CN104483896A - 数控机床丝杠热补偿的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控机床丝杠热补偿的实现方法，其步骤如下：a、检测机床各直线轴丝杠的热变形量，并从0开始到最大变形量，按阶梯式分为若干级；b、对应机床坐标划分丝杠热补偿区段，每个区段设置一个补偿点；c、检测机床各直线轴丝杠在每一级热变形时，机床相应坐标轴各区段的定位精度误差；d、建立机床丝杠热补偿数据库；e、研制热补偿控制器，将丝杠每级热变形处理转化为相应的热补偿控制编码；f、依据当前补偿控制编码和机床坐标位置，从热补偿数据库中获取当前补偿量，并对丝杠的热变形进行实时动态补偿。采用本发明，避免了由丝杠温度变化来间接预测丝杠热变形所带来的不确定性因素，能够更真实地反映机床丝杠热变形的实际情况。

Description

数控机床丝杠热补偿的实现方法

技术领域

本发明涉及数控机床制造相关技术领域，确切地说涉及一种数控机床丝杠热变形自动检测和补偿的实现方法。

背景技术

采用半闭环控制的数控机床因其较高的性价比，受到广大用户的欢迎，市场前景较好。但半闭环控制的数控机床，存在伺服轴丝杠热变形的问题，直接影响到机床的加工精度和稳定性。因此，丝杠热变形自动补偿技术作为提高半闭环数控机床动态精度和稳定性的重要手段，得到了越来越多的的应用，实现方法也呈现出多样化。随着机床制造技术向高速、高精和智能化的方向发展，近年来，一种新的热补偿方法逐渐引起了高校和机床生产厂家的普遍重视，即：通过对机床丝杠进行温升热变形试验，建立丝杠温升与其热变形之间的数学模型。在实际应用中，通过检测机床丝杠的温升，由数学模型来预测丝杠的热变形量，并据此实施对丝杠的热补偿，取得了一定的效果。学位论文2009“机床滚珠丝杠系统热特性分析及其热变形补偿”一文，披露了一种丝杠热补偿的方法。该论文结合某机床的滚珠丝杠系统，首先利用有限元分析方法，建立其有限元分析模型，从而达到对滚珠丝杠系统进行热特性分析的目的，为实施其热变形补偿提供理论依据。其次分析了滚珠丝杠运动特点，并设计热变形补偿试验，应用多元线性回归方法对滚珠丝杠进行了热变形补偿研究，其主要工作概括为如下几个方面：1.建立滚珠丝杠系统三维温度场数学模型。并基于弹性力学、热变形基本方程和有限元理论，建立丝杠的热变形数学模型。2. 建立滚珠丝杠系统三维CAD数学模型，并在对有限元网格划分和结合面的热接触传导探讨的基础上，建立热特性有限元模型。3.在分析滚珠丝杠系统内部热源、边界条件的基础上，建立滚珠丝杠系统温度场的有限元模型。4.根据有限元热特性分析结果设计实施热变形的补偿方案，并利用节点温度和滚珠丝杠热漂移的相关性分析来设计测温点的布局，用多元线性回归方法，针对机床建立滚珠丝杠系统热误差补偿模型，开发相应的建模软件模块。通过对滚珠丝杠系统热补偿进行实验研究，使机床滚珠丝杠系统的热变形误差达到其补偿精度要求。在上述方法中，由于受机床和丝杠结构的限制，通常是通过对丝杠螺母温升和丝杠两端支撑轴承的温升检测，来间接检测丝杠的温升，并具此建立丝杠的温升热变形模型。由于影响丝杠温度变化的因素较多，包括滚珠丝杠的工作状况、润滑条件、预紧力大小、环境温度因素等。因此，采用上述方法预测滚珠丝杠的热变形，存在一定的不确定性，导致滚珠丝杠热补偿精度下降。

发明内容

本发明旨在针对上述现有技术所存在的缺陷和不足，提供一种数控机床丝杠热补偿的实现方法，本发明采用了直接检测丝杠的热变形，然后按丝杠热变形量分级、按坐标位置分段，实时动态平移机床坐标原点的补偿技术手段，避免了由丝杠温度变化来间接预测丝杠热变形所带来的不确定性因素，能够更真实地反映机床丝杠热变形的实际情况，提高了热补偿精度和稳定性。

本发明是通过采用下述技术方案实现的：

一种数控机床丝杠热补偿的实现方法，其特征在于步骤如下：

a、检测机床各直线轴丝杠的热变形量，并从0开始到最大变形量，按阶梯式分为若干级；

b、对应机床坐标划分丝杠热补偿区段，每个区段设置一个补偿点；

c、检测机床各直线轴丝杠在每一级热变形时，机床相应坐标轴各区段的定位精度误差；

d、建立机床丝杠热补偿数据库；

e、研制热补偿控制器，将丝杠每级热变形处理转化为相应的热补偿控制编码；

f、依据当前补偿控制编码和机床坐标位置，从热补偿数据库中获取当前补偿量，并对丝杠的热变形进行实时动态补偿。

所述检测机床各直线轴丝杠的热变形量，是采用非接触式位移传感器在机床丝杠的非电机连接端的端面，对机床各直线轴丝杠的热变形，直接进行实时检测，并对机床各直线轴丝杠的热变形量，从0到最大值，按补偿后的机床精度要求，分为阶梯式的若干等级。

所述的非接触式位移传感器是指电涡流位移传感器或电容位移传感器。

所述对应机床坐标划分丝杠热补偿区段，是针对机床各直线轴的全行程，将其划分为若干段区间，每个区段对应一个补偿点。

划分的区段数，由机床精度要求和丝杠每级热变形的增量确定。在丝杠每级热变形设置不变的情况下，补偿精度要求越高，则划分的区段数越多。在丝杠热补偿精度不变的情况下，丝杠每级热变形增量设置越大，则划分的区段数越多。

检测机床各直线轴丝杠在每一级热变形时，机床相应坐标轴各区段的定位精度误差，是利用激光干涉仪实测机床各直线轴丝杠的定位精度，检测机床丝杠在每级热变形时，机床相应坐标轴各区段的定位精度误差。

所述建立机床丝杠热补偿数据库，是在机床数控系统PMC的数据表中划出一段地址区间，用于存放丝杠热补偿数据，然后，将机床各丝杠在每级热变形时，测得的丝杠各区段定位精度误差，处理为与精度误差对应的热补偿量，并按照机床数控系统对相关数据格式的要求，存储到设定的地址内。

所述研制热补偿控制器，将丝杠每级热变形处理转化为相应的热补偿控制编码是指：利用单片机，针对丝杠热补偿要求，将测得的丝杠热变形按划分的等级，处理转化为相应的热补偿控制编码；所述热补偿控制器接收位移传感器输出的丝杠热变形信号，经单片机A/D转换处理后，按划分的热变形等级，由单片机的I/O接口，向机床数控系统发出相应的热补偿控制信号编码。

该编码由多位二进制数按“8421”码组成，该编码的一个状态对应丝杠热变形的一个等级；编码为0，表示不需要补偿；编码为1，表示按第1级热变形量进行补偿；编码为2，表示按第2级热变形量进行补偿，以此类推……。

所述依据当前补偿控制编码和机床坐标位置，从热补偿数据库中获取当前补偿量，并对丝杠的热变形进行实时动态补偿的具体方法是：

在数控系统上，利用数控系统的PMC，依据丝杠热补偿控制编码和从机床数控系统获取的各轴实时坐标位置开关信号，从热补偿数据库获得机床当前坐标位置的补偿量，并利用数控机床的机床坐标系平移功能，实时动态平移机床坐标系原点，实现对丝杠热变形的实时动态补偿。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果如下：

由于本发明采用a至f步骤形成的技术方案，与现有技术相比，有如下技术特点：

1、本方法采用位移传感器对机床丝杠的热变形直接检测，避免了由丝杠温度变化来间接预测丝杠热变形所带来的不确定性因素，能够更真实地反映机床丝杠热变形的实际情况。

2、在本方法中，对丝杠在不同温升时的热变形对机床定位精度的影响，是由激光干涉仪直接测量机床各坐标轴的定位精度误差来得到的，克服了由数学模型计算丝杠热变形所带来的计算误差，并降低了丝杠因受热不均匀所带来的非线性误差，因而提高了热补偿精度和稳定性。

3、本方法采用位移传感器检测丝杠的热变形，只是检测丝杠在不同温升时的总变形量，用于丝杠热变形的分级控制，具体到丝杠各区段的热变形量，由激光干涉仪实测得到。因此，对位移传感器精度要求可适当降低，有利于降低成本。

4、本方法采用位移传感器检测丝杠的热变形，机床每个轴只需要一个位移传感器，而采用数学模型计算丝杠热变形的方法，每个轴需要三个以上的温度传感器。一般情况下，器件数量越多，发生故障的概率越高。因此，采用本方法，其故障率相对较低。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1为本方法的结构原理图；

图2为热补偿控制程序流程图。

图中标记：

1、伺服电机，2、联轴节，3、丝杠螺母，4、丝杠固定端（轴承），5、滚珠丝杠，6、丝杠预紧力调节螺母，7、位移传感器，8、丝杠浮动端（非电机连接端的端面），9、丝杠热变形量检测，10、热补偿控制器，11、热补偿区间。

具体实施方式

实施例1

本发明提供了一种数控机床丝杠热补偿的实现方法，其步骤如下：

a、检测机床各直线轴丝杠的热变形量，并从0开始到最大变形量，按阶梯式分为若干级；

b、对应机床坐标划分丝杠热补偿区段，每个区段设置一个补偿点；

c、检测机床各直线轴丝杠在每一级热变形时，机床相应坐标轴各区段的定位精度误差；

d、建立机床丝杠热补偿数据库；

e、研制热补偿控制器，将丝杠每级热变形处理转化为相应的热补偿控制编码；

f、依据当前补偿控制编码和机床坐标位置，从热补偿数据库中获取当前补偿量，并对丝杠的热变形进行实时动态补偿。

实施例2

在实施例1的基础上，本发明最佳的实施方式是：

所述检测机床各直线轴丝杠的热变形量，是采用非接触式位移传感器（如：电涡流位移传感器、电容位移传感器等），在机床丝杠的非电机连接端（浮动端）的端面，对机床各直线轴丝杠的热变形，直接进行实时检测。并对机床各直线轴丝杠的热变形量，从0到最大值，按补偿后的机床精度要求，分为阶梯式的若干等级。

所述对应机床坐标划分丝杠热补偿区段，是针对机床各直线轴的全行程，将其划分为若干段区间，每个区段对应一个补偿点。划分的区段数，由机床精度要求和丝杠每级热变形的增量确定。在丝杠每级热变形设置不变的情况下，补偿精度要求越高，则划分的区段数越多。在丝杠热补偿精度不变的情况下，丝杠每级热变形增量设置越大，则划分的区段数越多。

所述检测机床各丝杠在每一级热变形时，机床相应坐标轴各区间段的定位精度误差，是利用高精度激光干涉仪实测机床各直线轴的定位精度，检测机床丝杠在每级热变形时，机床相应坐标轴各区段的定位精度误差。

所述建立机床丝杠热补偿数据库，是在机床数控系统PMC的数据表中划出一段地址区间，用于存放丝杠热补偿数据。然后，将机床各丝杠在每级热变形时，测得的丝杠各区段定位精度误差，处理为与之对应的热补偿量，并按照机床数控系统对相关数据格式的要求，存储到设定的地址内。

所述研制热补偿控制器，将各丝杠每级热变形处理转化为相应的热补偿控制编码，主要是利用单片机，针对丝杠热补偿要求，研制开发专用的控制软件，将测得的丝杠热变形按划分的等级，处理转化为相应的热补偿控制编码。该热补偿控制器的主要作用是接收位移传感器输出的丝杠热变形信号（0～5VDC模拟量），经单片机A/D转换处理后，按划分的热变形等级，由单片机的I/O接口，向机床数控系统发出相应的热补偿控制信号编码。该编码由多位二进制数按“8421”码组成，该编码的一个状态对应丝杠热变形的一个等级。编码为0，表示不需要补偿。编码为1，表示按第1级热变形量进行补偿。编码为2，表示按第2级热变形量进行补偿，以此类推……。

所述依据当前补偿控制编码和机床坐标位置，从热补偿数据库中获取当前补偿量，并对丝杠的热变形进行实时动态补偿。具体方法是在数控系统上，利用数控系统的PMC，开发设计热补偿专用控制程序（梯形图），依据丝杠热补偿控制编码和从机床数控系统获取的各轴实时坐标位置（区段）开关信号，从热补偿数据库获得机床当前坐标位置的补偿量，并利用数控机床的机床坐标系平移功能，实时动态平移机床坐标系原点，实现对丝杠热变形的实时动态补偿。

Claims (8)

1.一种数控机床丝杠热补偿的实现方法，其特征在于步骤如下：

a、检测机床各直线轴丝杠的热变形量，并从0开始到最大变形量，按阶梯式分为若干级；

b、对应机床坐标划分丝杠热补偿区段，每个区段设置一个补偿点；

c、检测机床各直线轴丝杠在每一级热变形时，机床相应坐标轴各区段的定位精度误差；

d、建立机床丝杠热补偿数据库；

e、研制热补偿控制器，将丝杠每级热变形处理转化为相应的热补偿控制编码；

f、依据当前补偿控制编码和机床坐标位置，从热补偿数据库中获取当前补偿量，并对丝杠的热变形进行实时动态补偿。

2.根据权利要求1所述的数控机床丝杠热补偿的实现方法，其特征在于：所述检测机床各直线轴丝杠的热变形量，是采用非接触式位移传感器在机床丝杠的非电机连接端的端面，对机床各直线轴丝杠的热变形，直接进行实时检测，并对机床各直线轴丝杠的热变形量，从0到最大值，按补偿后的机床精度要求，分为阶梯式的若干等级。

3.根据权利要求2所述的数控机床丝杠热补偿的实现方法，其特征在于：所述的非接触式位移传感器是指电涡流位移传感器或电容位移传感器。

4.根据权利要求1所述的数控机床丝杠热补偿的实现方法，其特征在于：所述对应机床坐标划分丝杠热补偿区段，是针对机床各直线轴的全行程，将其划分为若干段区间，每个区段对应一个补偿点。

5.根据权利要求1所述的数控机床丝杠热补偿的实现方法，其特征在于：检测机床各直线轴丝杠在每一级热变形时，机床相应坐标轴各区段的定位精度误差，是利用激光干涉仪实测机床各直线轴丝杠的定位精度，检测机床丝杠在每级热变形时，机床相应坐标轴各区段的定位精度误差。

6.根据权利要求1所述的数控机床丝杠热补偿的实现方法，其特征在于：所述建立机床丝杠热补偿数据库，是在机床数控系统PMC的数据表中划出一段地址区间，用于存放丝杠热补偿数据，然后，将机床各丝杠在每级热变形时，测得的丝杠各区段定位精度误差，处理为与精度误差对应的热补偿量，并按照机床数控系统对相关数据格式的要求，存储到设定的地址内。

7.根据权利要求1所述的数控机床丝杠热补偿的实现方法，其特征在于：所述研制热补偿控制器，将丝杠每级热变形处理转化为相应的热补偿控制编码是指：利用单片机，针对丝杠热补偿要求，将测得的丝杠热变形按划分的等级，处理转化为相应的热补偿控制编码；所述热补偿控制器接收位移传感器输出的丝杠热变形信号，经单片机A/D转换处理后，按划分的热变形等级，由单片机的I/O接口，向机床数控系统发出相应的热补偿控制信号编码。

8.根据权利要求1所述的数控机床丝杠热补偿的实现方法，其特征在于：所述依据当前补偿控制编码和机床坐标位置，从热补偿数据库中获取当前补偿量，并对丝杠的热变形进行实时动态补偿的具体方法是：

在数控系统上，利用数控系统的PMC，依据丝杠热补偿控制编码和从机床数控系统获取的各轴实时坐标位置开关信号，从热补偿数据库获得机床当前坐标位置的补偿量，并利用数控机床的机床坐标系平移功能，实时动态平移机床坐标系原点，实现对丝杠热变形的实时动态补偿。