CN103886191B - 机床床身直线度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机床床身直线度补偿方法，步骤1，检测床身在Y轴方向的直线度数据分别为D1y、D2y、D3y……Dny，检测床身在Z轴方向的直线度数据分别为D1z、D2z、D3z……Dnz，通过计算得到床身直线度沿Y轴方向或Z轴方向的偏差；步骤2，由温度变送器将温度传感器采集的床身温度信号转换为床身的实际温度值；步骤3，机床控制系统读出补偿轴的实时坐标值；步骤4，在机床的控制系统中建立如下直线度补偿数学计算模型；步骤5，机床控制系统读取坐标位置，计算所得的对应于该坐标位置的补偿系数，计算当前的直线度的实际偏差；步骤6，机床控制系统根据步骤5所得的补偿量对直线度的实际偏差进行补偿。

Description

机床床身直线度补偿方法

技术领域

本发明涉及一种机床床身直线度补偿方法。

背景技术

作为大型金属切削的加工设备，多数都是在非恒温环境中工作，受一年四季温度变化、白天与晚上的温度变化影响较大，受局部温度影响的变化更大；在加工设备使用过程中，受局部温度影响的变化我们可以避免。如：避免阳光照射、关闭门窗避免通风、局部热源远离设备等；受白天和晚上温差及四季温差的影响就不可避免了。温度变化会引起床身垂直方向和水平方向的直线度变化，导致轴向移动轨迹弯曲，即温度高时床身中间部位上拱；温度低时，床身中间部位下凹。下面举例进行说明：

如图1和图2，对于840D数控镗床，该数控镗床的基本结构为，包括床身1、滑座2、立柱3、方滑枕4，滑座在床身上滑动，立柱固定在滑座上，主轴箱在立柱上移动，方滑枕在主轴箱内移动。床身的有效行程比较长（13.5m)，床身的精度很重要，床身精度主要有：长度方向(X轴)的精度（定位精度）、垂直方向(Y轴)的直线度、水平方向(Z轴)的直线度。长度方向的精度和床身的直线度（凹凸）受温度影响很大：长度方向的精度变化（全闭环）经实测变化也较大，加工区域13米的床身夏天温度为27.86956度时偏差为：80um，可以通过长度方向的温度补偿来提高精度；床身的直线度（上下左右的凹凸）：床身补偿区域长13m，冬天与夏天实测床身上下凹凸偏差也较大，床身温度为27.1304度时，垂直面内的直线度偏差为166.91um，水平方向的直线度偏差为152.99um，对工件的加工精度影响很大。

虽然，上述数控系统具有垂度补偿功能，但该功能只能在特定情况下进行固定的补偿，即补偿原理为：补偿量=补偿系数×补偿值。其中“补偿系数”为恒定值，一般情况取1；“补偿值”为不同位置有对应的固定补偿值；“补偿量”随不同位置有对应的补偿量，而与温度无关，系统补偿时自动调用相关补偿数据，并进行线性化连续化处理。这种补偿方式导致的结果是：每个补偿方向只能采用一组补偿数据，同一方向不能进行多轴同时补偿，补偿系数为一恒定值（通常为1），补偿数据不能随温度变化而改变，相同方向不能进行多轴叠加补偿。由于每个工件精度的要求各不相同，如果在任何时候都需要较好的机床精度，这时，调整机床精度就费时、费钱，影响设备生产。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种机床床身直线度的补偿方法，对于环境温度变化而导致的设备床身直线度精度变化的情况，通过检测现场环境下设备床身温度，自动补偿设备床身的垂直方向和水平方向的直线度精度。

解决上述技术问题的技术方案如下：

机床床身直线度补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，检测床身在Y轴方向的直线度数据分别为D1y、D2y、D3y……Dny，检测床身在Z轴方向的直线度数据分别为D1z、D2z、D3z……Dnz，通过计算得到床身直线度沿Y轴方向或Z轴方向的偏差；

步骤2，由温度变送器将温度传感器采集的床身温度信号转换为床身的实际温度值；

步骤3，机床控制系统读出补偿轴的实时坐标值；

步骤4，在机床的控制系统中建立如下直线度补偿数学计算模型：

步骤A、根据步骤1至3，建立直线度补偿连续温度和离散坐标位置函数

其中F（tp）为任意温度t,X轴坐标位置p时Y轴和Z轴方向的补偿系数；

步骤B、将上述步骤A中的离散坐标位置函数进行连续化，建立X轴任意坐标位置连续函数，下式为不同段的连续函数：

式（1）

式（1）中，D(tp)y为温度t,X轴任意坐标位置p时Y轴方向的补偿系数；D(t)iy为温度t时，第i个补偿系数处的Y轴方向的补偿系数；D(t)(i-1)y为温度t时，第i-1个补偿系数处的Y轴方向的补偿系数；p为X轴的补偿坐标位置，在第i个补偿坐标位置pi与第i-1个补偿坐标位置p(i-1)之间，i=1,2,3…n；

式（2）

式（2）中，D(tp)z为温度t,X轴任意位置p时Z方向的补偿系数；D(t)iz为温度t时，第i个补偿系数处的Z轴方向的补偿系数；D(t)(i-1)z为温度t时，第i-1个补偿系数处的Z轴方向的补偿系数；p为X轴的补偿坐标位置，在第i个补偿坐标位置pi与第i-1个补偿坐标位置p(i-1)之间，i=1,2,3…n；

步骤C、根据步骤B中的式（1）建立Y轴方向的连续温度和X轴任意坐标位置函数：

式（3）

式（3）中，D（tp）y为温度t,X轴任意坐标位置p时Y轴方向的补偿系数；D(p)y1为温度t1，X轴任意坐标位置p时Y方向的补偿系数；D(p)y2为温度t2，X轴任意坐标位置p时Y轴方向的补偿系数；

D、根据步骤B中的式（2）建立Z轴方向的连续温度和X轴任意坐标位置函数：

式（4）

式（4）中，D（tp）z为温度t,X轴任意坐标位置p时Z轴方向的补偿系数；D(p)z1为温度t1，X轴任意坐标位置p时Z方向的补偿系数；D(p)z2为温度t2，X轴任意坐标位置p时Z方向的补偿系数；

步骤5，机床控制系统读取坐标位置，根据式（3）和式（4）计算所得的对应于该坐标位置的补偿系数，再通过以下计算式计算当前的直线度的实际偏差：

补偿量=补偿系数×补偿值 式（5）

式（5）中，补偿系数为式（3）中的D（tp）y，或式（4）中的D（tp）z；补偿值为恒定值；

步骤6，机床控制系统根据步骤5所得的补偿量对直线度的实际偏差进行补偿。

优选项，步骤1中，通过激光干涉仪检测补偿轴的直线度偏差：从直线度补偿的坐标最小点开始检测Y轴方向的直线度偏差，每间隔1000mm检测一个点数据，用同样的方法检测Z轴方向的直线度偏差数据。

优选项，步骤1中，对于检测数据采用下面的计算式得到床身直线度在Y轴方向或Z轴方向的偏差：

Dci=Di-Dn/(n-1)*（i-1）；

上式中，Dci表示偏差，n为补偿点的总数，Di为第i个补偿点数据。

优选项，步骤2中，采集床身温度的传感器采用Pt电阻，经过变送器将床身温度检测信号-50°到100°的温度信号转换成4mA到20mA电流信号传送到模拟量模块，在机床控制系统内，通过以下计算式将采集来的模拟量信号转换为实际的温度值：

式（6）

式（6）中，T_up和T_dow为Pt电阻检测的上限和下限温度值，即T_up=100，T_dow=-50），PIW为模拟量采集的温度信号数值，T为床身数据温度数。

优选项，步骤5中的补偿值设定为1。

优选项，在步骤4与步骤5之间，还进行以下步骤：调用预先编制好的系统变量读模块，读出X轴的坐标位置及当前坐标位置的补偿系数，将读出的补偿系数与式（3）和式（4）中计算所的补偿系数进行比较，当偏差大于0.003mm时，将当前计算的补偿系数重新写入机床控制系统。

采用上述方案，用本发明进行补偿后的设备轴向移动接近为一条直线，可以避免一年四季温差变化而导致的设备直线度精度变差的情况；本发明的补偿效果还包含了与温度无关的固定偏差的直线度的补偿。补偿后加工刀具在垂直面和水平面的直线度精度有较大的提高，保证了工件的加工精度。经补偿后，在不同床身温度的情况下，使加工刀具在补偿轴方向的运动轨迹接近为一条直线，提高设备的加工精度2到10倍。上述技术效果通过具体实施方式和说明书的附图进一步进行论证。

附图说明

图1为数控镗床的基本结构图；

图2为数控镗床的坐标图；

图3为激光干涉仪检测补偿轴以及对检测数据进行处理的示意图；

图4为传感器检测机床床身的温度示意图；

图5及图6均为将离散坐标位置函数进行连续化，建立X轴任意坐标位置连续函数示意图；

图7为建立Y轴方向的连续温度和X轴任意坐标位置函数；

图8为建立Z轴方向的连续温度和X轴任意坐标位置函数；

图9为X轴移动在Y轴方向直线度补偿前后的偏差示意图；

图10为X轴移动在Y轴方向直线度补偿前后的偏差示意图；

具体实施方式

机床床身直线度补偿方法，其特征在于，包括以下步骤（本发明以HCW3-250数控镗铣床为例，对该数控镗铣床的X轴有效加工行程13米进行了直线度的温度补偿进行说明）：

步骤1，如图3,通过激光干涉仪检测补偿轴的直线度偏差：从直线度补偿的坐标最小点开始检测Y轴方向的直线度偏差，每间隔1000mm检测一个点数据，用同样的方法检测Z轴方向的直线度偏差数据。检测床身在Y轴方向的直线度数据分别为D1y、D2y、D3y……Dny，其中Dny为Y轴方向的第n个补偿点数据，检测床身在Z轴方向的直线度数据分别为D1z、D2z、D3z……Dnz，其中Dnz为Z轴方向的第n个补偿点数据。在具体实施过程中，检测了夏季较高温度和冬季较低温度时的直线度偏差数据，具体检测见下面的表1至表4：

表1（补偿前，检测床身温度为：27.1304度，直线度在Y轴方向的偏差）

表2（补偿前，检测床身温度为：27.1304度，直线度在Z轴方向的偏差）

表3（补偿前，检测床身温度为：11.47826度，直线度在Y轴方向的偏差）

表4（补偿前，检测床身温度为：11.47826度，直线度在Z轴方向的偏差）

通过计算得到床身直线度沿Y轴方向或Z轴方向的偏差，对于检测数据采用下面的计算式得到床身直线度在Y轴方向或Z轴方向的偏差：

Dci=Di-Dn/(n-1)*（i-1）；

上式计算式为两端归一法，上式中，Dci表示检测偏差,是以两端为基准的中间段各点的补偿系数，n为补偿点的总数，Di为第i个补偿点数据，

对于直线度的补偿，补偿结果只要是一条直线，就可以达到目的。但是，数控系统中补偿量的大小是有限制的，最大补偿量的绝对值≤1mm；每次检测激光仪器所处的位置不同，检测数据也不同，多次检测如果没有相同的基准很难分析和补偿。两端归一法，是以两端为基准，分析中间段的偏差，分析数据一目了然，便于分析和补偿操作。

步骤2，如图4，由温度变送器将温度传感器采集的床身温度信号转换为床身的实际温度值；优选项，步骤2中，采集床身温度的传感器采用Pt电阻，经过变送器将床身温度检测信号-50°到100°的温度信号转换成4mA到20mA电流信号传送到模拟量模块，在机床控制系统内，通过以下计算式将采集来的模拟量信号转换为实际的温度值：

式（6）

式（6）中，T_up和T_dow为Pt电阻检测的上限和下限温度值，即T_up=100，T_dow=-50），PIW为模拟量采集的温度信号数值，T为床身数据温度数。通过以上床身温度检测，床身温度检测分辨率为150/27648=0.0054度，在分辨率范围内的温度变化对床身的影响甚微：

（166.91-720.77）/(27.1304-11.47826)*0.0054=-0.18um。

步骤3，机床控制系统读出补偿轴的实时坐标值；

步骤4，在机床的控制系统中建立如下直线度补偿数学计算模型：

步骤A、根据步骤1至3，建立直线度补偿连续温度和离散坐标位置函数

其中F（tp）为任意温度t,X轴坐标位置p时Y轴和Z轴方向的补偿系数；

步骤B、将上述步骤A中的离散坐标位置函数进行连续化，建立X轴任意坐标位置连续函数，下式为不同段的连续函数：

参照图5：

式（1）

式（1）中，D(tp)y为温度t,X轴任意坐标位置p时Y轴方向的补偿系数；D(t)iy为温度t时，第i个补偿系数处的Y轴方向的补偿系数；D(t)(i-1)y为温度t时，第i-1个补偿系数处的Y轴方向的补偿系数；p为X轴的补偿坐标位置，在第i个补偿坐标位置pi与第i-1个补偿坐标位置p(i-1)之间，i=1,2,3…n；

参照图6：

式（2）

式（2）中，D(tp)z为温度t,X轴任意位置p时Z方向的补偿系数；D(t)iz为温度t时，第i个补偿系数处的Z轴方向的补偿系数；D(t)(i-1)z为温度t时，第i-1个补偿系数处的Z轴方向的补偿系数；p为X轴的补偿位置坐标，在第i个补偿坐标位置pi与第i-1个补偿坐标位置p(i-1)之间，i=1,2,3…n；

步骤C、参照图7，根据步骤B中的式（1）建立Y轴方向的连续温度和X轴任意坐标位置函数：

式（3）

式（3）中，D（tp）y为温度t,X轴任意坐标位置p时Y轴方向的补偿系数；D(p)y1为温度t1，X轴任意坐标位置p时Y方向的补偿系数；D(p)y2为温度t2，X轴任意坐标位置p时Y轴方向的补偿系数；

两点间的补偿系数采用直线段来接近实际的补偿系数，对于精度要求高的机床，该补偿分段可以多一些，即n大一些，本方案中分段间隔为1米。经过以上计算就可以得到温度t时，X轴任意坐标位置p时Y方向的补偿系数。

D、参照图8，根据步骤B中的式（2）建立Z轴方向的连续温度和X轴任意坐标位置函数：

式（4）

式（4）中，D（tp）z为温度t,X轴任意坐标位置p时Z轴方向的补偿系数；D(p)z1为温度t1，X轴任意坐标位置p时Z方向的补偿系数；D(p)z2为温度t2，X轴任意坐标位置p时Z方向的补偿系数；

温度的变化对床身的影响接近于线性的变化，对设备所处环境中低温t1及高温t2两端变化较大情况进行补偿，中间段温度变化和两端外的变化采用直线接近实际的变化。根据以上计算将得到设备所处环境温度范围内，X轴任意坐标时的补偿系数。

在步骤4与步骤5之间，还进行以下步骤：通过NC变量指示器软件制作系统变量表，将变量表转换为可编程控制器的数据表。用可编程控制器的标准读写模块读写系统变量。调用预先编制好的系统变量读模块，读出X轴的坐标位置及当前坐标位置的补偿系数，将读出的补偿系数与式（3）和式（4）中计算所的补偿系数进行比较，当偏差大于0.003mm时，将当前计算的补偿系数重新写入机床控制系统。

步骤5，机床控制系统读取坐标位置，根据式（3）和式（4）计算所得的对应于该坐标位置的补偿系数，再通过以下计算式计算当前的直线度的实际偏差：

补偿量=补偿系数×补偿值 式（5）

式（5）中，补偿系数为式（3）中的D（tp）y，或式（4）中的D（tp）z；补偿值为恒定值；优选项，步骤5中的补偿值设定为1。

步骤6，机床控制系统根据步骤5所得的补偿量对直线度的实际偏差进行补偿。结合到步骤1中的表1至表4，补偿后的结果见下面的表5至表8：

表5（该表融入了表1，以形成补偿前后对比）

表6（该表融入了表2，以形成补偿前后对比）

表7（该表融入了表3，以形成补偿前后对比）

表8（该表融入了表4，以形成补偿前后对比）

通过表5和表7可以看出，在夏季和冬季两个不同的时间段，通过本发明的方法对机床的直线度在Y轴方向的补偿明显得到的改善。通过表6和表8可以看出，在夏季和冬季两个不同的时间段，通过本发明的方法对机床的直线度在Z轴方向的补偿也明显得到的改善。补偿精度获得提高。

结合到表5、表7和图9（图9中，其中△为补偿前偏差，△27为床身约27度时的补偿前偏差；▲为补偿后的偏差，▲11为床身温度约11度时补偿后的偏差），通过计算得到X轴移动在Y轴方向补偿前最大的直线度偏差为：△27=33.02+133.89=166.91um；△11=720.77um；

X轴移动在Y轴方向补偿后最大的直线度偏差为：▲27=12.06+12.27=24.33um；▲11=10.01+9.4=19.41um；

经过温度补偿后在27.1304度时Y轴方向的直线度精度提高β27=166.91/24.33=6.86倍；

在11.47826度时Y轴方向的直线度精度提高β11=720.77/19.41=37.13倍。

结合到表6、表8和图10（图10中，其中△为补偿前偏差，△27为床身约27度时的补偿前偏差；▲为补偿后的偏差，▲11为床身温度约11度时补偿后的偏差），通过计算得到X轴移动在Z轴方向补偿前最大的直线度偏差：△27=63.22+89.77=152.99um；△11=49.58+89.55=139.13um。

通过计算得到X轴移动在Z轴方向补偿后最大的直线度偏差：▲27=12.06+12.27=24.33um；▲11=20.47+7.76=28.23um

经过温度补偿后水平方向的直线度精度在27.1304度时提高β27=152.99/24.33=6.288倍

在11.47826度时水平方向的直线度精度提高β11=139.13/28.23=4.93倍。

从以上数据可以证明，补偿精度获得实质性提高。

本发明并不局限于所述的实施例，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神即公开范围内，仍可作一些修正或改变，故本发明的权利保护范围以权利要求书限定的范围为准。

Claims (6)

1.机床床身直线度补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，检测床身在Y轴方向的直线度数据分别为D1y、D2y、D3y……Dny，检测床身在Z轴方向的直线度数据分别为D1z、D2z、D3z……Dnz，通过计算得到床身直线度沿Y轴方向或Z轴方向的偏差；

步骤2，由温度变送器将温度传感器采集的床身温度信号转换为床身的实际温度值；

步骤3，机床控制系统读出补偿轴的实时坐标值；

步骤4，在机床的控制系统中建立如下直线度补偿数学计算模型：

步骤A、根据步骤1至3，建立直线度补偿连续温度和离散坐标位置函数

$F\left(tp\right)=\left[\begin{array}{cc}D1\left(tp\right)y& D1\left(tp\right)z\\ D2\left(tp\right)y& D2\left(tp\right)z\\ D3\left(tp\right)y& D3\left(tp\right)z\\ \mathrm{...}& \mathrm{...}\\ Dn\left(tp\right)y& Dn\left(tp\right)z\end{array}\right]=\frac{t2-t}{t2-t1}\left[\begin{array}{cc}D1y1& D1z1\\ D2y1& D2z1\\ D3y1& D3z1\\ \mathrm{...}& \mathrm{...}\\ Dny1& Dnz1\end{array}\right]+\frac{t-t1}{t2-t1}\left[\begin{array}{cc}D1y2& D1z2\\ D2y2& D2z2\\ D3y2& D3z2\\ \mathrm{...}& \mathrm{...}\\ Dny2& Dnz2\end{array}\right]$

其中F(tp)为任意温度t,X轴坐标位置p时Y轴和Z轴方向的补偿系数；

步骤B、将上述步骤A中的离散坐标位置函数进行连续化，建立X轴任意坐标位置连续函数，下式为不同段的连续函数：

式(1)中，D(tp)y为温度t,X轴任意坐标位置p时Y轴方向的补偿系数；D(t)iy为温度t时，第i个补偿系数处的Y轴方向的补偿系数；D(t)(i-1)y为温度t时，第i-1个补偿系数处的Y轴方向的补偿系数；p为X轴的补偿坐标位置，在第i个补偿坐标位置pi与第i-1个补偿坐标位置p(i-1)之间，i＝1,2,3…n；

式(2)中，D(tp)z为温度t,X轴任意位置p时Z方向的补偿系数；D(t)iz为温度t时，第i个补偿系数处的Z轴方向的补偿系数；D(t)(i-1)z为温度t时，第i-1个补偿系数处的Z轴方向的补偿系数；p为X轴的补偿坐标位置，在第i个补偿坐标位置pi与第i-1个补偿坐标位置p(i-1)之间，i＝1,2,3…n；

步骤C、根据步骤B中的式(1)建立Y轴方向的连续温度和X轴任意坐标位置函数：

式(3)中，D(tp)y为温度t,X轴任意坐标位置p时Y轴方向的补偿系数；D(p)y1为温度t1，X轴任意坐标位置p时Y方向的补偿系数；D(p)y2为温度t2，X轴任意坐标位置p时Y轴方向的补偿系数；

D、根据步骤B中的式(2)建立Z轴方向的连续温度和X轴任意坐标位置函数：

式(4)中，D(tp)z为温度t,X轴任意坐标位置p时Z轴方向的补偿系数；D(p)z1为温度t1，X轴任意坐标位置p时Z方向的补偿系数；D(p)z2为温度t2，X轴任意坐标位置p时Z方向的补偿系数；

步骤5，机床控制系统读取坐标位置，根据式(3)和式(4)计算所得的对应于该坐标位置的补偿系数，再通过以下计算式计算当前的直线度的实际偏差：

补偿量＝补偿系数×补偿值 式(5)

式(5)中，补偿系数为式(3)中的D(tp)y，或式(4)中的D(tp)z；补偿值为恒定值；

步骤6，机床控制系统根据步骤5所得的补偿量对直线度的实际偏差进行补偿。

2.根据权利要求1所述的机床床身直线度补偿方法，其特征在于：步骤1中，通过激光干涉仪检测补偿轴的直线度偏差：从直线度补偿的坐标最小点开始检测Y轴方向的直线度偏差，每间隔1000mm检测一个点数据，用同样的方法检测Z轴方向的直线度偏差数据。

3.根据权利要求1或2所述的机床床身直线度补偿方法，其特征在于：步骤1中，对于检测数据采用下面的计算式得到床身直线度在Y轴方向或Z轴方向的偏差：

Dci＝Di-Dn/(n-1)*(i-1)；

上式中，Dci表示偏差，n为补偿点的总数，Di为第i个补偿点数据。

4.根据权利要求1所述的机床床身直线度补偿方法，其特征在于：步骤2中，采集床身温度的传感器采用Pt电阻，经过变送器将床身温度检测信号-50°到100°的温度信号转换成4mA到20mA电流信号传送到模拟量模块，在机床控制系统内，通过以下计算式将采集来的模拟量信号转换为实际的温度值：

式(6)中，T_up和T_dow为Pt电阻检测的上限和下限温度值，即T_up＝100，T_dow＝-50，PIW为模拟量采集的温度信号数值，T为床身数据温度数。

5.根据权利要求1所述的机床床身直线度补偿方法，其特征在于：步骤5中的补偿值设定为1。

6.根据权利要求1所述的机床床身直线度补偿方法，其特征在于：在步骤4与步骤5之间，还进行以下步骤：调用预先编制好的系统变量读模块，读出X轴的坐标位置及当前坐标位置的补偿系数，将读出的补偿系数与式(3)和式(4)中计算所的补偿系数进行比较，当偏差大于0.003mm时，将当前计算的补偿系数重新写入机床控制系统。