CN102566497B - 数控系统中直线轴定位误差补偿实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种数控系统中直线轴定位误差补偿实现方法，包括以下步骤：建立数控系统中直线轴的定位误差补偿模型；通过定位误差补偿模型计算定位误差补偿值；根据定位误差补偿值修正直线轴运动控制指令数据，实现直线轴定位误差补偿。本发明提供了一种精确的直线轴定位误差补偿方法，并为数控系统，提供了可行的、先进的实现技术，明显地提高了数控系统直线轴定位精度，满足机床用户高精度加工的需求。
Description
技术领域
本发明涉及数控机床的数控系统误差补偿方法，具体涉及一种数控系统中直线轴定位误差补偿实现方法。
背景技术
直线轴定位精度是直线轴在轴进给方向上的3项精度指标(反向间隙、定位精度和重复定位精度)之一，是衡量数控机床工作性能的重要指标。其一方面取决于直线轴传动链中滚珠丝杠的螺距制造精度；另一方面取决于从环境温度上升到工作温度期间，直线轴受温度的影响产生的轴向热膨胀。
传统的定位误差软件补偿方法有两种，一种是单一地补偿由螺距制造精度产生的定位精度误差，忽略了金属材料的热膨胀系数(金属材料热膨胀程度参数)10ppm(10μm/1000mm/℃)的影响；另一种是在整个进给轴的行程内，通过定参数线性拟合的方法简单地对采集的温度进行热膨胀值拟合，这种方法既降低了误差曲线的拟合阶数，也忽略了进给轴在不同加工行程内运动时，丝杠螺母与丝杠之间的摩擦热的热传导对丝杠热膨胀的影响。
在补偿方法的实现上，传统方法是将热膨胀补偿模型建立在一个专用的装置中，计算得到补偿量后传入数控系统中。该实现方法为获取编码器反馈的轴位而与数控系统大量通信，占用数控系统资源；补偿模型建立在外部，也不利于数控系统功能模块的集成，可靠性差。
发明内容
针对现有技术中数控系统误差补偿方法存在的精确性差、不利于数控系统功能模块的集成以及可靠性差等不足，本发明要解决的技术问题是提供一种数控系统中直线轴定位误差补偿实现方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明数控系统中直线轴定位误差补偿实现方法包括以下步骤：
建立数控系统中直线轴的定位误差补偿模型；
通过定位误差补偿模型计算定位误差补偿值；
根据定位误差补偿值修正直线轴运动控制指令数据，实现直线轴定位误差补偿。
定位误差补偿模型的建立过程如下：
根据数控机床在不同温度下的螺距误差，离线计算得到螺距误差拟合向量与综合温度系数拟合向量；
在线实时采集数控机床的工作环境温度t1、丝杠两端轴承套的温度t2和t3及丝杠螺母套的温度t4，同时在线实时获得直线轴当前轴位置值；
在数控机床的数控装置中通过以下公式进行建模：
δ(x，7)＝δP(x)+kt(t1，t2，t3，t4)·x
＝(b1+b2·x+b3·x2)+(a1+a2·t1+a3·t2+a4·t3+a5·t4)·x
其中，δ(x，T)是定位误差；δP(x)为螺距误差，用轴位x的二次最小二乘拟合，(b1，b2，b3)为拟合向量；kt(t1，t2，t3，t4)为综合温度系数，是直线轴从环境温度上升到工作温度过程中、4个主要热源产生的温度(t1，t2，t3，t4)对丝杠热膨胀程度的度量，用4个温度的一次最小二乘拟合，(a1，a2，a3，a4，a5)为拟合向量。本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明提供了一种精确的直线轴定位误差补偿方法，并为数控系统，提供了可行的、先进的实现技术，明显地提高了数控系统直线轴定位精度，满足机床用户高精度加工的需求。
附图说明
图1为实现本发明方法流程图；
图2为本发明方法中直线轴定位误差补偿算法流程图；
图3为实现本发明的架构框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明数控系统中直线轴定位误差补偿实现方法包括以下步骤：
建立数控系统中直线轴的定位误差补偿模型；
通过直线轴定位误差补偿模型计算定位误差补偿值；
根据直线轴定位误差补偿值修正直线轴运动控制指令数据，实现直线轴定位误差补偿。
如图2所示，直线轴定位误差补偿模型的建立过程如下：
根据数控机床在不同温度下的螺距误差，离线计算得到螺距误差拟合向量与综合温度系数拟合向量；
在线实时采集数控机床的工作环境温度t1、丝杠两端轴承套的温度t2和t3及丝杠螺母套的温度t4，同时在线实时获得直线轴当前轴位置值；
通过以下公式进行建模：
δ(x，T)＝δP(x)+kt(t1，t2，t3，t4)·x
＝(b1+b2·x+b3·x2)+(a1+a2·t1+a3·t2+a4·t3+a5·t4)·x
其中，δ(x，T)是直线轴定位误差；δP(x)为螺距误差，用轴位x的二次最小二乘拟合，(b1，b2，b3)为拟合向量；kt(t1，t2，t3，t4)为综合温度系数，是直线轴从环境温度上升到工作温度过程中、4个主要热源产生的温度(t1，t2，t3，t4)对丝杠热膨胀程度的度量，用4个温度的一次最小二乘拟合，(a1，a2，a3，a4，a5)为拟合向量。
螺距误差拟合向量与综合温度系数是离线测量计算，以X进给轴为例进行说明。首先测量X轴螺距误差，X进给轴在设定的加工行程内运动，丝杠每转过一个螺距，通过编码器和安放在工作台上的激光干涉仪测量得到丝杠的螺距误差，用轴位x的二次最小二乘拟合螺距误差，计算得到环境温度下的螺距误差拟合系数；然后，丝杠反复运动，测量不同综合温度下的螺距误差，根据不同综合温度下的行程初始点和末端点的螺距误差的差值，计算得到综合温度系数向量kt＝[k1t，k2t，k3t…knt]，其中n为采样样本，再用四元一次最小二乘算法拟合向量kit(t1，t2，t3，t4)(i＝1，2，3…n)，求得该加工行程内不同温度下综合温度系数的拟合系数向量A1＝[a1，a2，a3，a4，a5]；最后，针对不同类型型号的数控机床任意直线轴的不同的典型加工范围，建立不同情况下的螺距误差曲线拟合系数和综合温度系数的拟合系数数据库。
如图3所示，本实施例实现本发明方法的构架与步骤为：
当数控系统上电初始化时，根据加工机床的型号、直线轴定位误差精确补偿的轴号、典型加工行程等参数，数控装置读取存储在数据采集存储装置中的拟合向量数据，对数控装置中的直线轴定位误差补偿模型的拟合向量进行配置。
在加工中，RTD采集卡将四个温度传感器采集到的数据从模拟量转换为数字量后，通过SSB数控系统现场总线传至数控装置中；同时，机床直线轴的轴位置值由编码器采集，并通过伺服驱动器，由SSB现场总线传至数控装置中。
然后，数控装置中的直线轴定位误差补偿模型根据当前四点位置的温度数据、由伺服系统反馈的轴位数据以及配置的拟合向量，计算得到当前综合温度下该轴位的直线轴定位误差精确补偿值。
最后，数控装置中的运动控制器根据当前机床轴的运动位置及直线轴定位误差精确补偿值，对运动控制指令数据补偿修正，完成补偿。
Claims (1)
1.一种数控系统中直线轴定位误差补偿实现方法，其特征在于包括以下步骤：
建立数控系统中直线轴的定位误差补偿模型；
通过定位误差补偿模型计算定位误差补偿值；
根据定位误差补偿值修正直线轴运动控制指令数据，实现直线轴定位误差补偿；
定位误差补偿模型的建立过程如下：
根据数控机床在不同温度下的螺距误差，离线计算得到螺距误差拟合向量与综合温度系数拟合向量；
在线实时采集数控机床的工作环境温度t1、丝杠两端轴承套的温度t2和t3及丝杠螺母套的温度t4，同时在线实时获得直线轴当前轴位置值；
在数控机床的数控装置中通过以下公式进行建模：
δ(x,T)=δP(x)+kt(t1,t2,t3,t4)·x
=(b1+b2·x+b3·x2)+(a1+a2·t1+a3·t2+a4·t3+a5·t4)·x
其中，δ(x,T)是定位误差；δP(x)为螺距误差，用轴位x的二次最小二乘拟合，(b1,b2,b3)为拟合向量；kt(t1,t2,t3,t4)为综合温度系数，是直线轴从环境温度上升到工作温度过程中、4个主要热源产生的温度(t1,t2,t3,t4)对丝杠热膨胀程度的度量，用4个温度的一次最小二乘拟合，(a1,a2,a3,a4,a5)为拟合向量。
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