CN107102618B - 可进行误差补偿的数控机床及其误差补偿的方法 - Google Patents

可进行误差补偿的数控机床及其误差补偿的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可进行误差补偿的数控机床及其误差补偿的方法，包括相互垂直的X轴横向移动装置、Y轴纵向移动装置和Z轴升降移动装置，Y轴纵向移动装置设置在基座上，X轴横向移动装置设置在基座上的龙门横梁的正面，Y轴纵向移动装置上滑动设有工作台，Z轴升降移动装置设置在X轴横向移动装置上，Z轴升降移动装置上设有加工主轴，还包括激光干涉仪、光栅传感器组和数控系统。本发明，解决了加工过程中导致的直线度误差、装配误差以及温度导致的热胀冷缩的热误差等问题，并对三个轴向的误差进行综合建模，生成补偿文件后，导入数控系统实现实时误差修正，达到提高数控机床加工精度的目的。

Description

可进行误差补偿的数控机床及其误差补偿的方法
技术领域
本发明涉及数控机床，具体涉及可进行误差补偿的数控机床及其误差补偿的方法。
背景技术
现代机械制造技术正朝着高效、高质、高精度、高集成和高智能方向发展，精密和超精密加工技术已成为现代机械制造中最重要的组成部分和发展方向，并成为提高国际竞争能力的关键技术。
数控机床行业为了提高测量的精确度，都会做误差修正，目前，提高机床精度的方法主要分为误差避免法和误差补偿法，前者主要靠通过机床的制造、安装等方法来保证，需要投入大量成本；后者主要通过人为地制造一种新的误差来抵消原始误差，从而达到提高精度的目的，设置简单。因此，误差补偿法是一种最为经济有效的方法。
然而，普遍的数控机床仍然具有以下问题：
(1)一个三轴机床每个轴有6项误差，包括3项直线度误差和3项转角误差，3个轴就有18项误差，另外每两个轴之间有1项垂直度误差，这样共有3项垂直度误差，如此总共有21项空间误差。这21项误差相互关联与影响，给误差建模与补偿带来了不便。目前，绝大多数误差补偿采取分开的办法进行，如对21项误差，分成三个轴单独进行，对每个轴的定位误差、直线度误差又分别独立处理，这样处理的结果是补好了某一项误差，却又可能增大了另一项新的误差，很难兼顾到各个误差的补偿；
(2)绝大多数的补偿将几何误差和热误差分开进行，由于机床误差的复杂性，如定位误差等实质上既是几何误差，一般将这些误差作为几何误差进行补偿，但实际上，这些误差在不同的温度下是变化的，故对这种既是几何误差又是热误差的复合误差，要进行几何误差和热误差的综合建模和动态补偿，目前尚无有效的几何误差和热误差的综合建模和动态补偿方法；
(3)针对数控机床在生产和组装过程中，存在机械装配误差和滚动丝杆、线性导轨及光栅传感器本身的误差等等，这种误差是没有确切的测量和记录的，因此也很难做到补偿的精度。
由此可见，目前的数控机床的误差补偿存在误差补偿精度低的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是目前的数控机床的误差补偿存在误差补偿精度低的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供了一种可进行误差补偿的数控机床，包括相互垂直的X轴横向移动装置、Y轴纵向移动装置和Z轴升降移动装置，所述Y轴纵向移动装置设置在基座上，所述X轴横向移动装置设置在龙门横梁的正面，所述Y轴纵向移动装置上滑动设有工作台，所述Z轴升降移动装置设置在所述X轴横向移动装置上，所述Z轴升降移动装置上设有加工主轴，还包括：
可拆卸的激光干涉仪，包括激光头、分光镜和反射镜，所述激光头可移动地设置在所述基座的一侧，所述分光镜设置在所述工作台上，所述反射镜设置在所述加工主轴上；
光栅传感器组，包括X向光栅传感器、Y向光栅传感器和Z向光栅传感器，分别设置在所述龙门横梁、所述基座和所述Z轴升降移动装置上，且分别与X轴横向移动装置、Y轴纵向移动装置、Z轴升降移动装置的移动方向平行；
数控系统，与所述X轴横向移动装置、Y轴纵向移动装置、Z轴升降移动装置、光栅传感器组和所述激光干涉仪连接。
在上述方案中，所述激光干涉仪还包括支架和两个磁座,所述激光头的底面上设有可调高螺栓,所述激光头通过所述可调高螺栓设置在所述支架的顶面上,所述磁座上设有连接杆,所述分光镜和所述反射镜分别通过所述连接杆设置在所述磁座上，所述磁座活动设置在所述工作台或所述加工主轴上。
在上述方案中，所述龙门横梁的下端设有水平的安装孔,螺栓由上向下穿过所述安装孔并与所述基座固定。
在上述方案中，所述X轴横向移动装置、Y轴纵向移动装置、Z轴升降移动装置分别通过滚珠丝杆与对应的伺服电机连接，并分别滑动设置在对应的导轨上。
在上述方案中，所述基座的底部设有多对且对称设置的支撑脚，每对所述支撑脚包括两个相对设置的支撑块。
本发明还提供了一种数控机床进行误差补偿的方法，包括以下步骤：
步骤S1：测量X轴精度，具体包括以下步骤：
步骤S11：把激光头固定在基座的左侧，并与分光镜和反射镜同一高度，沿X轴方向保持同一直线，激光头发射出的激光通过分光镜和反射镜，返回到激光头的接受孔并重合，
步骤S12：按照设定距离移动反射镜，使其由远及近靠近分光镜，数控系统根据激光干涉仪的激光位置值、X向光栅传感器的位置值、X轴的直线度，分析处理并建立X轴误差模型；
步骤S2：测量Y轴精度，具体包括以下步骤：
步骤S21：把激光头固定在基座的前端，并与分光镜和反射镜同一高度，沿Y轴方向保持同一直线，激光头发射出的激光通过分光镜和反射镜，返回到激光头的接受孔并重合，
步骤S22：按照设定距离移动分光镜，使其由远及近靠近反射镜，数控系统根据激光干涉仪的激光位置值、Y向光栅传感器位置值、Y轴的直线度，分析处理并建立Y轴误差模型；
步骤S3：测量Z轴精度，具体包括以下步骤：
步骤S31：把激光头固定在基座的前端，反射镜设置在分光镜的正上方，激光头和分光镜同一高度，激光头发射出的激光通过分光镜后90度折射到达反射镜，再返回到激光头的接受孔并重合，
步骤S32：按照预定距离将反射镜进行升降，使其由远及近靠近分光镜，数控系统根据激光干涉仪的激光位置值、Z向光栅传感器位置值、Z轴的直线度，分析处理并建立Z轴误差模型；
步骤S4：将步骤S1得到的X轴误差模型、步骤S2得到的Y轴误差模型和步骤S3得到的Z轴误差模型进行拟合，生成空间误差模型和补偿文件，把补偿文件载入数控系统的补偿模块，通过误差值插补于数控系统中，实现实时补偿。
在上述方案中，其中步骤S12具体为：
步骤S121：设定测量的段距，将X轴分成若干段，并得到若干节点，反射镜在每个节点处停留2～4秒；
步骤S122：在每个节点停留的时间内采集X轴数据：
激光干涉仪测量的X轴正向位置值，
X向光栅传感器的正向测量位置值，
激光干涉仪测量的X轴在水平方向的直线度，
激光干涉仪测量的X轴在竖直方向的直线度；
步骤S123：建立X轴误差模型：
利用步骤S122测得的数据，计算如下误差数据：
X轴的节点的位置误差值，
X轴各分段之间的位置误差，
X轴在水平方向的直线度误差在各节点的位置引起的Y轴坐标的变量，
X轴各分段之间在水平方向的直线度误差引起的Y轴坐标的变量，
X轴在竖直方向的直线度误差在各节点的位置引起的Z轴坐标的变量，
X轴各分段之间在竖直方向的直线度误差引起的Z轴坐标的变量，
利用上述数据得到X轴各节点位置的空间误差，X轴每个节点分段之间的空间误差。
在上述方案中，其中步骤S12具体为：
步骤S121：设定测量的段距：
将X轴均匀分为k段，段距为N,得到k个节点，分别是1、2、3、4......k，设k为节点位置的变量常数,正向测量步骤是加工主轴带动反射镜从X轴的最左端的0点位开始匀速移动，每次移动距离为N，直至测量到最右端的节点位置，每个节点停留3秒；
步骤S122：在每个节点停留的时间内采集X轴数据：
步骤S1221：采集激光干涉仪测量的X轴正向位置值，依次为N、2N、3N、4N......kN，同时采集X向光栅传感器的正向测量位置值，依次为X1、X2、X3、X4......XK，
步骤S1222：采集激光干涉仪测量的X轴在水平方向的直线度，每个节点的误差偏摆角依次为θXy1、θXy2、θXy3、θXy4......θXyK，
步骤S1223：采集激光干涉仪测量的X轴在竖直方向的直线度，每个节点的误差偏摆角依次为θXZ1、θXZ2、θXZ3、θXZ4......θXZK；
步骤S123：建立X轴误差模型：
步骤S1231：计算X轴的位置误差：
设X轴的节点k的位置误差值为ΔXK表示，则ΔXK＝N-(XK-XK-1)
设X轴各分段N之间的位置误差为ΔX表示，斜率用LXX表示，则LXX＝N/(XK-XK-1),X轴各分段N之间的位置误差按斜率LXX线性分配，则ΔX＝ΔXK×LXX＝[N-(XK-XK-1)]N/(XK-XK-1)；
步骤S1232：计算X轴在水平方向的直线度误差：
设X轴在水平方向的直线度误差在节点k的位置引起的Y轴坐标的变量ΔYXK,则ΔYXK＝tgθXyk×N，
设X轴各分段N之间在水平方向的直线度误差引起的Y轴坐标的变量为ΔYX表示，斜率用LXY表示,则LXY＝cosθXyk，X轴各分段N之间在水平方向的直线度误差引起的Y轴坐标的变量ΔYX误差按斜率线性分配，则
ΔYX＝ΔYXK×LXY＝cosθXyk×tgθXyk×N＝sinθXyk×N；
步骤S1233：计算X轴在竖直方向的直线度误差：
设X轴在竖直方向的直线度误差在节点k的位置引起的Z轴坐标的变量ΔZXK,则ΔZXK＝tgθXZk×N，
设X轴各分段N之间在竖直方向的直线度误差引起的Z轴坐标的变量为ΔZX表示，斜率用LXZ表示,则LXZ＝cosθXZk，X轴各分段N之间的竖直方向直线度误差引起的Z轴坐标的变量ΔZX误差按斜率线性分配，则公式为：
ΔZX＝ΔZXK×LXZ＝cosθXZk×tgθXZk×N＝sinθXZk×N；
步骤S1234：由此上述数据可得，X轴节点k位置的空间误差为(ΔXK，ΔYXK,ΔZXK)，
X轴每个节点段距N之间的空间误差按斜率线性分配为(ΔX，ΔYX,ΔZX)，
拟合X轴的空间误差模型，生成X轴误差补偿文件；
同理可得，Y轴的误差数据为：
Y轴正向位置值依次为N、2N、3N、4N......kN，
Y向光栅传感器的正向测量位置值依次为Y1、Y2、Y3、Y4......YK，
Y轴在水平方向上每个节点的误差偏摆角依次为θYX1、θYX2、θYX3、θYX4......θYXK，
Y轴在竖直方向上每个节点的误差偏摆角依次为θYZ1、θYZ2、θYZ3、θYZ4......θYZK；
建立Y轴的空间误差模型:
Y轴的节点k的位置误差值ΔYK＝N-(YK-YK-1),
Y轴各分段的位置误差为ΔY＝ΔYK×LYY＝[N-(YK-YK-1)]N/(YK-YK-1)，
Y轴在水平方向的直线度误差在节点k的位置引起的X轴坐标的变量为ΔXYK＝tgθYXk×N，
Y轴各分段N之间在水平方向的直线度误差引起的X轴坐标的变量为:
ΔXY＝ΔXYK×LYX＝cosθYXk×tgθYXk×N＝sinθYXk×N，
Y轴在竖直方向的直线度误差在节点k的位置引起的Z轴坐标的变量为ΔZYK＝tgθYZk×N，
Y轴各分段N之间在竖直方向的直线度误差引起的Z轴坐标的变量为：
ΔZY＝ΔZYK×LYZ＝cosθYZk×tgθYZk×N＝sinθYZk×N,
由此可得，Y轴节点k位置的空间误差为(ΔYK，ΔXYK,ΔZYK)，
Y轴各分段N之间的空间误差按斜率线性分配为(ΔY，ΔXY,ΔZY)，
拟合Y轴的空间误差模型，生成Y轴误差补偿文件；
同理可得，Z轴的误差数据为：
Z轴正向位置值依次为N、2N、3N、4N......kN，
Z向光栅传感器的正向测量位置值依次为Z1、Z2、Z3、Z4......ZK，
Z轴在水平方向上的直线度,每个节点的误差偏摆角依次为θZX1、θZX2、θZX3、θZX4......θZXK，
Z轴在竖直方向上的直线度，每个节点的误差偏摆角依次为θZY1、θZY2、θZY3、θZY4......θZYK；
建立Z轴的空间误差模型:
Z轴的节点k的位置误差值为ΔZK＝N-(ZK-ZK-1)，
Z轴各分段N之间的位置误差为
ΔZ＝ΔZK×LZZ＝[N-(ZK-ZK-1)]N/(ZK-ZK-1)，
Z轴在水平方向的直线度误差在节点k的位置引起的X轴坐标的变量为ΔXZK＝tgθZXk×N，
Z轴各分段N之间在水平方向的直线度误差引起的X轴坐标的变量为ΔXZ＝ΔXZK×LZX＝cosθZXk×tgθZXk×N＝sinθZXk×N，
Z轴在竖直方向的直线度误差在节点k的位置引起的Y轴坐标的变量ΔYZK,则公式为ΔYZK＝tgθZYk×N，
Z轴各分段N之间在竖直方向的直线度误差引起的Y轴坐标的变量为ΔYZ＝ΔYZK×LZY＝cosθZYk×tgθZYk×N＝sinθZYk×N，
由此可得，Z轴节点k位置的空间误差为(ΔZK，ΔXZK,ΔYZK)，
Z轴各分段N之间的空间误差按斜率线性分配为(ΔZ，ΔXZ,ΔYZ)；
拟合Z轴的空间误差模型，生成Z轴误差补偿文件。
本发明，利用激光干涉仪对光栅传感器组、X轴横向移动装置、Y轴纵向移动装置和Z轴升降移动装置的直线度进行测量，数控系统根据激光位置值、光栅传感器组的位置值和各轴的直线度，进行记录并推理计算得到X轴、Y轴和Z轴的误差模型并最终拟合形成空间误差处理模型以及补偿文件，并把误差文件补于数控系统中，实现实时补偿，解决了加工过程中导致的直线度误差、装配误差以及温度导致的热胀冷缩的热误差等问题，并对三个轴向的误差进行综合建模，实现加工过程的实时误差修正，达到提高数控机床加工精度的目的。
附图说明
图1为本发明测量X轴的误差数据的结构示意图；
图2为本发明测量Y轴的误差数据的结构示意图；
图3为本发明测量Z轴的误差数据的结构示意图；
图4为本发明的生成的X轴补偿文件的数据线图；
图5为本发明的生成的Y轴补偿文件的数据线图；
图6为本发明的生成的Z轴补偿文件的数据线图；
图7为本发明的工作原理流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和说明书附图对本发明予以详细说明。
如图1所示，本发明提供的可进行误差补偿的数控机床包括相互垂直的X轴横向移动装置10、Y轴纵向移动装置20和Z轴升降移动装置30，Y轴纵向移动装置20设置在基座100上，X轴横向移动装置设置在基座100上的龙门横梁12的正面，Y轴纵向移动装置20上滑动设有工作台40，Z轴升降移动装置30设置在X轴横向移动装置10上，Z轴升降移动装置30上设有加工主轴。
本发明还包括激光干涉仪、光栅传感器组和数控系统。激光干涉仪为可拆卸设置，包括激光头51、分光镜52和反射镜53，激光头51可移动地设置在基座100的一侧，分光镜52设置在工作台40上，反射镜53设置在加工主轴上。光栅传感器组包括X向光栅传感器11、Y向光栅传感器21和Z向光栅传感器31，分别设置在龙门横梁12、基座100和Z轴升降移动装置30上，且分别与X轴横向移动装置10、Y轴纵向移动装置20、Z轴升降移动装置30的移动方向平行。数控系统与X轴横向移动装置10、Y轴纵向移动装置20、Z轴升降移动装置30、光栅传感器组和激光干涉仪连接。
本发明在工作过程中，数控系统会根据输入的命令向X轴横向移动装置10、Y轴纵向移动装置20、Z轴升降移动装置30中的一个发出指令，普通的数控机床一般采用伺服马达进行驱动，使其进行移动，接收灵敏，自动化程度高，同时数控系统可采集光栅传感器组和激光干涉仪的位置数据，对加工主轴和工作台40的移动做出精确的位置判断，从而完成预定加工。
激光干涉仪还包括支架和两个磁座,激光头51的底面上设有可调高螺栓,激光头51通过可调高螺栓设置在支架的顶面上,磁座上设有连接杆,分光镜52和反射镜53分别通过连接杆设置在磁座上，磁座活动设置在所述工作台40或加工主轴上。激光头51通过可调高螺栓设置在支架上，便于调节高度，使得激光头51发出的激光能够准确射入分光镜52内。而分光镜52、反射镜53需要分别对应设置在工作台40、加工主轴上，磁座可以使其位置方便移动，也能在使用时依靠磁力保证分光镜52和反射镜53的位置固定，使用方便。
龙门横梁12的下端设有水平的安装孔121，螺栓由上向下穿过安装孔121并与基座100固定。这样螺栓的螺母可以隐藏在安装孔121内，方便拆装，且不会对其他部件造成轨迹干扰。
X轴横向移动装置10、Y轴纵向移动装置20、Z轴升降移动装置30分别通过滚珠丝杆与对应的伺服电机连接，并分别滑动设置在对应的导轨上。滚珠丝杠的传动方式具有很强的稳定性和精度，并能防止打滑失效，导轨可进一步提高移动的精度。
基座100的底部设有多对且对称设置的支撑脚101，每对支撑脚101包括两个相对设置的支撑块。支撑脚101使得支座100能够高出工作台面，方便调节平衡度，也方便移动。
本发明还提供了一种数控机床进行误差补偿的方法，包括以下步骤：
步骤S1：测量X轴精度，具体包括以下步骤：
步骤S11：如图1所示，把激光头51固定在基座100的左侧，并与分光镜52和反射镜53同一高度，沿X轴方向保持同一直线，激光头51发射出的激光通过分光镜52和反射镜53，返回到激光头51的接受孔并重合，
步骤S12：按照设定距离移动反射镜53，使其由远及近靠近分光镜52，数控系统根据激光干涉仪的激光位置值、X向光栅传感器11的位置值、X轴的直线度，分析处理并建立X轴误差模型；
步骤S2：测量Y轴精度，具体包括以下步骤：
步骤S21：如图2所示，把激光头51固定在基座100的前端，并与分光镜52和反射镜53同一高度，沿Y轴方向保持同一直线，激光头51发射出的激光通过分光镜52和反射镜53，返回到激光头51的接受孔并重合，
步骤S22：按照设定距离移动分光镜52，使其由远及近靠近反射镜53，数控系统根据激光干涉仪的激光位置值、Y向光栅传感器21位置值、Y轴的直线度，分析处理并建立Y轴误差模型；
步骤S3：测量Z轴精度，具体包括以下步骤：
步骤S31：如图3所示，把激光头51固定在基座100的前端，反射镜53设置在分光镜52的正上方，激光头51和分光镜52同一高度，激光头51发射出的激光通过分光镜52后90度折射到达反射镜53，再返回到激光头51的接受孔并重合，
步骤S32：按照预定距离将反射镜53进行升降，使其由远及近靠近分光镜52，数控系统根据激光干涉仪的激光位置值、Z向光栅传感器31位置值、Z轴的直线度，分析处理并建立Z轴误差模型；
步骤S4：将步骤S1得到的X轴误差模型、步骤S2得到的Y轴误差模型和步骤S3得到的Z轴误差模型进行拟合，生成空间误差模型和补偿文件，把补偿文件载入数控系统的补偿模块，通过误差值插补于数控系统中，实现实时补偿。
在以上步骤的基础上，为了提高测量的精度，将步骤12进行了如下细化。其中步骤S12具体为：
步骤S121：设定测量的段距，将X轴分成若干段，并得到若干节点，反射镜53在每个节点处停留2～4秒；
步骤S122：在每个节点停留的时间内采集X轴数据：
激光干涉仪测量的X轴正向位置值，
X向光栅传感器11的正向测量位置值，
激光干涉仪测量的X轴在水平方向的直线度，
激光干涉仪测量的X轴在竖直方向的直线度；
步骤S123：建立X轴误差模型：
利用步骤S122测得的数据，计算如下误差数据：
X轴的节点的位置误差值，
X轴各分段之间的位置误差，
X轴在水平方向的直线度误差在各节点的位置引起的Y轴坐标的变量，
X轴各分段之间在水平方向的直线度误差引起的Y轴坐标的变量，
X轴在竖直方向的直线度误差在各节点的位置引起的Z轴坐标的变量，X轴各分段之间在竖直方向的直线度误差引起的Z轴坐标的变量，
利用上述数据得到X轴各节点位置的空间误差，X轴每个节点分段之间的空间误差。
优选地，以X轴的精度测量为例，将步骤12中的数据进行量化，进行如下操作。其中步骤S12具体为：
步骤S121：设定测量的段距：
将X轴均匀分为k段，段距为N,得到k个节点，分别是1、2、3、4......k，设k为节点位置的变量常数,正向测量步骤是X轴横向移动装置10带动加工主轴和反射镜53从X轴的最左端的0点位开始匀速移动，每次移动距离为N，直至测量到最右端的节点位置，每个节点停留3秒；
步骤S122：在每个节点停留的时间内采集X轴数据：
步骤S1221：采集激光干涉仪测量的X轴正向位置值，依次为N、2N、3N、4N......kN，同时采集X向光栅传感器11的正向测量位置值，依次为X1、X2、X3、X4......XK，
步骤S1222：采集激光干涉仪测量的X轴在水平方向的直线度，每个节点的误差偏摆角依次为θXy1、θXy2、θXy3、θXy4......θXyK，
步骤S1223：采集激光干涉仪测量的X轴在竖直方向的直线度，每个节点的误差偏摆角依次为θXZ1、θXZ2、θXZ3、θXZ4......θXZK；
步骤S123：建立X轴误差模型：
步骤S1231：计算X轴的位置误差：
设X轴的节点k的位置误差值为ΔXK表示，则ΔXK＝N-(XK-XK-1)，
设X轴各分段N之间的位置误差为ΔX表示，斜率用LXX表示，则LXX＝N/(XK-XK-1),X轴各分段N之间的位置误差按斜率LXX线性分配，则ΔX＝ΔXK×LXX＝[N-(XK-XK-1)]N/(XK-XK-1)；
步骤S1232：计算X轴在水平方向的直线度误差：
设X轴在水平方向的直线度误差在节点k的位置引起的Y轴坐标的变量ΔYXK,则ΔYXK＝tgθXyk×N，
设X轴各分段N之间在水平方向的直线度误差引起的Y轴坐标的变量为ΔYX表示，斜率用LXY表示,则LXY＝cosθXyk，则：
ΔYX＝ΔYXK×LXY＝cosθXyk×tgθXyk×N＝sinθXyk×N；
步骤S1233：计算X轴在竖直方向的直线度误差：
设X轴在竖直方向的直线度误差在节点k的位置引起的Z轴坐标的变量ΔZXK,则ΔZXK＝tgθXZk×N，
设X轴各分段N之间在竖直方向的直线度误差引起的Z轴坐标的变量为ΔZX表示，斜率用LXZ表示,则LXZ＝cosθXZk，则：
ΔZX＝ΔZXK×LXZ＝cosθXZk×tgθXZk×N＝sinθXZk×N；
步骤S1234：由此上述数据可得，X轴节点k位置的空间误差为(ΔXK，ΔYXK,ΔZXK)，
X轴每个节点段距N之间的空间误差按斜率线性分配为(ΔX，ΔYX,ΔZX)，
拟合X轴的空间误差模型，生成X轴误差补偿文件，如图4所示。
然后，同理可得，将Y轴的精度也按照相同的量化方法进行测量计算，步骤S22具体为：
步骤S221：设定测量的段距：
将Y轴均匀分为K段，段距为N,得到k个节点，分别是1、2、3、4......k，设k为变量常数,正向测量步骤是Y轴纵向移动装置20带动工作台40以及分光镜52从起点X轴的最前端的0点位开始匀速移动，移动距离N，测量到最后端的k点位置，数据由小到大，每个节点停留3秒；
步骤S222：在每个节点停留的3秒内采集Y轴测量数据：
步骤S2221：采集激光干涉仪测量Y轴正向位置值，依次为N、2N、3N、4N......kN。同时采集Y向光栅传感器21的正向位置值，依次为Y1、Y2、Y3、Y4......YK，
步骤S2222：采集激光干涉仪测量Y轴在水平方向上的直线度，每个节点的误差偏摆角依次为θYX1、θYX2、θYX3、θYX4......θYXK，
步骤S2223：采集激光干涉仪测量Y轴在竖直方向上的直线度，每个节点的误差偏摆角依次为θYZ1、θYZ2、θYZ3、θYZ4......θYZK；
步骤S223：建立Y轴误差模型：
步骤S2231：计算Y轴的位置误差：
设Y轴的节点k的位置误差值ΔYK，则ΔYK＝N-(YK-YK-1)，
设Y轴各分段N之间的位置误差为ΔY，斜率用LYY表示，则LYY＝N/(YK-YK-1),Y轴各分段N之间的位置误差按斜率LYY线性分配，则ΔY＝ΔYK×LYY＝[N-(YK-YK-1)]N/(YK-YK-1)；
步骤S2232：计算Y轴的水平方向直线度误差：
设Y轴在水平方向的直线度误差在节点k的位置引起的X轴坐标的变量ΔXYK,则公式为ΔXYK＝tgθYXk×N，
设Y轴各分段N之间在水平方向的直线度误差引起的X轴坐标的变量为ΔXY表示，斜率用LYX表示,则LYX＝cosθYXk，则Y轴各分段N之间在水平方向的直线度误差引起的X轴坐标的变量ΔXY误差按斜率线性分配，则公式为:
ΔXY＝ΔXYK×LYX＝cosθYXk×tgθYXk×N＝sinθYXk×N；
步骤S2233：计算Y轴在竖直方向上的直线度误差：
设Y轴在竖直方向上的直线度误差在节点k的位置引起的Z轴坐标的变量ΔZYK,则公式为ΔZYK＝tgθYZk×N，
设Y轴各分段N之间在竖直方向上的直线度误差引起的Z轴坐标的变量为ΔZY表示，斜率用LYZ表示,则LYZ＝cosθYZk，Y轴各分段N之间在竖直方向上的直线度误差引起的Z轴坐标的变量ΔZY误差按斜率线性分配，则公式为：
ΔZY＝ΔZYK×LYZ＝cosθYZk×tgθYZk×N＝sinθYZk×N
步骤S2234：由此上述数据可得，Y轴节点k位置的空间误差为(ΔYK，ΔXYK,ΔZYK)，
Y轴各分段N之间的空间误差按斜率线性分配为(ΔY，ΔXY,ΔZY)
拟合Y轴的空间误差模型，生成Y轴误差补偿文件，如图5所示。
然后，同理可得，将Z轴的精度也按照相同的量化方法进行测量计算，步骤S32具体为：
步骤S321：设定测量的段距：
将Z轴均匀分为k段，段距为N,得到k个节点，分别是1、2、3、4......k，设k为变量常数,正向测量步骤是Z轴纵向移动装置30带动加工主轴和反射镜从Z轴的最底端的0点位开始匀速移动，移动距离N，测量到最上端的k点位置，数据由小到大，每个节点停留3秒。
步骤S322：在每个节点停留的3秒内采集Z轴测量数据：
步骤S3221：采集激光干涉仪测量Z轴位置值，正向位置值，数据由小到大N、2N、3N、4N......kN。同时采集光栅传感器正向测量位置值，数据由小到大Z1、Z2、Z3、Z4......ZK，
步骤S3222：采集激光干涉仪测量Z轴水平方向直线度，每个节点的误差偏摆角θZX1、θZX2、θZX3、θZX4......θZXK，
步骤S3223：采集激光干涉仪测量Z轴竖直方向直线度，每个节点的误差偏摆角θZY1、θZY2、θZY3、θZY4......θZYK，
步骤S3223：建立Z轴误差模型：
设Z轴的节点k的位置误差值为ΔZK表示，则公式为ΔZK＝N-(ZK-ZK-1)，
设Z轴各分段N之间的位置误差为ΔZ表示，斜率用LZZ表示，Z轴各分段N之间的位置误差按斜率LZZ线性分配，斜率公式为LZZ＝N/(ZK-ZK-1),则ΔZ＝ΔZK×LZZ＝[N-(ZK-ZK-1)]N/(ZK-ZK-1),
设Z轴在水平方向的直线度误差在节点k的位置引起的X轴坐标的变量ΔXZK,则公式为ΔXZK＝tgθZXk×N,
设Z轴各分段N之间在水平方向的直线度误差引起的X轴坐标的变量为ΔXZ表示，斜率用LZX表示,则LZX＝cosθZXk,
Z轴各分段N之间在水平方向的直线度误差引起的X轴坐标的变量ΔXZ误差按斜率线性分配，则：
ΔXZ＝ΔXZK×LZX＝cosθZXk×tgθZXk×N＝sinθZXk×N,
设Z轴在竖直方向的直线度误差在节点k的位置引起的Y轴坐标的变量ΔYZK,则公式为ΔYZK＝tgθZYk×N,
设Z轴各分段N之间在竖直方向的直线度误差引起的Y轴坐标的变量为ΔYZ表示，斜率用LZY表示,则LZY＝cosθZYk,则ΔYZ＝ΔYZK×LZY＝cosθZYk×tgθZYk×N＝sinθZYk×N,
步骤S2234：由Z轴节点k位置的空间误差为(ΔZK，ΔXZK,ΔYZK),
X轴各分段N之间的空间误差按斜率线性分配为(ΔZ，ΔXZ,ΔYZ),
拟合Z轴的空间误差模型，生成Z轴误差补偿文件，如图6所示。
如图7所示，本发明的工作原理为：分别设定X轴、Y轴和Z轴的测量的段距，采集X轴、Y轴和Z轴的数据，并通过计算建立X轴、Y轴和Z轴误差模型，然后拟合形成X轴、Y轴和Z轴三轴的节点误差模型，拟合形成X轴、Y轴和Z轴三轴各分段的误差模型，并生成补偿文件，最后导入数控系统实现实时补偿。
本发明的数控机床的误差补偿方法，利用激光干涉仪对光栅传感器组、X轴横向移动装置、Y轴纵向移动装置和Z轴升降移动装置的直线度进行测量，数控系统根据激光位置值、光栅传感器组的位置值和各轴的直线度，进行记录并推理计算得到X轴、Y轴和Z轴的误差模型并最终拟合形成空间误差处理模型以及补偿文件，并把误差文件补于数控系统中，实现实时补偿，实现实时补偿，解决了加工过程中导致的直线度误差、装配误差以及温度导致的热胀冷缩的热误差等问题，并对三个轴向的误差进行综合建模，实现加工过程的实时误差修正，达到提高数控机床加工精度的目的。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.可进行误差补偿的数控机床，包括相互垂直的X轴横向移动装置、Y轴纵向移动装置和Z轴升降移动装置，所述Y轴纵向移动装置设置在基座上，所述X轴横向移动装置设置在所述基座上的龙门横梁的正面，所述Y轴纵向移动装置上滑动设有工作台，所述Z轴升降移动装置设置在所述X轴横向移动装置上，所述Z轴升降移动装置上设有加工主轴，其特征在于，还包括：
可拆卸的激光干涉仪，包括激光头、分光镜和反射镜，所述激光头可移动地设置在所述基座的一侧，所述分光镜设置在所述工作台上，所述反射镜设置在所述加工主轴上；
光栅传感器组，包括X向光栅传感器、Y向光栅传感器和Z向光栅传感器，分别设置在所述龙门横梁、所述基座和所述Z轴升降移动装置上，且分别与X轴横向移动装置、Y轴纵向移动装置、Z轴升降移动装置的移动方向平行；
数控系统，与所述X轴横向移动装置、Y轴纵向移动装置、Z轴升降移动装置、光栅传感器组和所述激光干涉仪连接；所述数控系统分别设定X轴、Y轴和Z轴的测量的段距，采集X轴、Y轴和Z轴的数据，并通过计算建立X轴、Y轴和Z轴误差模型，然后拟合形成X轴、Y轴和Z轴三轴的节点误差模型，拟合形成X轴、Y轴和Z轴三轴各分段的误差模型，并生成补偿文件，最后导入数控系统实现实时补偿。
2.如权利要求1所述的可进行误差补偿的数控机床，其特征在于，所述激光干涉仪还包括支架和两个磁座,所述激光头的底面上设有可调高螺栓,所述激光头通过所述可调高螺栓设置在所述支架的顶面上,所述磁座上设有连接杆,所述分光镜和所述反射镜分别通过所述连接杆设置在所述磁座上，所述磁座活动设置在所述工作台或所述加工主轴上。
3.如权利要求1所述的可进行误差补偿的数控机床，其特征在于，所述龙门横梁的下端设有水平的安装孔,螺栓由上向下穿过所述安装孔并与所述基座固定。
4.如权利要求1所述的可进行误差补偿的数控机床，其特征在于，所述X轴横向移动装置、Y轴纵向移动装置、Z轴升降移动装置分别通过滚珠丝杆与对应的伺服电机连接，并分别滑动设置在对应的导轨上。
5.如权利要求1所述的可进行误差补偿的数控机床，其特征在于，所述基座的底部设有多对且对称设置的支撑脚，每对所述支撑脚包括两个相对设置的支撑块。
6.数控机床进行误差补偿的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：测量X轴精度，具体包括以下步骤：
步骤S11：把激光头固定在基座的左侧，并与分光镜和反射镜同一高度，沿X轴方向保持同一直线，激光头发射出的激光通过分光镜和反射镜，返回到激光头的接受孔并重合，
步骤S12：按照设定距离移动反射镜，使其由远及近靠近分光镜，数控系统根据激光干涉仪的激光位置值、X向光栅传感器的位置值、X轴的直线度，分析处理并建立X轴误差模型；
步骤S2：测量Y轴精度，具体包括以下步骤：
步骤S21：把激光头固定在基座的前端，并与分光镜和反射镜同一高度，沿Y轴方向保持同一直线，激光头发射出的激光通过分光镜和反射镜，返回到激光头的接受孔并重合，
步骤S22：按照设定距离移动分光镜，使其由远及近靠近反射镜，数控系统根据激光干涉仪的激光位置值、Y向光栅传感器位置值、Y轴的直线度，分析处理并建立Y轴误差模型；
步骤S3：测量Z轴精度，具体包括以下步骤：
步骤S31：把激光头固定在基座的前端，反射镜设置在分光镜的正上方，激光头和分光镜同一高度，激光头发射出的激光通过分光镜后90度折射到达反射镜，再返回到激光头的接受孔并重合，
步骤S32：按照预定距离将反射镜进行升降，使其由远及近靠近分光镜，数控系统根据激光干涉仪的激光位置值、Z向光栅传感器位置值、Z轴的直线度，分析处理并建立Z轴误差模型；
步骤S4：将步骤S1得到的X轴误差模型、步骤S2得到的Y轴误差模型和步骤S3得到的Z轴误差模型进行拟合，生成空间误差模型和补偿文件，把补偿文件载入数控系统的补偿模块，通过误差值插补于数控系统中，实现实时补偿；
采用如下方法分析处理并建立X轴误差模型、Y轴误差模型和Z轴误差模型：
设定测量的段距，将X轴、Y轴和Z轴分别分成若干段，并得到若干节点，反射镜在每个节点处停留2～4秒；
在每个节点停留的时间内分别采集X轴、Y轴和Z轴数据，包括：
激光干涉仪测量的X轴、Y轴和Z轴正向位置值，
X向光栅传感器、Y向光栅传感器和Z向光栅传感器的正向测量位置值，
激光干涉仪测量的X轴、Y轴和Z轴在水平方向和竖直方向的直线度，
计算如下误差数据：
X轴、Y轴和Z轴的节点的位置误差值，
X轴、Y轴和Z轴各分段之间的位置误差，
X轴在水平方向的直线度误差在各节点的位置引起的Y轴坐标的变量，X轴各分段之间在水平方向的直线度误差引起的Y轴坐标的变量，X轴在竖直方向的直线度误差在各节点的位置引起的Z轴坐标的变量，X轴各分段之间在竖直方向的直线度误差引起的Z轴坐标的变量；
Y轴在水平方向的直线度误差在各节点的位置引起的X轴坐标的变量，Y轴各分段之间在水平方向的直线度误差引起的X轴坐标的变量，Y轴在竖直方向的直线度误差在各节点的位置引起的Z轴坐标的变量，Y轴各分段之间在竖直方向的直线度误差引起的Z轴坐标的变量；
Z轴在水平方向的直线度误差在各节点的位置引起的X轴坐标的变量，Z轴各分段之间在水平方向的直线度误差引起的X轴坐标的变量，Z轴在竖直方向的直线度误差在各节点的位置引起的Y轴坐标的变量，Z轴各分段之间在竖直方向的直线度误差引起的Y轴坐标的变量；
利用上述数据得到X轴、Y轴和Z轴各节点位置的空间误差，X轴、Y轴和Z轴每个节点分段之间的空间误差。
7.如权利要求6所述的数控机床进行误差补偿的方法，其特征在于，其中步骤S12具体为：
步骤S121：设定测量的段距：
将X轴均匀分为k段，段距为N,得到k个节点，分别是1、2、3、4......k，设k为节点位置的变量常数,正向测量步骤是X轴横向移动装置带动加工主轴和反射镜从X轴的最左端的0点位开始匀速移动，每次移动距离为N，直至测量到最右端的节点位置，每个节点停留3秒；
步骤S122：在每个节点停留的时间内采集X轴数据：
步骤S1221：采集激光干涉仪测量的X轴正向位置值，依次为N、2N、3N、4N......kN，同时采集X向光栅传感器的正向测量位置值，依次为X1、X2、X3、X4......XK，
步骤S1222：采集激光干涉仪测量的X轴在水平方向的直线度，每个节点的误差偏摆角依次为θXy1、θXy2、θXy3、θXy4......θXyK，
步骤S1223：采集激光干涉仪测量的X轴在竖直方向的直线度，每个节点的误差偏摆角依次为θXZ1、θXZ2、θXZ3、θXZ4......θXZK；
步骤S123：建立X轴误差模型：
步骤S1231：计算X轴的位置误差：
设X轴的节点k的位置误差值为ΔXK表示，则ΔXK＝N-(XK-XK-1)，
设X轴各分段N之间的位置误差为ΔX表示，斜率用LXX表示，则LXX＝N/(XK-XK-1),X轴各分段N之间的位置误差按斜率LXX线性分配，则ΔX＝ΔXK×LXX＝[N-(XK-XK-1)]N/(XK-XK-1)；
步骤S1232：计算X轴在水平方向的直线度误差：
设X轴在水平方向的直线度误差在节点k的位置引起的Y轴坐标的变量ΔYXK,则ΔYXK＝tgθXyk×N，
设X轴各分段N之间在水平方向的直线度误差引起的Y轴坐标的变量为ΔYX表示，斜率用LXY表示,则LXY＝cosθXyk，X轴各分段N之间在水平方向的直线度误差引起的Y轴坐标的变量ΔYX误差按斜率线性分配，则
ΔYX＝ΔYXK×LXY＝cosθXyk×tgθXyk×N＝sinθXyk×N；
步骤S1233：计算X轴在竖直方向的直线度误差：
设X轴在竖直方向的直线度误差在节点k的位置引起的Z轴坐标的变量ΔZXK,则ΔZXK＝tgθXZk×N，
设X轴各分段N之间在竖直方向的直线度误差引起的Z轴坐标的变量为ΔZX表示，斜率用LXZ表示,则LXZ＝cosθXZk，X轴各分段N之间的竖直方向直线度误差引起的Z轴坐标的变量ΔZX误差按斜率线性分配，则公式为：
ΔZX＝ΔZXK×LXZ＝cosθXZk×tgθXZk×N＝sinθXZk×N；
步骤S1234：由此上述数据可得，X轴节点k位置的空间误差为(ΔXK，ΔYXK,ΔZXK)，
X轴每个节点段距N之间的空间误差按斜率线性分配为(ΔX，ΔYX,ΔZX)，
拟合X轴的空间误差模型，生成X轴误差补偿文件；
同理可得，Y轴的误差数据为：
Y轴正向位置值依次为N、2N、3N、4N......kN，
Y向光栅传感器的正向测量位置值依次为Y1、Y2、Y3、Y4......YK，
Y轴在水平方向上每个节点的误差偏摆角依次为θYX1、θYX2、θYX3、θYX4......θYXK，
Y轴在竖直方向上每个节点的误差偏摆角依次为θYZ1、θYZ2、θYZ3、θYZ4......θYZK；
建立Y轴的空间误差模型:
Y轴的节点k的位置误差值ΔYK＝N-(YK-YK-1),
Y轴各分段的位置误差为ΔY＝ΔYK×LYY＝[N-(YK-YK-1)]N/(YK-YK-1)，
Y轴在水平方向的直线度误差在节点k的位置引起的X轴坐标的变量为ΔXYK＝tgθYXk×N，
Y轴各分段N之间在水平方向的直线度误差引起的X轴坐标的变量为:
ΔXY＝ΔXYK×LYX＝cosθYXk×tgθYXk×N＝sinθYXk×N，
Y轴在竖直方向的直线度误差在节点k的位置引起的Z轴坐标的变量为ΔZYK＝tgθYZk×N，
Y轴各分段N之间在竖直方向的直线度误差引起的Z轴坐标的变量为：
ΔZY＝ΔZYK×LYZ＝cosθYZk×tgθYZk×N＝sinθYZk×N,
由此可得，Y轴节点k位置的空间误差为(ΔYK，ΔXYK,ΔZYK)，
Y轴各分段N之间的空间误差按斜率线性分配为(ΔY，ΔXY,ΔZY)，
拟合Y轴的空间误差模型，生成Y轴误差补偿文件；
同理可得，Z轴的误差数据为：
Z轴正向位置值依次为N、2N、3N、4N......kN，
Z向光栅传感器的正向测量位置值依次为Z1、Z2、Z3、Z4......ZK，
Z轴在水平方向上的直线度,每个节点的误差偏摆角依次为θZX1、θZX2、θZX3、θZX4......θZXK，
Z轴在竖直方向上的直线度，每个节点的误差偏摆角依次为θZY1、θZY2、θZY3、θZY4......θZYK；
建立Z轴的空间误差模型:
Z轴的节点k的位置误差值为ΔZK＝N-(ZK-ZK-1)，
Z轴各分段N之间的位置误差为
ΔZ＝ΔZK×LZZ＝[N-(ZK-ZK-1)]N/(ZK-ZK-1)，
Z轴在水平方向的直线度误差在节点k的位置引起的X轴坐标的变量为ΔXZK＝tgθZXk×N，
Z轴各分段N之间在水平方向的直线度误差引起的X轴坐标的变量为ΔXZ＝ΔXZK×LZX＝cosθZXk×tgθZXk×N＝sinθZXk×N，
Z轴在竖直方向的直线度误差在节点k的位置引起的Y轴坐标的变量ΔYZK,则公式为ΔYZK＝tgθZYk×N，
Z轴各分段N之间在竖直方向的直线度误差引起的Y轴坐标的变量为ΔYZ＝ΔYZK×LZY＝cosθZYk×tgθZYk×N＝sinθZYk×N，
由此可得，Z轴节点k位置的空间误差为(ΔZK，ΔXZK,ΔYZK)，
Z轴各分段N之间的空间误差按斜率线性分配为(ΔZ，ΔXZ,ΔYZ)；
拟合Z轴的空间误差模型，生成Z轴误差补偿文件。
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