CN105892401A - 一种基于温差的机床运动补偿方法 - Google Patents

一种基于温差的机床运动补偿方法 Download PDF

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杨纪村
葛峰
王宇
石云
张帝
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Abstract

本发明公开了一种基于温差的机床运动补偿方法，包括以下步骤：S1、采集机床各运动轴在不同运动状态下的温差，并将温差与运动状态的对应关系存储到预设数据库中；S2、获取机床各运动轴形变与温差的映射模型；S3、根据机床运动状态从数据库中调取目标运动轴当前温差，并根据映射模型获得当前形变量；S4、获得当前加工工件误差允许范围；S5、判断当前形变量是否超出误差允许范围；S6、根据判断结果生成运动补偿量；S7、结合机床数控系统输出的运动量和运动补偿量生成运动目标值。本发明充分考虑到机床运动轴热胀冷缩的特性，通过运动补偿的方法克服机床长时间运动情况下摩擦生热导致的运动轴热胀形变带来的加工误差。

Description

一种基于温差的机床运动补偿方法
技术领域
本发明涉及机床误差补偿技术领域，尤其涉及一种基于温差的机床运动补偿方法。
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，本发明提出了一种基于温差的机床运动补偿方法。
本发明提出的一种基于温差的机床运动补偿方法，包括以下步骤：
S1、在同型号机床上预装温度传感器，采集机床各运动轴在不同运动状态下的温差，并将温差与运动状态的对应关系存储到预设数据库中；运动状态包括运动速度和持续运动时间；
S2、获取机床各运动轴形变与温差的映射模型；
S3、根据机床运动状态从数据库中调取目标运动轴当前温差，并根据映射模型获得当前形变量；
S4、获得当前加工工件误差允许范围；
S5、判断当前形变量是否超出误差允许范围；
S6、根据判断结果生成运动补偿量；
S7、结合机床数控系统输出的运动量和运动补偿量生成运动目标值。
优选地，步骤S6具体为：当前形变量超出误差允许范围，运动补偿量等于当前形变量；当前形变量未超出误差允许范围，运动补偿量等于0。
优选地，步骤S2中，形变与温差的映射模型为：Δl＝k×ΔT，其中Δl为形变量，ΔT为温差，k为计算常数并由运动轴材质决定。
优选地，步骤S2中，通过测量同型号机床各运动轴在不同温差下的形变量推算形变与温差的映射模型。
优选地，步骤S2中，通过激光干涉仪测量形变量。
本发明提供的基于温差的机床运动补偿方法，充分考虑到机床运动轴热胀冷缩的特性，通过运动补偿的方法克服机床长时间运动情况下摩擦生热导致的运动轴热胀形变带来的加工误差。
本发明中，通过在同型号机床上预装温度传感器采集同型号机床在不同运动状态下的温差作为加床运动过程中的温差数据，解决了生产过程中没有预装温度传感器的机床的温度采集问题。且本发明中，将温差与运动状态的对应关系存储到预设数据库中，如此，需要计算温差时，可通过运动状态直接从预设数据库中调用温差，方便快捷。
本发明中，在进行运动补偿之前，优先根据工件允许误差范围判断是否需要进行运动补偿，即判断形变导致的误差是否超出工件允许误差范围。如此，避免了不必要的运动补偿，有利于减少冗余工作，提高工件加工效率。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于温差的机床运动补偿方法流程图；
图2为形变与温差的关系图谱示意图。
具体实施方式
参照图1，本发明提出的一种基于温差的机床运动补偿方法，包括以下步骤：
S1、在同型号机床上预装温度传感器，采集机床各运动轴在不同运动状态下的温差，并将温差与运动状态的对应关系存储到预设数据库中。运动状态包括运动速度和持续运动时间。
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。
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。
本实施方式中，可将温差与运动状态的对应关系绘制成图谱进行存储，具体图谱如图2所示。某机床运动轴P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。
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。
S2、获取机床各运动轴形变与温差的映射模型。
根据热胀冷缩定律，形变与温差的映射模型为：Δl＝k×ΔT，其中Δl为形变量，ΔT为温差，k为计算常数并由运动轴材质决定，且根据材质的热胀特性，同一材质在不同温度区间内也可能取值不同，例如，k值与温差值成反比关系。
本实施方式中，k值的确定，可通过测量同型号机床各运动轴在不同温差下的形变量进行推算。具体可通过激光干涉仪对运动轴的位移变化量进行检测，以提高形变检测精度，并可在机床工作情况下实时检测避免对机床工作造成影响。
S3、根据机床运动状态从数据库中调取目标运动轴当前温差，并根据映射模型获得当前形变量。
S4、获得当前加工工件误差允许范围。
本实施方式中，误差允许范围包括工件允许缺失量和工件允许增加量，工件加工过程中是缺失还是增加，和各运动轴的形变方向有关系。
S5、判断当前形变量是否超出误差允许范围。
本实施方式中，可先根据形变量方向确定形变导致工件缺失还是增加，当工件缺失时与工件允许缺失量比较，当工建增加时与允许增加量比较。只有当工件缺失时形变量小于工件允许缺失量或者当工作增加时形变量小于允许增加量，才可判断当前形变量未超出误差允许范围。
具体实施时，还可优先将当前形变量分别与工件允许缺失量和工件允许增加量比较，当当前形变量即小于工件允许缺失量又小于工件允许增加量，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工件允许缺失量又大于工件允许增加量，判断当前形变量超出误差允许范围；当当前形变量大于工件允许缺失量和工件允许增加量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工件允许缺失量还是工件允许增加量作为比较标准。
S6、根据判断结果生成运动补偿量。
本实施方式中，当前形变量超出误差允许范围，运动补偿量等于当前形变量；当前形变量未超出误差允许范围，运动补偿量等于0。具体地，运动补偿量等于当前形变量是指通过运动补偿使得当前形变量消失，即工件加工0误差。
S7、结合机床数控系统输出的运动量和运动补偿量生成运动目标值。
数控机床作为半自动化设备，其加工过程中的运动量都已经设置在程序当中，本步骤中，根据运动补偿量对运动量进行纠正，可避免温差导致的形变对工件加工的不利影响。
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)

1.一种基于温差的机床运动补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在同型号机床上预装温度传感器，采集机床各运动轴在不同运动状态下的温差，并将温差与运动状态的对应关系存储到预设数据库中；运动状态包括运动速度和持续运动时间；
S2、获取机床各运动轴形变与温差的映射模型；
S3、根据机床运动状态从数据库中调取目标运动轴当前温差，并根据映射模型获得当前形变量；
S4、获得当前加工工件误差允许范围；
S5、判断当前形变量是否超出误差允许范围；
S6、根据判断结果生成运动补偿量；
S7、结合机床数控系统输出的运动量和运动补偿量生成运动目标值。
2.如权利要求1所述的基于温差的机床运动补偿方法，其特征在于，步骤S6具体为：当前形变量超出误差允许范围，运动补偿量等于当前形变量；当前形变量未超出误差允许范围，运动补偿量等于0。
3.如权利要求1所述的基于温差的机床运动补偿方法，其特征在于，步骤S2中，形变与温差的映射模型为：Δl＝k×ΔT，其中Δl为形变量，ΔT为温差，k为计算常数并由运动轴材质决定。
4.如权利要求3所述的基于温差的机床运动补偿方法，其特征在于，步骤S2中，通过测量同型号机床各运动轴在不同温差下的形变量推算形变与温差的映射模型。
5.如权利要求4所述的基于温差的机床运动补偿方法，其特征在于，步骤S2中，通过激光干涉仪测量形变量。
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