CN105867303A - 一种参考误差的机床温差补偿系统 - Google Patents

一种参考误差的机床温差补偿系统 Download PDF

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杨纪村
葛峰
王宇
石云
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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

Abstract

本发明公开了一种参考误差的机床温差补偿系统，包括：温差调用数据库、温差判断模块、形变推算模块、补偿判断模块和运动输出模块。本发明通过温差调用数据库中预存的温差变化趋势图，可根据机床运动状态获得各运动轴的温差；通过形变推算模块可获得温差对应的形变量。本发明解决了没有预装温度传感器的机床无法直接测量温度作为形变推算依据的问题。本发明中，通过补偿判断模块将形变量与误差允许范围进行对比，避免了加工工件由于机床发热导致的误差问题，并简化了机床运动过程中的运动补偿工作，从而提高机床加工效率。

Description

一种参考误差的机床温差补偿系统
技术领域
本发明涉及机床技术领域，尤其涉及一种参考误差的机床温差补偿系统。
背景技术
数控机床作为一种半自动化批量生产工具，在制造业中占有举足轻重的地位。但是，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，导致加工工件出现误差。
目前解决以上问题的方法就是通过各种方法获得机床温升数据，然后根据温升数据计算运动轴形变，在进行运动补偿。该方法存在两个问题：一、机床温度不好测量，目前出现了在机床各传动部件安装温度传感器的方法进行温度检测，但是温度传感器只能在机床组装时预装，损坏了不好更换，而且容易对机床运行产生干涉；二、很多工件加工都是允许产生误差的，而运动轴位移产生的加工误差也未必超出误差允许范围，但是目前对运动轴进行误差纠正时，不考虑误差允许情况，导致误差纠正工作量大，降低了工作效率。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种参考误差的机床温差补偿系统。
本发明提出的一种参考误差的机床温差补偿系统，包括：
温差调用数据库，其内部存储有表示温差与不同运动状态的对应关系的温差变化趋势图，运动状态包括运动速度和运动时间；
温差判断模块，其分别连接机床数控系统和温差调用数据库；温差判断模块通过机床数控系统获得机床运动状态变化轨迹，并根据机床运动状态变化轨迹从温差调用数据库调用对应的温差作为当前温差；
形变推算模块，其内部预设有不同形变量与不同温差的对应关系，其连接温差判断模块，并用于根据当前温差调用对应的形变量作为当前形变量；
补偿判断模块，其内部预设有误差允许范围；补偿判断模块与形变推算模块连接，其获得当前形变量，并判断当前形变量是否超出误差允许范围，并根据判断结果输出补偿目标；
运动输出模块，其分别连接机床数控系统和补偿判断模块；运动输出模块从机床数控系统获得运动量，并从补偿判断模块获得补偿目标，然后根据运动量和补偿目标合成运动目标并输出。
优选地，误差允许范围包括舍量值和增量值，舍量值为工件允许最大缺失量，增量值为工件允许最大延伸量；补偿判断模块根据运动轴形变方向将当前形变量与舍量值或增量值进行比较，并根据比较结果判断当前形变量是否超出误差允许范围。
优选地，补偿判断模块优先将当前形变量分别与舍量值和增量值比较，当当前形变量即小于舍量值又小于增量值，判断当前形变量未超出误差允许范围；当当前形变量即大于舍量值又大于增量值，判断当前形变量超出误差允许范围；当当前形变量大于舍量值和增量值中的一个并小于另一个，根据形变方向判断选择舍量值还是增量值作为比较标准进行比较。
优选地，当前形变量超出误差允许范围，补偿目标等于当前形变量；当前形变量未超出误差允许范围，补偿目标等于0。
优选地，温差调用数据库中，机床各运动轴分别对应一幅温差变化趋势图，温差变化趋势图中包含多条升温曲线和一条降温曲线；每条升温曲线表示的是不同温度下温差随着时间递增的关系，降温曲线表示的是机床停止过程中，运动轴温差随着时间递减的关系。
本发明提出的一种参考误差的机床温差补偿系统，通过温差调用数据库中预存的温差变化趋势图，可根据机床运动状态获得各运动轴的温差；通过形变推算模块可获得温差对应的形变量。即，本发明可根据机床运动状态获得各运动轴形变量。如此，在计算机床由于发热导致的形变过程中，省略了温度测量的步骤，解决了没有预装温度传感器的机床无法直接测量温度作为形变推算依据的问题。
本发明中，通过补偿判断模块将形变量与误差允许范围进行对比，首先判断机床发热状态下各运动轴形变量是否会产生超出误差允许范围的误差。且补偿判断模块根据判断结果输出补偿目标，即在超范围和不超范围的情况下进行不同的运动补偿，例如，在不超范围的情况下，不进行运动补偿，即输出量值为0的补偿目标。如此，可简化机床运动过程中的运动补偿工作，从而提高机床加工效率。且由于补偿判断模块以误差允许范围为标准对形变量进行实时检测，当形变量超出误差允许范围，则立刻进行误差补偿。如此，避免了加工工件由于机床发热导致的误差问题。
附图说明
图1为本发明提出的一种参考误差的机床温差补偿系统结构示意图；
图2为温差随运动状态变化的关系示意图。
具体实施方式
参照图1，本发明提出的一种参考误差的机床温差补偿系统，包括：
温差调用数据库，其内部存储有表示温差与不同运动状态的对应关系的温差变化趋势图，运动状态包括运动速度和运动时间。
本实施方式中，温差调用数据库中，机床各运动轴分别对应一幅温差变化趋势图，温差变化趋势图中包含多条升温曲线和一条降温曲线；每条升温曲线表示的是不同温度下温差随着时间递增的关系，降温曲线表示的是机床停止过程中，运动轴温差随着时间递减的关系。具体参照图2。
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。
如此，依照图2，运动轴P在A速度下运行了t1时间后停止了时间ta，则根据图谱可确定目标运动轴在A速度下运行了t1对应的温升值为Tz,根据图谱中中降温与时间的关系，可以确定在停止初始时刻温升值为Tz的情况下停止时间ta对应的降温值为Tz-Th，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ta后当前温升数据为Tz-(Tz-Th)＝Th。
可见，建立如图2所示的温差与形变关系图谱后，可根据运动状态在图谱中直接查询温差值。
本实施方式中的温差为机场运动过程中摩擦生热导致的温升值，故而温差恒大于0。机床各运动轴在一定运动速度下，其温差并不是随着运动时间的延长而无限上升的，一定运动速度下，温差都有一个上限值，且温差上限值与运动速度成正相关关系，即运动速度越大，运动轴可达到的温差上限值越大。图2中，速度ABCD依次减小。
温差判断模块，其分别连接机床数控系统和温差调用数据库。温差判断模块通过机床数控系统获得机床运动状态变化轨迹即机床当前运动速度和持续运动时间，并根据机床运动状态变化轨迹从温差调用数据库调用对应的温差作为当前温差。例如，结合图2，机床目标运动轴运动速度为C，持续运动时间为t1，则当前温差为Tq。
形变推算模块，其内部预设有不同形变量与不同温差的对应关系。具体地，形变推算模块中可预设形变量与温差的关联趋势图，也可预设多个关联集合，每一个关联集合均包含一个温差和该温差对应的形变量。
形变推算模块连接温差判断模块，并用于根据当前温差调用对应的形变量作为当前形变量。
补偿判断模块，其内部预设有误差允许范围。误差允许范围包括舍量值和增量值，舍量值为工件允许最大缺失量，增量值为工件允许最大延伸量。工件加工过程中，其误差为缺失还是延伸，与运动轴形变方向有关。补偿判断模块与形变推算模块连接，其获得当前形变量，并根据运动轴形变方向将当前形变量与舍量值或增量值进行比较，然后根据比较结果判断当前形变量是否超出误差允许范围，最后根据判断结果输出补偿目标。
本实施方式中，形变推算模块可先根据形变量方向确定运动轴形变量导致工件缺失还是延伸，当工件缺失时与舍量值比较，当工建增加时与增量值比较。只有当工件缺失时形变量小于舍量值或者当工作增加时形变量小于增量值，才可判断当前形变量未超出误差允许范围。
具体实施时，补偿判断模块还可优先将当前形变量分别与舍量值和增量值比较，当当前形变量即小于舍量值又小于增量值，判断当前形变量未超出误差允许范围；当当前形变量即大于舍量值又大于增量值，判断当前形变量超出误差允许范围；当当前形变量大于舍量值和增量值中的一个并小于另一个，才确定形变方向，并根据形变方向判断选择舍量值还是增量值作为比较标准。
本实施方式中，当前形变量超出误差允许范围，补偿目标等于当前形变量；当前形变量未超出误差允许范围，补偿目标等于0。
运动输出模块，其分别连接机床数控系统和补偿判断模块。运动输出模块从机床数控系统获得运动量，并从补偿判断模块获得补偿目标，然后根据运动量和补偿目标合成运动目标并输出。
本实施方式中，运动输出模块输出的运动目标始终由运动量和补偿目标合成。即，在运动轴形变未超出误差允许范围的情况下，实际不需要输出补偿目标的情况下，本实施方式中输出量值为0的补偿目标。如此，避免了在不同情况下即形变量超出误差允许范围和不超出误差允许范围的情况下采用不同的运动目标计算方式增加的计算复杂性，从而简化了机床运动补偿控制程序，有利于提高加工效率。
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 (5)

1.一种参考误差的机床温差补偿系统，其特征在于，包括：
温差调用数据库，其内部存储有表示温差与不同运动状态的对应关系的温差变化趋势图，运动状态包括运动速度和运动时间；
温差判断模块，其分别连接机床数控系统和温差调用数据库；温差判断模块通过机床数控系统获得机床运动状态变化轨迹，并根据机床运动状态变化轨迹从温差调用数据库调用对应的温差作为当前温差；
形变推算模块，其内部预设有不同形变量与不同温差的对应关系，其连接温差判断模块，并用于根据当前温差调用对应的形变量作为当前形变量；
补偿判断模块，其内部预设有误差允许范围；补偿判断模块与形变推算模块连接，其获得当前形变量，并判断当前形变量是否超出误差允许范围，并根据判断结果输出补偿目标；
运动输出模块，其分别连接机床数控系统和补偿判断模块；运动输出模块从机床数控系统获得运动量，并从补偿判断模块获得补偿目标，然后根据运动量和补偿目标合成运动目标并输出。
2.如权利要求1所述的参考误差的机床温差补偿系统，其特征在于，误差允许范围包括舍量值和增量值，舍量值为工件允许最大缺失量，增量值为工件允许最大延伸量；补偿判断模块根据运动轴形变方向将当前形变量与舍量值或增量值进行比较，并根据比较结果判断当前形变量是否超出误差允许范围。
3.如权利要求2所述的参考误差的机床温差补偿系统，其特征在于，补偿判断模块优先将当前形变量分别与舍量值和增量值比较，当当前形变量即小于舍量值又小于增量值，判断当前形变量未超出误差允许范围；当当前形变量即大于舍量值又大于增量值，判断当前形变量超出误差允许范围；当当前形变量大于舍量值和增量值中的一个并小于另一个，根据形变方向判断选择舍量值还 是增量值作为比较标准进行比较。
4.如权利要求1所述的参考误差的机床温差补偿系统，其特征在于，当前形变量超出误差允许范围，补偿目标等于当前形变量；当前形变量未超出误差允许范围，补偿目标等于0。
5.如权利要求1至4任一项所述的参考误差的机床温差补偿系统，其特征在于，温差调用数据库中，机床各运动轴分别对应一幅温差变化趋势图，温差变化趋势图中包含多条升温曲线和一条降温曲线；每条升温曲线表示的是不同温度下温差随着时间递增的关系，降温曲线表示的是机床停止过程中，运动轴温差随着时间递减的关系。
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