CN104070406A - 一种主轴综合误差实时补偿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主轴综合误差实时补偿装置及方法，该装置包括径向电容位移传感器、轴向电容位移传感器、控制计算机、双自由度快刀伺服控制器以及双自由度快刀伺服单元，径向电容位移传感器的输出端与控制计算机的第一输入端连接，轴向电容位移传感器的输出端与控制计算机的第二输入端连接，双自由度快刀伺服控制器分别与控制计算机及双自由度快刀伺服单元连接，双自由度快刀伺服单元与加工刀具连接，径向电容位移传感器安装在加工刀具的一侧且其轴线与工件的轴线垂直相交，轴向电容位移传感器安装在工件的一端面且其轴线与工件的端面垂直。本发明可简单、快速、全面地对主轴综合误差进行在线实时测量及补偿，可广泛应用于精密机床加工领域中。

Description

一种主轴综合误差实时补偿装置及方法

技术领域

本发明涉及精密机床加工领域，特别是涉及一种用于超精密机床上加工辊筒微结构的主轴综合误差实时补偿装置及方法。

背景技术

许多光学器件上的微结构都是用滚压成型的方法加工的，而滚压成型所使用的辊筒则多为单点金刚石的超精密机床加工而成。由于微结构的尺寸非常小，对其结构的形状精度和表面粗糙度要求都很高，从而对机床的加工精度也提出了非常高的要求。

主轴是超精密机床上广泛应用的一个重要部件，其运动精度对加工质量具有决定性的意义。随着气浮主轴的发展，主轴的精度已得到很大的提高，但其运动误差仍然会对人们越渐严格的要求尤其是光学零件的要求造成较大的不良影响。主轴的主要误差为运动误差即同步误差，同步误差具有周期性，而除了周期性的同步误差外，本申请将热误差等其它主轴误差统称为非同步误差。目前技术中，基本上只是对主轴的同步误差进行检测或补偿，或者是仅仅检测或校正非同步误差，而且采用的方法较为复杂，需要通过各种繁琐的计算，反应速度慢，还无法全面地反应主轴的误差，导致精密加工时依然存在较大误差。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种主轴综合误差实时补偿装置。本发明的另一目的是提供一种主轴综合误差实时补偿方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种主轴综合误差实时补偿装置，包括径向电容位移传感器、轴向电容位移传感器、控制计算机、双自由度快刀伺服控制器以及双自由度快刀伺服单元，所述径向电容位移传感器的输出端与控制计算机的第一输入端连接，所述轴向电容位移传感器的输出端与控制计算机的第二输入端连接，所述双自由度快刀伺服控制器分别与控制计算机及双自由度快刀伺服单元连接；

所述双自由度快刀伺服单元与加工刀具连接，所述径向电容位移传感器安装在加工刀具的一侧且其轴线与工件的轴线垂直相交，所述轴向电容位移传感器安装在工件的一端面且其轴线与工件的端面垂直。

进一步，所述径向电容位移传感器用于采集工件的实时的径向位移并发送到控制计算机，所述轴向电容位移传感器用于采集工件的实时的轴向位移并发送到控制计算机，所述控制计算机用于接收工件的实时的径向位移和轴向位移后计算出工件的径向误差和轴向误差并发送到双自由度快刀伺服控制器，所述双自由度快刀伺服控制器用于根据接收到的工件的径向误差和轴向误差控制双自由度快刀伺服单元进行误差补偿。

进一步，所述双自由度快刀伺服单元包括双自由度解耦的进给机构、X方向电容位移传感器、X方向压电陶瓷、Z方向电容位移传感器及Z方向压电陶瓷；

所述X方向电容位移传感器及X方向压电陶瓷均安装在双自由度解耦的进给机构的X方向上且其轴线均与双自由度解耦的进给机构的X轴平行，所述Z方向电容位移传感器及Z方向压电陶瓷均安装在双自由度解耦的进给机构的Z方向上且其轴线均与双自由度解耦的进给机构的Z轴平行；

所述X方向电容位移传感器的输出端与双自由度快刀伺服控制器的第一输入端连接，所述Z方向电容位移传感器的输出端与双自由度快刀伺服控制器的第二输入端连接，所述双自由度快刀伺服控制器的第一输出端与X方向压电陶瓷的输入端连接，所述双自由度快刀伺服控制器的第二输出端与Z方向压电陶瓷的输入端连接。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：

一种主轴综合误差实时补偿方法，包括：

S1、采用径向电容位移传感器采集工件的实时的径向位移并发送到控制计算机，同时采用轴向电容位移传感器采集工件的实时的轴向位移并发送到控制计算机；

S2、控制计算机接收工件的实时的径向位移和轴向位移并分别与预设的径向位移及预设的轴向位移进行比较，进而计算出工件的径向误差和轴向误差后发送到双自由度快刀伺服控制器；

S3、双自由度快刀伺服控制器根据接收的工件的径向误差和轴向误差控制双自由度快刀伺服单元进行进给移动从而实现误差补偿。

进一步，所述步骤S3，其具体为：

双自由度快刀伺服控制器根据接收的工件的径向误差，向Z方向压电陶瓷发送控制信号从而使得双自由度解耦的进给机构在Z方向上进行移动进而实现Z方向的误差补偿，同时采用Z方向电容位移传感器实时检测Z方向的移动位移并反馈到双自由度快刀伺服控制器；

双自由度快刀伺服控制器根据接收的工件的轴向误差，向X方向压电陶瓷发送控制信号从而使得双自由度解耦的进给机构在X方向上进行移动进而实现X方向的误差补偿，同时采用X方向电容位移传感器实时检测X方向的移动位移并反馈到双自由度快刀伺服控制器。

本发明的有益效果是：本发明的一种主轴综合误差实时补偿装置，包括径向电容位移传感器、轴向电容位移传感器、控制计算机、双自由度快刀伺服控制器以及双自由度快刀伺服单元，可通过径向电容位移传感器采集工件的实时的径向位移并发送到控制计算机，同时通过轴向电容位移传感器采集工件的实时的轴向位移并发送到控制计算机，控制计算机接收工件的实时的径向位移和轴向位移后计算出工件的径向误差和轴向误差并发送到双自由度快刀伺服控制器，然后双自由度快刀伺服控制器用于根据接收到的工件的径向误差和轴向误差控制双自由度快刀伺服单元进行误差补偿。本装置可以简单、快速地对主轴的同步误差和非同步误差构成的综合误差进行在线实时测量及补偿，全面地对主轴的误差进行补偿。

同时，还可以对误差补偿结果进行实时反馈，提高误差补偿精度。

本发明的另一有益效果是：一种主轴综合误差实时补偿方法，采用径向电容位移传感器采集工件的实时的径向位移并发送到控制计算机，同时采用轴向电容位移传感器采集工件的实时的轴向位移并发送到控制计算机后，控制计算机接收工件的实时的径向位移和轴向位移并分别与预设的径向位移及预设的轴向位移进行比较，进而计算出工件的径向误差和轴向误差后发送到双自由度快刀伺服控制器，最后双自由度快刀伺服控制器根据接收的工件的径向误差和轴向误差控制双自由度快刀伺服单元进行进给移动从而实现误差补偿，本方法以简单、快速地对主轴的同步误差和非同步误差构成的综合误差进行在线实时测量及补偿，全面地对主轴的误差进行补偿。

同时，还可以对误差补偿结果进行实时反馈，提高误差补偿精度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的一种主轴综合误差实时补偿装置的结构示意图；

图2是图1中的传感器的空间位置侧视图；

图3是图1中的双自由度快刀伺服单元的结构示意图；

图4是采用计算机仿真生成的径向误差示意图；

图5是采用计算机仿真生成的轴向误差示意图；

图6是仿真采用传统的非实时的误差补偿方法对图4中的径向误差进行补偿后所得到的径向残余误差示意图；

图7是仿真采用传统的非实时的误差补偿方法对图5中的轴向误差进行补偿后所得到的轴向残余误差示意图；

图8是仿真采用本发明的主轴综合误差实时补偿方法对图4中的径向误差进行补偿后所得到的径向残余误差示意图；

图9是仿真采用本发明的主轴综合误差实时补偿方法对图5中的轴向误差进行补偿后所得到的轴向残余误差示意图。

具体实施方式

参照图1，本发明提供了一种主轴综合误差实时补偿装置，包括径向电容位移传感器1、轴向电容位移传感器2、控制计算机3、双自由度快刀伺服控制器4以及双自由度快刀伺服单元5，所述径向电容位移传感器1的输出端与控制计算机3的第一输入端连接，所述轴向电容位移传感器2的输出端与控制计算机3的第二输入端连接，所述双自由度快刀伺服控制器4分别与控制计算机3及双自由度快刀伺服单元5连接；

所述双自由度快刀伺服单元5与加工刀具0连接，所述径向电容位移传感器1安装在加工刀具0的一侧且其轴线与工件的轴线垂直相交，所述轴向电容位移传感器2安装在工件的一端面且其轴线与工件的端面垂直。径向电容位移传感器1及轴向电容位移传感器2与工件的空间位置的侧视图如图2所示。

参照图1所示，径向电容位移传感器1和双自由度快刀伺服单元5均安装在移动平台8上，通过移动移动平台8，可以实现对工件的不同位置的误差测量以及误差补偿。

进一步作为优选的实施方式，所述径向电容位移传感器1用于采集工件的实时的径向位移并发送到控制计算机3，所述轴向电容位移传感器2用于采集工件的实时的轴向位移并发送到控制计算机3，所述控制计算机3用于接收工件的实时的径向位移和轴向位移后计算出工件的径向误差和轴向误差并发送到双自由度快刀伺服控制器4，所述双自由度快刀伺服控制器4用于根据接收到的工件的径向误差和轴向误差控制双自由度快刀伺服单元5进行误差补偿。

进一步作为优选的实施方式，参照图3，所述双自由度快刀伺服单元5包括双自由度解耦的进给机构51、X方向电容位移传感器521、X方向压电陶瓷522、Z方向电容位移传感器531及Z方向压电陶瓷532；

所述X方向电容位移传感器521及X方向压电陶瓷522均安装在双自由度解耦的进给机构51的X方向上且其轴线均与双自由度解耦的进给机构51的X轴平行，所述Z方向电容位移传感器531及Z方向压电陶瓷532均安装在双自由度解耦的进给机构51的Z方向上且其轴线均与双自由度解耦的进给机构51的Z轴平行；

所述X方向电容位移传感器521的输出端与双自由度快刀伺服控制器4的第一输入端连接，所述Z方向电容位移传感器531的输出端与双自由度快刀伺服控制器4的第二输入端连接，所述双自由度快刀伺服控制器4的第一输出端与X方向压电陶瓷522的输入端连接，所述双自由度快刀伺服控制器4的第二输出端与Z方向压电陶瓷532的输入端连接。

本发明还提供了一种主轴综合误差实时补偿方法，包括：

S1、采用径向电容位移传感器采集工件的实时的径向位移并发送到控制计算机，同时采用轴向电容位移传感器采集工件的实时的轴向位移并发送到控制计算机；

S2、控制计算机接收工件的实时的径向位移和轴向位移并分别与预设的径向位移及预设的轴向位移进行比较，进而计算出工件的径向误差和轴向误差后发送到双自由度快刀伺服控制器；

S3、双自由度快刀伺服控制器根据接收的工件的径向误差和轴向误差控制双自由度快刀伺服单元进行进给移动从而实现误差补偿。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S3，其具体为：

双自由度快刀伺服控制器根据接收的工件的径向误差，向Z方向压电陶瓷发送控制信号从而使得双自由度解耦的进给机构在Z方向上进行移动进而实现Z方向的误差补偿，同时采用Z方向电容位移传感器实时检测Z方向的移动位移并反馈到双自由度快刀伺服控制器；

双自由度快刀伺服控制器根据接收的工件的轴向误差，向X方向压电陶瓷发送控制信号从而使得双自由度解耦的进给机构在X方向上进行移动进而实现X方向的误差补偿，同时采用X方向电容位移传感器实时检测X方向的移动位移并反馈到双自由度快刀伺服控制器。

下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。

实施例一

参照图1~图3，一种主轴综合误差实时补偿装置，包括径向电容位移传感器1、轴向电容位移传感器2、控制计算机3、双自由度快刀伺服控制器4以及双自由度快刀伺服单元5，径向电容位移传感器1的输出端与控制计算机3的第一输入端连接，轴向电容位移传感器2的输出端与控制计算机3的第二输入端连接，双自由度快刀伺服控制器4分别与控制计算机3及双自由度快刀伺服单元5连接；

双自由度快刀伺服单元5与加工刀具0连接，径向电容位移传感器1安装在加工刀具0的一侧且其轴线与工件的轴线垂直相交，轴向电容位移传感器2安装在工件的一端面且其轴线与工件的端面垂直，因此，可以准确地测量得到径向电容位移传感器1和轴向电容位移传感器2与工件之间的实时距离；

径向电容位移传感器1用于采集工件的实时的径向位移并发送到控制计算机3，轴向电容位移传感器2用于采集工件的实时的轴向位移并发送到控制计算机3，控制计算机3用于接收工件的实时的径向位移和轴向位移后计算出工件的径向误差和轴向误差并发送到双自由度快刀伺服控制器4，双自由度快刀伺服控制器4用于根据接收到的工件的径向误差和轴向误差控制双自由度快刀伺服单元5进行误差补偿。

图1跟图3中的坐标系用于标识主轴的X方向和Z方向，即标明本发明的主轴综合误差实时补偿装置的X方向和Z方向。

优选的，如图3所示，本实施例中双自由度快刀伺服单元5包括双自由度解耦的进给机构51、X方向电容位移传感器521、X方向压电陶瓷522、Z方向电容位移传感器531及Z方向压电陶瓷532；

X方向电容位移传感器521及X方向压电陶瓷522均安装在双自由度解耦的进给机构51的X方向上且其轴线均与双自由度解耦的进给机构51的X轴平行，Z方向电容位移传感器531及Z方向压电陶瓷532均安装在双自由度解耦的进给机构51的Z方向上且其轴线均与双自由度解耦的进给机构51的Z轴平行；

X方向电容位移传感器521的输出端与双自由度快刀伺服控制器4的第一输入端连接，Z方向电容位移传感器531的输出端与双自由度快刀伺服控制器4的第二输入端连接，双自由度快刀伺服控制器4的第一输出端与X方向压电陶瓷522的输入端连接，双自由度快刀伺服控制器4的第二输出端与Z方向压电陶瓷532的输入端连接。

本实施例中的双自由度快刀伺服单元5可以看作是由两个快刀伺服单元即X方向的快刀伺服单元跟Z方向的快刀伺服单元组成的，X方向的快刀伺服单元包括X方向电容位移传感器521和X方向压电陶瓷522，Z方向的快刀伺服单元包括Z方向电容位移传感器531及Z方向压电陶瓷532，每个快刀伺服单元的电容位移传感器和压电陶瓷组成一个反馈系统，即组成闭环控制系统，双自由度解耦的进给机构独立地为两个快刀伺服单元提供进给移动，从而实时地实现X方向或Z方向的误差补偿，同时还可以对误差补偿结果进行实时反馈，减小压电陶瓷的非线性影响，提高误差补偿精度。

本实施例采用径向电容位移传感器1和轴向电容位移传感器2实时测量工件的径向位移和轴向位移并发送到控制计算机3，控制计算机3接收工件的实时的径向位移和轴向位移后计算出工件的径向误差和轴向误差并发送到双自由度快刀伺服控制器4，双自由度快刀伺服控制器4用于根据接收到的工件的径向误差和轴向误差控制双自由度快刀伺服单元5进行误差补偿，即控制双自由度快刀伺服单元5的两个快刀伺服单元进行进给移动，实现误差补偿。本实施例的径向误差和轴向误差都是在线实时测量和实时补偿的，该两个误差均同时包括同步误差和非同步误差，因此，本实施例可以对主轴的综合误差进行补偿。

实施例二

一种主轴综合误差实时补偿方法，包括：

S1、采用径向电容位移传感器采集工件的实时的径向位移并发送到控制计算机，同时采用轴向电容位移传感器采集工件的实时的轴向位移并发送到控制计算机；

S2、控制计算机接收工件的实时的径向位移和轴向位移并分别与预设的径向位移及预设的轴向位移进行比较，进而计算出工件的径向误差和轴向误差后发送到双自由度快刀伺服控制器；预设的径向位移和预设的轴向位移是设定的对工件的加工参数，例如，若实时的径向位移与预设的径向位移有差值，则该差值为误差值，需要进行补偿，具体的，假设预设的径向位移为0.100mm，而实时的径向位移为0.110mm，则径向电容位移传感器与工件之间的实时位移比设定值大了0.010mm，即存在0.010mm的径向误差，需要进行补偿；

S3、双自由度快刀伺服控制器根据接收的工件的径向误差和轴向误差控制双自由度快刀伺服单元进行进给移动从而实现误差补偿，其具体为：

参照图3，双自由度快刀伺服控制器根据接收的工件的径向误差，向Z方向压电陶瓷发送控制信号从而使得双自由度解耦的进给机构在Z方向上进行移动进而实现Z方向的误差补偿，同时采用Z方向电容位移传感器实时检测Z方向的移动位移并反馈到双自由度快刀伺服控制器；例如，上一步骤中测得的径向误差为0.010mm，这里，双自由度快刀伺服控制器通过发送电信号到Z方向压电陶瓷上使得其发生0.010mm的形变，从而使得双自由度解耦的进给机构在Z方向上进给移动0.010mm实现Z方向的误差补偿，同时采用Z方向电容位移传感器实时检测Z方向的移动位移并反馈到双自由度快刀伺服控制器从而监控Z方向的误差补偿效果；

双自由度快刀伺服控制器根据接收的工件的轴向误差，向X方向压电陶瓷发送控制信号从而使得双自由度解耦的进给机构在X方向上进行移动进而实现X方向的误差补偿，同时采用X方向电容位移传感器实时检测X方向的移动位移并反馈到双自由度快刀伺服控制器；假设步骤S2中，控制计算机接收工件的实时的轴向位移为0.220mm，而预设的轴向位移为0.200mm，则计算得到轴向误差为0.220-0.200=0.020mm，因此，双自由度快刀伺服控制器通过发送电信号到X方向压电陶瓷上使得其发生0.020mm的形变，从而使得双自由度解耦的进给机构在X方向上进给移动0.020mm实现X方向的误差补偿，同时采用X方向电容位移传感器实时检测X方向的移动位移并反馈到双自由度快刀伺服控制器从而监控X方向的误差补偿效果。

本实施例是实施例一的主轴综合误差补偿装置的补偿方法，实施例一中的各种补充描述也是适用于本实施例的，这里不再赘述。

为了验证本发明的主轴综合误差实时补偿方法的精确度，这里，进行仿真试验，图4是采用计算机仿真生成的径向误差，其中附图标记9表示径向同步误差，附图标记10表示径向非同步误差，图5是计算机仿真生成的轴向误差，其中附图标记11表示轴向同步误差，附图标记12表示轴向非同步误差。

图6跟图7分别是仿真采用传统的非实时的误差补偿方法对图4和图5中的径向误差和轴向误差进行补偿后，所得到的径向残余误差和轴向残余误差，图6中附图标记13表示径向残余误差，图7中附图标记14表示轴向残余误差。由图中可看出，传统的误差补偿方法进行补偿后，残余误差比较大。图8跟图9分别是仿真采用本发明的主轴综合误差实时补偿方法对图4和图5中的径向误差和轴向误差进行补偿后，所得到的径向残余误差和轴向残余误差，图8中附图标记15表示径向残余误差，图9中附图标记16表示轴向残余误差。分别对比图6跟图8、图7跟图9，可明确得出，相比传统的非实时的误差补偿方法，本发明的主轴综合误差实时补偿方法进行误差补偿后，残余误差相对比较小，具有较好的误差补偿效果。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种主轴综合误差实时补偿装置，其特征在于，包括径向电容位移传感器（1）、轴向电容位移传感器（2）、控制计算机（3）、双自由度快刀伺服控制器（4）以及双自由度快刀伺服单元（5），所述径向电容位移传感器（1）的输出端与控制计算机（3）的第一输入端连接，所述轴向电容位移传感器（2）的输出端与控制计算机（3）的第二输入端连接，所述双自由度快刀伺服控制器（4）分别与控制计算机（3）及双自由度快刀伺服单元（5）连接；

所述双自由度快刀伺服单元（5）与加工刀具（0）连接，所述径向电容位移传感器（1）安装在加工刀具（0）的一侧且其轴线与工件的轴线垂直相交，所述轴向电容位移传感器（2）安装在工件的一端面且其轴线与工件的端面垂直。

2.根据权利要求1所述的一种主轴综合误差实时补偿装置，其特征在于，所述径向电容位移传感器（1）用于采集工件的实时的径向位移并发送到控制计算机（3），所述轴向电容位移传感器（2）用于采集工件的实时的轴向位移并发送到控制计算机（3），所述控制计算机（3）用于接收工件的实时的径向位移和轴向位移后计算出工件的径向误差和轴向误差并发送到双自由度快刀伺服控制器（4），所述双自由度快刀伺服控制器（4）用于根据接收到的工件的径向误差和轴向误差控制双自由度快刀伺服单元（5）进行误差补偿。

3.根据权利要求1所述的一种主轴综合误差实时补偿装置，其特征在于，所述双自由度快刀伺服单元（5）包括双自由度解耦的进给机构（51）、X方向电容位移传感器（521）、X方向压电陶瓷（522）、Z方向电容位移传感器（531）及Z方向压电陶瓷（532）；

所述X方向电容位移传感器（521）及X方向压电陶瓷（522）均安装在双自由度解耦的进给机构（51）的X方向上且其轴线均与双自由度解耦的进给机构（51）的X轴平行，所述Z方向电容位移传感器（531）及Z方向压电陶瓷（532）均安装在双自由度解耦的进给机构（51）的Z方向上且其轴线均与双自由度解耦的进给机构（51）的Z轴平行；

所述X方向电容位移传感器（521）的输出端与双自由度快刀伺服控制器（4）的第一输入端连接，所述Z方向电容位移传感器（531）的输出端与双自由度快刀伺服控制器（4）的第二输入端连接，所述双自由度快刀伺服控制器（4）的第一输出端与X方向压电陶瓷（522）的输入端连接，所述双自由度快刀伺服控制器（4）的第二输出端与Z方向压电陶瓷（532）的输入端连接。

4.一种主轴综合误差实时补偿方法，其特征在于，包括：

S1、采用径向电容位移传感器采集工件的实时的径向位移并发送到控制计算机，同时采用轴向电容位移传感器采集工件的实时的轴向位移并发送到控制计算机；

S2、控制计算机接收工件的实时的径向位移和轴向位移并分别与预设的径向位移及预设的轴向位移进行比较，进而计算出工件的径向误差和轴向误差后发送到双自由度快刀伺服控制器；

S3、双自由度快刀伺服控制器根据接收的工件的径向误差和轴向误差控制双自由度快刀伺服单元进行进给移动从而实现误差补偿。

5.根据权利要求4的一种主轴综合误差实时补偿方法，其特征在于，所述步骤S3，其具体为：

双自由度快刀伺服控制器根据接收的工件的径向误差，向Z方向压电陶瓷发送控制信号从而使得双自由度解耦的进给机构在Z方向上进行移动进而实现Z方向的误差补偿，同时采用Z方向电容位移传感器实时检测Z方向的移动位移并反馈到双自由度快刀伺服控制器；

双自由度快刀伺服控制器根据接收的工件的轴向误差，向X方向压电陶瓷发送控制信号从而使得双自由度解耦的进给机构在X方向上进行移动进而实现X方向的误差补偿，同时采用X方向电容位移传感器实时检测X方向的移动位移并反馈到双自由度快刀伺服控制器。