure 2010102214914100002DEST_PATH_IMAGE026
成立。
本发明的技术效果：本发明通过系统软硬件配合，上位计算机功能模块即可辩识出机床精确误差模型数据，通过系统适时补偿，可使机床达到理想的控制精度，同时，数控系统设定补偿数据简单、便捷。 
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明的控制原理框图；
图2是本发明优选实施例所述系统误差辨识功能模块的流程示意图；
图3是本发明优选实施例所述拟合补偿模块的流程示意图；
图4是机床系统未补偿时误差示意图；
图5是机床系统进行一次系统误差辨识形成数据模型并拟合补偿后的误差示意图；
图6是机床系统进行4次系统误差辨识形成数据模型并拟合补偿后的误差示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1所示，一种机床XY平面误差修正系统，系统硬件包括基于上位计算机及可编程控制器控制的伺服驱动器，以及与伺服驱动器连接的伺服电机，XY平面工作平台由伺服电机通过丝杆驱动，所述上位计算机里内设有对机床XY平面的系统误差辨识模块和拟合补偿模块；所述系统误差辨识模块，通过若干给定的指令位置和机床上刀具在机床XY平面对应的实际测量位置，得出机床XY平面系统误差模型；所述拟合补偿模块，接收给定位置信号后，通过所述系统误差辨识模块所得出的机床XY平面系统误差模型，拟合计算出前馈量并将输出位置修正，将修正后的输出位置传给伺服驱动器。
如图２所示，所述系统误差辨识模块包括：
进给位置数据转换子模块，该模块将需要输入的若干进给位置
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，转换成机床系统可以识别的数据格式；
自动点到点进给位置子程序子模块，该模块指令刀具自动按照所述输入的进给位置和数目自动进给；
刀具实际进给位置测量及数据格式转换子模块，通过激光干涉仪对机床刀具在XY平面实际进给位置进行测量，该模块将激光干涉仪的测量数据格式转换为机床系统可以识别的数据格式；
偏差计算修正子模块，该模块计算各输入点的进给位置与其实际进给位置的误差值，修改输入的进给位置，以修改后的进给位置输入系统，进行迭代过程计算，记录相应数据
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，直到误差符合要求，从而得到机床XY平面系统误差模型。
该计算方法如下，即模型函数
Figure 358950DEST_PATH_IMAGE001
的求取：
设各给定位置
Figure 641027DEST_PATH_IMAGE002
，其对应输入变量
Figure 139004DEST_PATH_IMAGE003
。对于函数，可转换为方程
Figure 454765DEST_PATH_IMAGE005
，由此，过程转换为方程的求解。
将机床系统对应各给定位置（即机床对应输出点）的对应理想输入变量作为求取过程初始值点，引入迭代算法，则机床实际输出即为
Figure 366723DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 883286DEST_PATH_IMAGE007
，可以通过激光干涉仪实际测量得到
Figure 772745DEST_PATH_IMAGE008
。上位计算机通过
Figure 245315DEST_PATH_IMAGE009
（W为迭代次数）的误差值计算，对输入
Figure 624343DEST_PATH_IMAGE010
值进行修正，得到进入下一次迭代过程。对测量数据进行分析，当满足相应国家标准(如VDI3441、JIS6330、GB10931-89等)时，过程结束，这样可得到模型函数
Figure 367357DEST_PATH_IMAGE001
。
设机床输入、输出的模型函数为
Figure 428854DEST_PATH_IMAGE012
；其中为输入量，为实际输入指令的位置点
Figure 171737DEST_PATH_IMAGE003
，即待进给的给定位置，
Figure 199736DEST_PATH_IMAGE014
为机床实际输出位置。
Figure 646898DEST_PATH_IMAGE015
为高次函数，其阶数与机床系统误差相关（包括：齿轮间隙误差、丝杆误差、安装误差）。在区间，即机床正常工作范围内，函数
Figure 533131DEST_PATH_IMAGE012
是连续的，对于指定的函数值
Figure 99242DEST_PATH_IMAGE002
有唯一的输入变量
Figure 666489DEST_PATH_IMAGE003
与之对应。
由此，函数
Figure 230326DEST_PATH_IMAGE012
在区间
Figure 961653DEST_PATH_IMAGE017
连续，给定
Figure 331454DEST_PATH_IMAGE018
个点
Figure 487629DEST_PATH_IMAGE019
，已知，
Figure 690257DEST_PATH_IMAGE007
，可寻找一函数
Figure 863750DEST_PATH_IMAGE021
，作为
Figure 140010DEST_PATH_IMAGE015
的近似表达式，使满足
Figure 311228DEST_PATH_IMAGE023
， 
Figure 672940DEST_PATH_IMAGE007
                      （1.1）
由计算数学定理可知:在给定
Figure 384544DEST_PATH_IMAGE018
个互异节点
Figure 92474DEST_PATH_IMAGE003
上的函数值
Figure 434594DEST_PATH_IMAGE002
满足式（1.1）的
Figure 283601DEST_PATH_IMAGE024
次多项式
Figure 533317DEST_PATH_IMAGE022
是存在且唯一的。
因此，可得到
Figure 846487DEST_PATH_IMAGE022
即为机床系统实用的计算模型函数。
本实施例所述实际进给位置测量及记录子模块中的测量装置采用激光干涉仪。
如图３所示，本实施例所述拟合补偿模块，包括：
进给位置数据转换子模块:该模块将需要输入的进给位置转换成机床系统可以识别的数据格式； 
进给位置前馈量计算、输出子模块：该模块根据各输入点的进给位置，与对应的机床XY平面系统误差模型进行拟合运算，得出前馈量，根据所述前馈量得到各输入点的实际所需进给位移，并将各实际所需进给位移传给伺服驱动器，控制伺服电机输出位移。
拟合补偿的作用：
在系统送入一要求的理想位置时，根据系统误差辨识模块，对该位置的前馈量进行计算、确定，将确定的前馈量加入控制系统，达到误差修正补偿目的。
拟合补偿方法原理：
根据系统误差辨识模块已知：系统模型函数
Figure 625087DEST_PATH_IMAGE001
Figure 961390DEST_PATH_IMAGE007
，得到其有限点的函数值。对连续函数
Figure 14797DEST_PATH_IMAGE004
在任意点的值，采用分段二次Lagrange插值。方法近似度为：
Figure 933206DEST_PATH_IMAGE025
     
有式：
Figure 882707DEST_PATH_IMAGE026
成立。
由于上述系统软硬件配合，上位计算机功能模块即可辩识出机床精确误差模型数据，通过系统适时补偿，可使机床达到理想的控制精度，同时，数控系统设定补偿数据简单、便捷。
为验证本发明实际效果，对采用本实施例前后的加工精度进行对比测试。采用激光干涉仪器进行实际进给位置测量，测量位置间隔为20mm。
没有加入本实施例所述机床XY平面误差修正系统时，对0到1600mm的加工精度实际测量，误差值示意图如图4所示，其最大误差范围为：-0.094477mm, +0.130328mm，即( -94.477μm,+130.328μm)。
通过采用本实施例所述的机床XY平面误差修正系统，进行一次系统误差辩识（未进行过程迭代），形成系统误差模型后，再通过拟合补偿计算出前馈量，得出修正后的实际输出的进给位移，再将该实际输出的进给位移传给伺服驱动器，伺服驱动器控制伺服电机输出位移，用激光干涉仪器对机床刀具实际进给位移进行测量。其测量位置间隔为20mm，0到1600mm的加工精度实际测量，误差如图5所示，其最大误差范围为：                   -0.081854mm;+0.037439mm ，即( -81.854μm,+37.439μm) 。
通过采用本实施例所述的机床XY平面误差修正系统，进行四次系统误差辩识（即进行3次过程迭代），形成系统误差模型后，再通过拟合补偿模块计算出前馈量，得出修正后的实际输出的进给位移，再将该实际输出的进给位移传给伺服驱动器，伺服驱动器控制伺服电机输出位移，用激光干涉仪器对机床刀具实际进给位移进行测量。其测量位置间隔为20mm，0到1600mm的加工精度实际测量，误差如图6所示，其最大误差范围为：-0.024969mm;+0.026406mm ，即( -24.969μm,+26.406μm)。
由实际测量验证可知：本发明可以显著地提高机床定位精度，并且无须增加系统硬件，辩识补偿自动完成、操作简单，具有良好的应用前景。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (2)

1.一种机床XY平面误差修正系统，系统硬件包括基于上位计算机及可编程控制器控制的伺服驱动器，以及与伺服驱动器连接的伺服电机，XY平面工作平台由伺服电机通过丝杆驱动，其特征在于：所述上位计算机里内设有对机床XY平面的系统误差辨识模块和拟合补偿模块；
所述系统误差辨识模块，通过若干给定的指令位置和机床上刀具在机床XY平面对应的实际测量位置，得出机床XY平面系统误差模型；所述系统误差辨识模块包括：进给位置数据转换子模块，该模块将需要输入的若干进给位置，转换成机床系统可以识别的数据格式；自动点到点进给位置子程序子模块，该模块指令刀具自动按照输入到机床加工数据基准区域的进给位置和数目自动进给；刀具实际进给位置测量及数据格式转换子模块，通过激光干涉仪对机床刀具在XY平面实际进给位置进行测量，该模块将激光干涉仪的测量数据格式转换为机床系统可以识别的数据格式；偏差计算修正子模块，该模块计算各输入点的进给位置与其实际进给位置的误差值，修改输入的进给位置，以修改后的进给位置输入系统，进行迭代过程计算，记录相应数据，直到误差符合要求，从而得到机床XY平面系统误差模型；
    所述拟合补偿模块，接收给定位置信号后，通过所述系统误差辨识模块所得出的机床XY平面系统误差模型，拟合计算出前馈量并将输出位置修正，将修正后的输出位置传给伺服驱动器；所述拟合补偿模块，包括：进给位置数据转换子模块:该模块将需要输入的进给位置转换成机床系统可以识别的数据格式；进给位置前馈量计算、输出子模块：该模块根据各输入点的进给位置，与对应的机床XY平面系统误差模型进行拟合运算，得出前馈量，根据所述前馈量得到各输入点的实际所需进给位移，并将各实际所需进给位移传给伺服驱动器，控制伺服电机输出位移。
2.根据权利要求１所述的一种机床XY平面误差修正系统，其特征在于：所述激光干涉仪采用离线方法测量刀具的实际进给位置。
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