CN105798695B - 一种机床温升补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开提出了一种数控机床温升补偿方法：获取机床各运动轴温升值与运动状态的关系，通过计算各轴运动、停止的时间以及运动速度便可得到机械运动部件温升数据；通过实验获得各运动轴位移误差和温升值的关系，根据温升值直接获得运动轴的位移误差值；通过机床的控制系统自动修正操作指令对位移误差值进行补偿。本发明中，各运动轴的当前状态，即运动速度、运动时间、停止时间等，都可通过PMC直接获得，PMC获得各运动轴当前状态后，可自动计算出位移误差值，并进行补偿。本发明的重点是未增加产品成本，解决了机床热形变的精度误差纠正问题。

Description

一种机床温升补偿方法
技术领域
本发明涉及数控机床技术领域，尤其涉及一种数控机床精度补偿方法。
背景技术
机床在运转时，传动部件之间存在相对运动，机床丝杆、螺母座、轴承等摩擦产生发热而导致热胀冷缩，从而造成机床三轴位移的变化。要解决以上问题就需要监测各传动部件的温度变化，然后根据各传动部件形变与温度变化的相对关系，计算出机床位移的误差值，然后补偿到数控系统中，达到对机床温升补偿的目的。
解决这个问题最传统的办法是在运动部件上安装温度传感器采集温差数据，然后传给数控系统处理。但是为保证数据准确，需要安装传感器的位置较多，大部分安装位置易与机床运行产生干涉。并且只能在机床生产装配时预装，如果发生损坏很难维修更换。没有安装传感器的大规格数控机床则在较长运行后产生较大的精度偏差。解决温升变形的另一传统做法，则是采用中空油冷丝杠，降低丝杠温度，减少热变形，但价格昂贵。
发明内容
基于数控机床精度控制技术存在的难点，本发明提出了一种数控机床温升补偿方法，包括以下步骤：
S1、获取机床运动过程中各运动轴在不同温升数据下对应的位移变化量，温升数据等于温升值减去降温值；
S2、根据温升数据与位移变化量的对应关系，计算温升数据与位移变化量的映射函数；
S3、获取机床运动状态下，机床各运动轴温升值与运动时间以及运动速度的关系；获取机床停止状态下，机床各运动轴降温值与时间的关系；
S4、获取运动轴对象当前状态，并根据当前状态计算其当前温升数据；
S5、根据当前温升数据与映射函数获取位移误差值；
S6、根据位移误差值对运动轴对象进行温升补偿。
优选地，步骤S3中预设有温升饱和值，机床运动状态下，机床各运动轴温升值小于或等于温升饱和值并大于或等于0。
优选地，步骤S1中，可通过在同型号的机床上预装温度传感器检测各运动轴在不同状态下的温升数据。
优选地，步骤S1中，通过激光干涉仪对运动轴的位移变化量进行检测。
优选地，步骤S2中，根据温升数据与位移变化量的对应关系将温升数据分为多段区间，计算每段区间内的温升数据与位移变化量的比例因子；步骤S5具体为：判断当前温升数据所在区间并获取对应的比例因子，将当前温升数据与对应的比例因子相乘获得位移误差值。
优选地，步骤S3中，通过在同型号的机床上安装温度传感器采集机床温度数据，机床PMC系统获得机床温度数据后分别计算机床运动状态下机床各运动轴温升值与运动时间以及运动速度的关系；机床停止状态下机床各运动轴降温值与时间的关系。
优选地，步骤S3还包括：预设关系数据库，对机床运动状态下机床各运动轴温升值与运动时间以及运动速度的关系、机床停止状态下机床各运动轴降温值与时间的关系进行存储。
优选地，步骤S4中，获取运动轴当前运动状态后，从关系数据库中调取对应的温升值和降温值，并计算当前温升数据。
优选地，步骤S6中，由机床PMC根据位移误差值对运动轴对象进行运动量上的补偿。
本发明提供的机床温升补偿方法，通过获取机床各运动轴温升值与运动状态的关系，如机床运动状态下运动轴升温与运动速度和时间的关系、机床停止状态下运动轴降温与时间的关系，通过计算各轴运动、停止的时间以及运动速度便可获得温升数据，解决了没有预装温度传感器的机床的温度采集问题。
本发明中，通过实验获得各运动轴位移误差和温升值的关系，如此，当获得运动轴温升值后，则可根据温升值直接获得运动轴的位移误差值，并通过机床的控制系统自动修正操作指令对位移误差值进行补偿。
本发明中，各运动轴的当前状态，即其运动速度、运动时间、停止时间等，都可通过PMC直接获得，PMC获得各运动轴当前状态后，可自动计算出位移误差值，并进行补偿。本发明不仅解决了机床热形变的纠正问题，而且不需要增加辅助器具，降低了成本。
附图说明
图1为本发明提出的一种机床温升补偿方法流程图；
图2所示为升温降温趋势图。
具体实施方式
参照图1，本发明提出的一种机床温升补偿方法，包括以下步骤：
S1、获取机床运动过程中各运动轴在不同温升数据下对应的位移变化量，温升数据等于温升值减去降温值。
本步骤中，可通过激光干涉仪对运动轴的位移变化量进行检测。此外可通过在同型号的机床上预装温度传感器检测各运动轴在不同状态下的温升数据。
同型号的机床具有相同的性能，本步骤中，通过对同型号的机床预装温度传感器进行温度检测，解决了安装完成后的机床无法安装温度传感器获取温升数据的问题。
S2、根据温升数据与位移变化量的对应关系，计算温升数据与位移变化量的映射函数。本步骤具体地，可根据温升数据与位移变化量的对应关系将温升数据分为多段区间，计算每段区间内的温升数据与位移变化量的比例因子。
S3、获取机床运动状态下，机床各运动轴温升值与运动时间以及运动速度的关系；获取机床停止状态下，机床各运动轴降温值与时间的关系。
本步骤中，通过在同型号的机床上安装温度传感器采集机床温度数据，机床PMC系统获得机床温度数据后分别计算机床运动状态下机床各运动轴温升值与运动时间以及运动速度的关系；机床停止状态下机床各运动轴降温值与时间的关系。如此，在获得各运动轴运动、停止的时间以及运动速度便可计算温升数据。
机床温升不是无止限的，当温升达到饱和值时，即使机床还在运动，温度也不会再升高。本步骤S3中预设有温升饱和值，机床运动状态下，机床各运动轴温升值小于或等于温升饱和值以保证计算温升的时候不会溢出。另外，计算温升时，还应该保证温升数据大于或等于0，以避免无限降温。
由于在机床运动开始时，温升比较快，随着温度的升高，接近温升饱和值时温升就会很慢。同样，温升接近温升饱和值时，降温速度也是比较快的，当温度接近常温时，降温速度也会变慢。并步骤中，在计算各轴运动状态与温升、降温的关系时，应将起始温度考虑进去。
本实施方式中，计算温升时，可分为两个部分处理，一部分就是升温与时间的关系、另外一部分就是降温与时间的关系。两个部分按照一定的比例相减得出最后的温升值。本实施例中运动轴运动速度A、B、C、D依次减小，可见，在不同运动速度下，运动轴升温趋势不同。具体的，速度为A时，运动轴温升趋势变缓并可在时间t1达到温升饱和值Tz，速度为B时，运动轴可在时间t2达到温升饱和值Tz，t2>t1。此外，当速度降低到C、D时，运动轴在运动一定时间后温升值不再上升且无法达到温升饱和值。机床停止时，运动轴在停止初始时刻的温度上进行降温，降温值随着时间的延长,其变化趋势逐渐变缓，且降温值最多只能达到运动轴在停止初始时刻的温度。
图2所示，为运动轴在不同运动状态下的温升、降温随着时间的变化趋势。值得注意的是，图2中，降温部分，降温值等于停机初始时刻的温升值减去停机时间对应的温升值。例如，图2中，机床在速度D下运行了时间t3后停止，此时温升值为Tq，停止了时间ta后温升值为Th，则，在停止初始温度为Tq，对应停止时间ta的降温值为Tq-Th。
本步骤中，为了方便获得的升温、降温与时间的关系的查找调用，预设了关系数据库，对机床运动状态下机床各运动轴温升值与运动时间以及运动速度的关系、机床停止状态下机床各运动轴降温值与时间的关系进行存储。
S4、获取运动轴对象当前状态，并根据当前状态计算其当前温升数据。
上一个步骤中，获取温升值、降温值与运动状态的关系后，本步骤中，便可对于没有预装温度传感器的机床根据其运动状态从关系数据库中调取对应的温升值和降温值，并根据温升值和降温值获取运动轴对象的当前温升数据。例如，某机床，在A速度下运行了t1时间后停止了时间t2，则根据步骤S3中获得的升温与运动速度和时间关系可确定目标运动轴在A速度下运行了t1对应的温升值为T1,根据步骤S3中降温与时间的关系，可以确定在停止初始时刻温升值为T1的情况下停止时间t2对应的降温值为T2，则可获得目标运动轴在A速度下运行了t1时间后停止了时间t2后当前温升数据为T1-T2。
此外，步骤S3中可直接获得图2所示趋势图进行存储，则本步骤中可直接根据运动状态调取当前温升数据。
S5、根据当前温升数据与映射函数获取位移误差值。
由于本实施方式中，将温升数据分为多段区间，每段区间上的温升数据均对应一个比例因子，故而本步骤中，可通过判断当前温升数据所在区间并获取对应的比例因子，将当前温升数据与对应的比例因子相乘获得位移误差值。
S6、根据位移误差值对运动轴对象进行温升补偿，由机床PMC根据位移误差值对运动轴对象进行运动量上的补偿。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种数控机床温升补偿方法，其特征包括以下步骤：
S1、获取机床运动过程中各运动轴在不同温升数据下对应的位移变化量，温升数据等于温升值减去降温值；
S2、根据温升数据与位移变化量的对应关系，计算温升数据与位移变化量的映射函数；
S3、获取机床运动状态下，机床各运动轴温升值与运动时间以及运动速度的关系；获取机床停止状态下，机床各运动轴降温值与时间的关系；
S4、获取运动轴对象当前状态，并根据当前状态计算其当前温升数据；
S5、根据当前温升数据与映射函数获取位移误差值；
S6、根据位移误差值对运动轴对象进行温升补偿。
2.如权利要求1所属的数控机床温升补偿方法，其特征在于，步骤S3中预设有温升饱和值，机床运动状态下，机床各运动轴温升值小于或等于温升饱和值并大于或等于0。
3.如权利要求1所属的机床温升补偿方法，其特征在于，步骤S1中，可通过在同型号的机床上预装温度传感器检测各运动轴在不同状态下的温升数据。
4.如权利要求1所属的机床温升补偿方法，其特征在于，步骤S1中，通过激光干涉仪对运动轴的位移变化量进行检测。
5.如权利要求1所属的机床温升补偿方法，其特征在于，步骤S2中，根据温升数据与位移变化量的对应关系将温升数据分为多段区间，计算每段区间内的温升数据与位移变化量的比例因子；步骤S5具体为：判断当前温升数据所在区间并获取对应的比例因子，将当前温升数据与对应的比例因子相乘获得位移误差值。
6.如权利要求1所属的机床温升补偿方法，其特征在于，步骤S3中，通过在同型号的机床上安装温度传感器采集机床温度数据，机床PMC系统获得机床温度数据后分别计算机床运动状态下机床各运动轴温升值与运动时间以及运动速度的关系；机床停止状态下机床各运动轴降温值与时间的关系。
7.如权利要求6所属的机床温升补偿方法，其特征在于，步骤S3还包括：预设关系数据库，对机床运动状态下机床各运动轴温升值与运动时间以及运动速度的关系、机床停止状态下机床各运动轴降温值与时间的关系进行存储。
8.如权利要求7所属的机床温升补偿方法，其特征在于，步骤S4中，获取运动轴当前运动状态后，从关系数据库中调取对应的温升值和降温值，并计算当前温升数据。
9.如权利要求1所属的机床温升补偿方法，其特征在于，步骤S6中，由机床PMC根据位移误差值对运动轴对象进行运动量上的补偿。
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