CN104460513A - 双转台五轴机床体积误差补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双转台五轴机床体积误差补偿装置。基于软件的误差补偿器主要由数据采集模块、DSP模块和接口模块组成。数据采集模块主要用来对温度信号和电流信号进行预处理和A/D转换。DSP模块内置体积误差模型和补偿运动模型。经A/D转换的温度信号和电流信号、由并口反馈的加工位置信号，同时输入DSP模块内置的体积误差模型，实时预测双转台五轴机床的体积误差。体积误差预测值通过DSP内置的补偿运动模型进行解耦，得到各轴的补偿运动参数。接口模块主要由1个串口和2个并口组成。串口与个人计算机相连，将所建模型置入DSP，并实时监控补偿过程。并口1主要用来反馈机床的加工位置信号，并口2主要用来将解耦后的各轴补偿参数送入数控接口卡。本发明主要通过DSP硬件开发实现补偿操作，对原有数控系统及加工程序影响较小，使用方便，易于推广。

Description

双转台五轴机床体积误差补偿装置

技术领域

本发明属于精密加工或误差补偿技术领域，具体涉及一种双转台五轴机床体积误差补偿装置，能够实时补偿双转台五轴机床的体积误差，提高双转台五轴机床的加工精度。

背景技术

五轴机床属于典型的多坐标联动机床，由于其同时具有移动和旋转刀具或工件的能力，能对几何形状复杂、精度要求较高的自由曲面进行加工，在大型旋转机械的叶片和螺旋桨加工过程中得到了广泛应用。加工过程中，五轴机床受多个误差源影响，其中几何误差、热误差和切削力误差占到了机床总误差的75%，对这3项误差进行控制是提高五轴机床加工精度的关键所在。

为控制机床误差，提高机床加工精度，目前主要有两种方法：误差补偿法和误差防止法。误差防止法主要通过设计和制造途径来减少直至消除可能的误差，但由于技术限制，其很难彻底消除机床加工误差。误差补偿法通过对加工过程中的主要误差源进行分析、测量、归纳，掌握主要误差源对机床误差的影响规律，从而建立机床误差模型，并利用模型计算结果去抵消机床误差，提高机床加工精度。由于能在机床上加工出超过机床本身精度的工件，误差补偿已成为精密加工领域的主要技术之一。

为提高双转台五轴机床的加工精度，本发明以双转台五轴机床的体积误差作为研究对象，确定体积误差建模所需的位移变量、温度变量和切削力变量，建立综合反映几何误差、热误差和切削力误差的最优体积误差模型，并设计体积误差补偿器，实施误差补偿，为提高五轴机床加工精度提供理论依据，具有重要的现实意义。

为提高机床加工精度，实施误差补偿，目前主要有以下几种方法：1）修改数控G代码，因为需要对G代码进行修改，补偿的实时性会受到影响，而数控系统的封闭性也限制了该方法的大规模应用；2）调整数控系统的内部参数，如螺距补偿、齿隙补偿等，以上均属静态补偿，补偿值不能随误差源实时变化，补偿精度难以保证；3）设计外部硬件装置。沈阳理工大学的张辽远等人设计了一种压电陶瓷微位移驱动装置，可以通过控制工件运动实现误差补偿。重庆大学的王时龙等人设计了一种差动螺旋补偿装置，可通过补偿系统控制蜗杆转动带动丝杠螺母转动，从而推动立柱移动，实现误差补偿。这些外加硬件装置克服了数控系统的封闭性，取得了很大成功，但设计成本高，难以大规模生产应用；4）设计误差补偿器。浙江大学的傅建中教授等人以误差补偿器为核心，设计了一套热误差实时补偿装置，有效提高了机床加工精度。上海交通大学的杨建国教授等人一直致力于误差补偿器的研发工作，所设计的误差补偿器已在云南机床厂等多个机床厂家进行了实验并得到了应用。由于数控系统的封闭性，目前误差补偿器研制仍处于实验室阶段，尚未见到批量生产的应用实例。尽管遇到了很大困难，误差补偿器研制仍被列入了国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”，充分说明了该技术的经济、社会效益及广阔应用前景。

发明内容

本发明的目的在于针对现有误差补偿技术存在的问题，提供一种双转台五轴机床体积误差补偿装置，可以根据实时采集的温度和电流信号对双转台五轴机床的体积误差进行实时预测及补偿，提高双转台五轴机床的加工精度，装置结构简单、测量方便、实时性强，具有广泛的应用前景。

为实现上述目的，本发明是通过以下方式实现的：根据双转台五轴机床的加工位置、关键热源温度和主轴伺服电机电流实时预测双转台五轴机床的体积误差，并通过体积误差补偿器把各轴补偿参数实时反馈给数控系统，进而调整双转台五轴机床的加工运动，提高双转台五轴机床的加工精度。

本发明的双转台五轴机床体积误差补偿装置主要包括数据采集模块、DSP模块、接口模块；数据采集模块包括温度变送模块、电流变送模块和A/D模块和若干传感器；DSP模块内置体积误差模型、补偿运动模型；接口模块包括1个串口和2个并口。

数据采集模块主要用来对机床主要热源的温度信号和主轴伺服电机的电流信号进行预处理。传感器测量的温度信号和电流信号通过温度变送模块和电流变送模块后，经A/D转换完成模数转换功能。

DSP模块内置体积误差模型、补偿运动模型。经A/D转换的温度信号、电流信号和并口反馈的加工位置信号送入体积误差模型进行计算，实时预测双转台五轴机床的体积误差值。预测的体积误差值送入补偿运动模型进行解耦计算，各轴补偿运动参数经并口送入机床数控接口卡，控制机床各轴实现补偿运动。

接口模块由1个 串口和2个并口组成。个人计算机通过串口将建立的体积误差模型置入DSP系统，并通过串口实时监控补偿系统运行。并口1主要用来实时反馈机床的加工位置信号，通过解耦计算，并口2将各轴补偿参数实时反馈给机床数控接口卡。

DSP模块是本发明实现双转台五轴机床体积误差补偿的关键，DSP模块通过接口模块、数控接口卡与数控系统实现信息交互。DSP模块一方面接收来自数据采集模块的误差源信号，以对双转台五轴机床的体积误差进行实时预测，同时又通过接口模块将计算得到的各轴补偿参数送入数控接口卡，从而控制机床各轴运动，是整个双转台五轴机床体积误差补偿装置的核心。

本发明的补偿参数通过接口模块送入数控接口卡，进而控制机床各轴的加工运动，在工作过程中不需要对数控系统本身的运行指令进行修改，主要通过软件技术实现体积误差的实时补偿。

本发明的双转台五轴机床体积误差补偿装置不会对原有数控系统及加工程序产生影响，硬件结构主要以DSP为核心，相对比较简单，易于在数控机床上安装使用。同时，本发明装置软件开放，修改方便，成本较低，这为本装置在机床的体积误差补偿及精密加工领域的推广应用提供了保障。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图；

附图2是本发明装置的信号传输流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明装置的结构如图1所示，数据采集模块、DSP模块和接口模块构成；数据采集模块包括温度变送模块、电流变送模块和A/D模块和若干传感器；DSP模块内置体积误差模型、补偿运动模型；接口模块包括1个串口和2个并口。

数据采集模块主要用来对机床主要热源的温度信号和主轴伺服电机的电流信号进行预处理。传感器测量的温度信号和电流信号通过温度变送模块和电流变送模块后，经A/D转换完成模数转换功能。

DSP模块是本发明实现双转台五轴机床体积误差补偿的关键，内置体积误差模型、补偿运动模型。DSP模块一方面接收经A/D转换的温度信号、电流信号和并口反馈的加工位置信号，送入体积误差模型进行计算，以对双转台五轴机床的体积误差进行实时预测。预测的体积误差值送入补偿运动模型进行解耦计算，并通过接口模块将计算得到的各轴补偿参数送入数控接口卡，从而控制机床各轴运动，是整个双转台五轴机床体积误差补偿装置的核心

接口模块由1个 串口和2个并口组成，是本发明装置实现体积误差补偿的关键所在。个人计算机通过串口将建立的体积误差模型置入DSP系统，并通过串口实时监控补偿系统运行。并口1主要用来实时反馈机床的加工位置信号，通过解耦计算，并口2将各轴补偿参数实时反馈给机床数控接口卡。

本发明装置的工作过程如图2所示，体积误差补偿装置开始工作后，整个系统首先要进行初始化，然后由操作人员通过个人计算机发送补偿指令，整个系统开始正常工作，正常工作开始后就可移除个人计算机，整个补偿装置只有数据采集模块与接口模块在工作。工作过程中，在双转台五轴机床的热源位置（确定的温度变量）安装温度传感器，在主轴伺服电机上安装电流传感器，加工位置信号由开放式数控系统经并口1反馈。温度信号、加工位置信号和主轴伺服电机电流信号，经体积误差补偿器预测和解耦，各轴补偿参数由并口2送入数控接口卡的信号输入端，数控接口卡的信号输出端与各轴驱动器相连，控制机床各轴运动，实现体积误差补偿。

本发明装置在实施体积误差补偿的过程中，不需要在机床上增加任何硬件设备，且不影响加工程序的正常运行，一旦补偿开始实施也不需要机床操作者参与，是一种既方便又廉价的误差补偿装置。 

Claims (4)

1.一种双转台五轴机床体积误差补偿装置，其特征在于由数据采集模块、DSP模块、接口模块构成；数据采集模块包括温度变送模块、电流变送模块、A/D模块；DSP模块内置体积误差模型和补偿运动模型，主要完成计算功能；接口模块包括1个串口和2个并口。

2.根据权利要求1所述的数据采集模块，其特征在于由温度变送模块、电流变送模块、A/D转换模块和若干传感器组成，各子模块有机组合在一起；温度传感器的输出经温度变送模块，送入A/D转换子模块，完成模数转换功能；主轴伺服电机的电流信号经电流变送模块，送入A/D转换子模块，完成模数转换功能。

3.根据权利要求1所述的DSP模块，其特征在于内置体积误差模型和补偿运动模型，以完成计算功能；经A/D转换后，温度信号和电流信号首先送入体积误差模型，对双转台五轴机床的体积误差进行实时预测；误差预测值送入补偿运动模型后，输出双转台五轴机床各轴的补偿运动参数。

4.根据权利要求1所述的接口模块，其特征在于由1个串口和2个并口组成，各子模块有机组合在一起；串口与个人计算机相连，将所建模型置入DSP，并实时监控补偿过程；并口1主要用来反馈机床的加工位置信号，并口2主要用来将解耦后的各轴补偿参数送入数控接口卡。