CN105700472A - 基于机床外部坐标原点偏移的数控机床误差实时补偿器 - Google Patents

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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/404—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by control arrangements for compensation, e.g. for backlash, overshoot, tool offset, tool wear, temperature, machine construction errors, load, inertia

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Abstract

本发明涉及一种基于机床外部坐标原点偏移的数控机床误差实时补偿器，包括计算处理模块、CNC接口和运动控制模块和传感器及变送模块；所述的传感器及变送模块对机床的温度和热误差信号进行多通道采集并将处理后的信号输入计算处理模块，所述的计算机处理模块根据预先设置的误差模型计算出补偿值，并将补偿值发送给CNC接口和运动控制模块，所述的CNC接口和运动控制模块根据补偿值来偏置机床外部坐标系原点并通过伺服系统进行机床的附加运动，以实时修正机床误差。与现有技术相比，本发明能够对机床误差进行有效补偿，操作过程简便，适用性好，可有效提高数控机床的加工精度。

Description

基于机床外部坐标原点偏移的数控机床误差实时补偿器
技术领域
本发明涉及精密加工机床技术领域，涉及一种用于数控机床的误差实时补偿装置，尤其是涉及一种基于机床外部坐标原点偏移的数控机床误差实时补偿器。
背景技术
目前，中国国产数控机床的国内市场占有率不足一半，而且还有下降趋势。每年要进口大量的数控机床，不仅花费大量外汇，而且往往在先进机床进口时受制于人。与先进国家制造的机床相比，国产机床主要有两个问题：一是精度低，二是可靠性差。高精度数控机床制造能力不足已成为制约我国制造业升级的一个“瓶颈”。数控机床误差实时补偿技术是提高数控机床精度的重要手段，如何制造一个物美价廉的误差实时补偿器是补偿技术中的关键所在。从目前来看，数控机床误差实时补偿技术及其实时补偿器在国外的应用程度不算普遍；在国内主要还处于起步阶段，有人提出了基于机床外部坐标原点偏移原理的数控机床热误差实时补偿方法，进行了初步试验，但还没有完全成功地研制出实时补偿器。
经对现有技术的文献检索发现，赵宏林等人在《制造技术与机床》1999年第4期上发表的“NC型误差补偿控制器的开发”一文，该文献采取的是通过外部电路及其软件与数控系统的系统调试(CAE)接口(特殊系统具有的接口)，将误差量叠加到当前的位置脉冲当量中，以实现机床误差的实时控制。这种补偿器不但需要数控系统具有比较完善和复杂的信号通讯硬件接口，而且需要补偿实施者为数控系统的专业人员，非常了解和熟悉所用数控系统的硬件结构和软件编制。另外，该文献中也指出了：该补偿器在国产开放型数控系统上推广应用。而目前国产数控系统在国内市场上应用也不多，开放型数控系统还没普遍使用。所以，此种补偿器应用实施复杂、适用面窄，推广难度较大。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于机床外部坐标原点偏移的数控机床误差实时补偿器，该补偿器通过实时采集温度及误差数据，利用机床外部坐标偏移原理对误差模型得出的误差值进行实时补偿，实验结果表明，该补偿器能够对机床误差进行有效补偿，操作过程简便，适用性好，可有效提高数控机床的加工精度。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于机床外部坐标原点偏移的数控机床误差实时补偿器，包括计算处理模块、CNC接口和运动控制模块和传感器及变送模块，所述的计算机处理模块分别与CNC接口和运动控制模块和传感器及变送模块连接；
所述的传感器及变送模块对机床的温度和热误差信号进行多通道采集并将处理后的信号输入计算处理模块，所述的计算机处理模块根据预先设置的误差模型计算出补偿值，并将补偿值发送给CNC接口和运动控制模块，所述的CNC接口和运动控制模块根据补偿值来偏置机床外部坐标系原点并通过伺服系统进行机床的附加运动，以实时修正机床误差。
所述的计算处理模块包括单片机、AD转换接口、输入输出接口以及外部通讯接口，所述的单片机通过输入输出接口与CNC接口和运动控制模块，所述的单片机通过AD转换接口与传感器及变送模块连接，所述的单片机通过外部通讯接口与外部微机连接，用于外部建模计算分析并将误差模型导入单片机。
所述的传感器及变送模块包括温度传感器、位移传感器和变送器，所述的变送器的输入端分别与温度传感器、位移传感器连接，所述的变送器的输出端与计算处理模块连接。
所述的变送器通过导线分别与温度传感器和位移传感器连接。
所述的CNC接口和运动控制模块包括机床数控系统中的部分输入输出接口和伺服系统，所述的部分输入输出接口分别与伺服系统和计算处理模块连接。
所述的传感器及变送模块将采集温度信号处理后输入到计算机处理模块的AD转换接口，计算机处理模块通过测点温度与热误差间关系建立的热误差模型获得热误差量，将热误差量及相关的轴号转换为开关量，由CNC接口和运动控制模块将信号读写至CNC的相关地址中，最后由相应的轴控伺服系统进行实时数据处理。
与现有技术相比，本发明的补偿信号通过数控机床的标准输入输出接口传入数控系统，无需修改原有数控系统的软硬件，利用数控系统的机床外部坐标原点偏移功能来实现误差的实时补偿。近几年生产的FANUC数控系统目前在机床上广泛使用，都具有此机床外部坐标原点偏移功能，因此适用性较好，且便于推广。本发明结构简单、使用方便、成本低廉、实时性强、补偿有效。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明误差补偿信号传输流程示意图。
图3为原点平移法补偿原理示意图。
图4为数控机床误差实时补偿过程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明包括：计算处理模块、CNC接口和运动控制模块、传感器及变送模块，传感器及变送模块与计算处理模块之间通过数据线连接，计算处理模块与CNC接口和运动控制模块之间通过数据线和通讯协议连接，计算处理模块实现信号的输入输出、储存、计算，CNC接口和运动控制模块接受从计算处理模块中输出的信号并根据补偿值来偏置机床外部坐标系原点而并通过伺服系统进行机床的附加运动，传感器及变送模块对机床的温度和热误差信号实现多通道采集将处理后的信号输入计算处理模块，计算处理模块可与微机相连，实现上下位机的命令、数据的传输和储存。
计算处理模块主要由单片机、输入输出接口组成，单片机和输入输出接口通过数据总线连接。
CNC接口和运动控制模块主要由机床数控系统中的部分输入输出接口和伺服系统组成，部分输入输出接口(可在机床数控系统全部输入输出接口中任意选择)和伺服系统通过数据总线连接，机床数控系统的这些输入输出接口通过数据总线与计算处理模块的输入输出接口连接。
传感器及变送模块主要由温度传感器、位移传感器、变送器组成，温度传感器和位移传感器分别通过导线与变送器连接。
如图2所示，温度信号通过变送装置处理后，经A/D(模/数转换)板输入计算处理模块，由相关测点温度与热误差间关系建立的热误差模型(固化于单片机中)获得热误差量，将热误差数值及相关的轴号转换为开关量(由开关量来模拟数字量)，经I/O(输入/输出)接口卡，由可编程控制器中的梯形程序将信号读写至CNC的相关地址中，最后由相应的轴控伺服单元进行实时数据处理。
实时补偿采用机床外部坐标原点偏移原理，其原理如图3所示。补偿用计算机或单片机计算机床的空间误差，这些误差量作为补偿信号送至CNC控制器，通过I/O口平移或偏置控制系统(机床外部坐标系)的参考原点，并加到伺服环的控制信号中实现误差量的补偿。这种补偿既不影响坐标值，也不影响CNC控制器上执行的工件程序对操作者而言是不可见的。该方法不用改变任何CNC机床的硬件，只需修改CNC控制器中的可编程控制器的程序，操作简单易行，非常便于实施。
图4为数控机床误差实时补偿过程示意图。本发明整个工作过程如下：在数据采集过程中，温度传感器和位移传感器、激光测量仪同时采集机床的温度、热误差和几何误差元素。通过外部计算机进行建模计算分析并将误差模型导入计算处理模块。在实时补偿过程中，温度传感器实时(时间间隔可调)测得机床温度，然后将温度信号连同数控系统的位置坐标通过输入输出接口传至微机或单片机，由预先放置的误差模型计算得到补偿值，再将补偿值通过机床数控系统的输入接口导入数控系统，数控系统根据补偿值来偏置机床外部坐标系从而完成机床的附加(补偿)运动，以实时修正机床误差。图4中的激光测量仪和位移传感器仅在测量和建模中使用，补偿加工过程中不必使用。
在数控车床上用本发明所述的补偿器进行误差实时补偿加工应用，经实时补偿，数控车床径向热误差从补偿前的20μm降低到9μm，降低50％以上，轴向热误差从补偿前的35μm降低到12μm，降低65％以上，大幅度提高了机床的加工精度，提高了高精度零件的加工质量。
实验结果表明，本发明所述的补偿器操作简单易行，补偿效果显著，有效地提高了数控机床的加工精度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于机床外部坐标原点偏移的数控机床误差实时补偿器，其特征在于，包括计算处理模块、CNC接口和运动控制模块和传感器及变送模块，所述的计算机处理模块分别与CNC接口和运动控制模块和传感器及变送模块连接；
所述的传感器及变送模块对机床的温度和热误差信号进行多通道采集并将处理后的信号输入计算处理模块，所述的计算机处理模块根据预先设置的误差模型计算出补偿值，并将补偿值发送给CNC接口和运动控制模块，所述的CNC接口和运动控制模块根据补偿值来偏置机床外部坐标系原点并通过伺服系统进行机床的附加运动，以实时修正机床误差。
2.根据权利要求1所述的一种基于机床外部坐标原点偏移的数控机床误差实时补偿器，其特征在于，所述的计算处理模块包括单片机、AD转换接口、输入输出接口以及外部通讯接口，所述的单片机通过输入输出接口与CNC接口和运动控制模块，所述的单片机通过AD转换接口与传感器及变送模块连接，所述的单片机通过外部通讯接口与外部微机连接，用于外部建模计算分析并将误差模型导入单片机。
3.根据权利要求1所述的一种基于机床外部坐标原点偏移的数控机床误差实时补偿器，其特征在于，所述的传感器及变送模块包括温度传感器、位移传感器和变送器，所述的变送器的输入端分别与温度传感器、位移传感器连接，所述的变送器的输出端与计算处理模块连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于机床外部坐标原点偏移的数控机床误差实时补偿器，其特征在于，所述的变送器通过导线分别与温度传感器和位移传感器连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于机床外部坐标原点偏移的数控机床误差实时补偿器，其特征在于，所述的CNC接口和运动控制模块包括机床数控系统中的部分输入输出接口和伺服系统，所述的部分输入输出接口分别与伺服系统和计算处理模块连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于机床外部坐标原点偏移的数控机床误差实时补偿器，其特征在于，所述的传感器及变送模块将采集温度信号处理后输入到计算机处理模块的AD转换接口，计算机处理模块通过测点温度与热误差间关系建立的热误差模型获得热误差量，将热误差量及相关的轴号转换为开关量，由CNC接口和运动控制模块将信号读写至CNC的相关地址中，最后由相应的轴控伺服系统进行实时数据处理。
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