CN108334029A - 嵌入误差补偿功能的数控机床设备及其补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种嵌入误差补偿功能的数控机床设备及其补偿方法，包括数控系统、机床、伺服驱动器、伺服电机、温度传感器、温度采集卡以及误差测量仪器，伺服电机通过伺服驱动器与数控系统的轴控制器电连接，温度传感器布置于机床的关键测温点上，温度传感器通过温度采集卡与数控系统电连接，数控系统包括空间误差补偿模块和热误差补偿模块，空间误差补偿模块用于根据机床各轴的空间误差数据建立空间误差补偿模型并对空间误差进行补偿，热误差补偿模块用于根据机床从冷机到热机状态下的各关键测温点的温度值及各关键测温点不同温度下的误差数据建立热误差补偿模型并实现热误差补偿。本发明可以有效提高数控机床的加工精度和稳定性。

Description

嵌入误差补偿功能的数控机床设备及其补偿方法

技术领域

本发明涉及数控机床加工的误差补偿技术领域，尤其涉及一种嵌入误差补偿功能的数控机床设备及其补偿方法。

背景技术

企业所购买的价格不菲的高精度机床在生产加工过程中总会产生大大小小的误差，使其加工出的产品达不到精度要求，空间误差补偿对机床工作时产生的误差进行修正已经在理论上被证实为减小机床误差的有效方法，但现阶段国产数控系统只有反向间隙、螺距误差补偿等少量的误差补偿，没有全面的空间误差补偿功能。只能通过有限的串口协议外接补偿装置，在第三方平台上自己开发空间误差补偿功能，这种方法导致补偿响应速度慢，容易受干扰。

在一台普通三轴机床上进行空间误差补偿时，需要对仪器做大量的安装调试工作，以便激光光束和机床的运动相吻合，在测量和等待架设的过程中机床处于两种热交换状态，使得机床结构或传动部件受到温度的影响发生变形。由于每个轴有6项误差需要测量，在加上三个轴两两之间的垂直度，共计21项误差参数。而5轴6轴机床多达40至50多项误差，完成这一过程需要几天的时间，而测量期间的天气和昼夜温差导致的环境温度变化也会对机床的热交换有一定影响，导致测量误差增大。

机床的空间误差和热变形误差这两类误差占到了机床总误差的70%，所以机床的空间误差补偿和热变形误差补偿对提高数控机床加工精度及稳定性具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种嵌入误差补偿功能的数控机床设备及其补偿方法，旨在用于提高数控机床的加工精度和稳定性。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种嵌入误差补偿功能的数控机床设备，包括数控系统、机床、伺服驱动器、伺服电机、温度传感器、温度采集卡以及误差测量仪器，所述伺服电机布置于机床上，所述伺服电机与所述伺服驱动器电连接，所述伺服驱动器与所述数控系统的轴控制器电连接，所述温度传感器布置于机床的关键测温点上，所述温度传感器通过所述温度采集卡与所述数控系统电连接，所述误差测量仪器用于测量机床在关键测温点不同温度下的误差数据以及机床各轴的空间误差数据，所述数控系统包括空间误差补偿模块和热误差补偿模块，所述空间误差补偿模块用于根据机床各轴的空间误差数据建立空间误差补偿模型并对各个轴的空间误差进行补偿，所述热误差补偿模块用于根据机床从冷机到热机状态下的各关键测温点的温度值及各关键测温点不同温度下的误差数据建立机床各个运动轴的热误差补偿模型并实现各个运动轴的热误差补偿。

进一步地，还包括可扩展I/O盒，所述温度采集卡插在所述可扩展I/O盒内，所述可扩展I/O盒内还插有通讯板卡，所述通讯板卡通过NCUC总线与所述数控系统连接。

进一步地，所述空间误差补偿模块包括线性定位子模块、直线度误差补偿子模块、角度误差补偿子模块、垂直度误差补偿子模块，用于将各个逻辑轴的各项空间误差补偿数据根据当前各轴的运动规划进行一定的组合再输出给数控系统的轴控制器。

进一步地，所述热误差补偿模型包括分别根据机床传动部件的热变形特征、机床结构部件的热变形特征以及机床传动部件和结构部件的的热变形特征建立的三种方式的补偿模型。

进一步地，所述温度传感器为热电阻PT100或热电阻KTY84。

进一步地，所述数控系统包括温度采集模块，用于将温度采集卡送到数控系统中的数字信号进行计算并和温度传感器固有的温度电阻特性曲线进行比对，得到被测点的实时温度。

进一步地，所述数控系统还包括误差补偿处理模块，用于将反向间隙、摩擦力补偿、空间误差补偿以及热误差补偿进行处理，在每个扫描周期内输出给数控系统的轴控制器。

进一步地，所述数控系统还包括空间误差补偿寄存器和热误差补偿寄存器，所述空间误差补偿寄存器用于接收从参数界面输入的机床各轴的空间误差数据并进行存储，所述热误差补偿寄存器用于接收从参数界面输入的机床关键测温点不同温度下的误差数据并进行存储。

本发明还提供一种采用上述的数控机床设备进行误差补偿的方法，包括以下步骤：

首选根据机床从冷机到热机状态下的各关键测温点的温度值及误差测量仪器在关键测温点不同温度下测得的误差数据，通过参数界面将各个运动轴的热误差数据根据热误差补偿的间隔设置到热误差补偿参数表中，实现热误差补偿寄存器参数的更新，数控系统获取热误差补偿寄存器参数的参数并建立机床各个运动轴的热误差补偿模型；然后通过误差测量仪器对补偿轴进行线性定位误差、直线度误差、角度误差、垂直度误差的测量，通过参数界面将空间误差数据设置到空间误差补偿参数表中，实现空间误差补偿寄存器的更新，数控系统获取空间误差补偿寄存器的参数并建立空间误差补偿模型；最终利用数控系统对机床实现热误差补偿及空间误差补偿。

进一步地，对于旋转主轴或机床加工时的主运动部件，根据主轴或主运动部件处的关键测温点的温度值，以及机床在主轴或主运动部件测温点温度下的误差数据，建立机床结构部件受热产生的X、Y、Z三个方向的热偏移误差模型，将结构变形误差分解到X、Y、Z各轴的位移量上，根据主轴或主运动部件处的测温点间隔温度所对应的误差数据设置到热偏置误差补偿参数表中，完成主轴或主运动部件的热误差补偿。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的这种嵌入误差补偿功能的数控机床设备及其补偿方法，嵌入了空间误差补偿和热误差补偿模块，实现了运动控制和误差补偿同步处理，不需要外扩补偿器，减少了外部补偿设备与数控系统的数据交互及通讯上的延时及干扰，具有集成度高、稳定性好的优点，可以有效提高数控机床的加工精度和稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种嵌入误差补偿功能的数控机床设备的原理图；

图2为本发明实施例提供的热误差补偿流程图；

图3为本发明实施例提供的空间误差补偿与输入输出轴的关系图；

图4为本发明实施例提供的直线度误差补偿原理图；

图5为本发明实施例提供的角度误差补偿原理图；

图6为本发明实施例提供的垂直度误差补偿原理图；

图7为本发明实施例提供的旋转轴C轴的6项基本误差示意图。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种嵌入误差补偿功能的数控机床设备，包括数控系统、机床、伺服驱动器、伺服电机、温度传感器、温度采集卡以及误差测量仪器，所述数控系统可采用华中数控的HNC-8型全系列数控系统，所述伺服驱动器可以采用HSV-160U/180U/210U系列伺服驱动器，所述温度采集卡可以采用HIO-1075/1076温度采集卡。所述伺服电机布置于机床上，所述伺服电机与所述伺服驱动器电连接，所述伺服驱动器与所述数控系统的轴控制器电连接，通过数控系统的轴控制器输出控制参数给所述伺服驱动器，从而控制电机的运行。所述温度传感器布置于机床的关键测温点上，另外还需要在机床床体上选择一个基准温度布置点布置温度传感器；所述温度传感器通过所述温度采集卡与所述数控系统电连接。所述误差测量仪器用于测量机床在关键测温点不同温度下的误差数据以及机床各轴的空间误差数据，所述空间误差数据包括线性定位误差、直线度误差、角度误差、垂直度误差等。所述数控系统包括空间误差补偿模块和热误差补偿模块，所述空间误差补偿模块用于根据机床各轴的空间误差数据建立空间误差补偿模型并对各个轴的空间误差进行补偿，所述热误差补偿模块用于根据机床从冷机到热机状态下的各关键测温点的温度值及各关键测温点不同温度下的误差数据建立机床各个运动轴的热误差补偿模型并实现各个运动轴的热误差补偿。

进一步地，还包括可扩展I/O盒，所述可扩展I/O盒设置于机床与数控系统之间，所述温度采集卡插在所述可扩展I/O盒内，所述可扩展I/O盒内还插有通讯板卡，所述通讯板卡通过NCUC总线与所述数控系统连接，通过所述通讯板卡内部的NCUC总线协议进行数据交互，从而实时传输温度传感器测量得到的机床关键测温点的温度值。所述可扩展I/O盒可以采用HIO-1000可扩展I/O盒，所述通讯板卡可采用HIO-1061通讯板卡。通过可扩展I/O盒，实现温度采集卡的即插即用，且数据传输方便。

进一步地，所述空间误差补偿模块包括线性定位子模块、直线度误差补偿子模块、角度误差补偿子模块、垂直度误差补偿子模块，用于将各个逻辑轴的各项空间误差补偿数据根据当前各轴的运动规划进行一定的组合再输出给数控系统的轴控制器，轴控制器再来控制各个物理轴的运动。

进一步地，所述热误差补偿模型包括分别根据机床传动部件的热变形特征、机床结构部件的热变形特征以及机床传动部件和结构部件的的热变形特征建立的三种方式的补偿模型。

进一步地，所述温度传感器为热电阻PT100或热电阻KTY84，二者精度较高，PT100测量范围-200℃~650℃，选用1/3DIN B级精度可到达±0.1℃，KTY84测量范围-40℃~300℃。所述HIO-1075/1076温度采集卡是根据热电阻PT100和KTY84两种常用的温度传感器自主研发的扩展卡，可插在HIO-1000扩展I/O盒上使用，单个采集卡具有6路采集通道，测量范围分别为-40℃~240℃、-40~270℃，分辨率为0.1℃，准确度为±0.5%。温度采集卡获取温度传感器的电阻值或电压值，将其转换成数字信号并通过NCUC总线送到数控系统中，所述数控系统包括温度采集模块，用于将温度采集卡送到数控系统中的数字信号进行计算并和温度传感器固有的温度电阻特性曲线进行比对，得到被测点的实时温度。采用该种方式获得的被测点温度具有较高的精度。

进一步地，所述数控系统包括监控模块，所述监控模块在原有的坐标、跟踪误差等子模块的基础上增加了传感器温度检测子模块、电机电流子模块，扩展了补偿监控子模块。

进一步地，所述误差测量仪器包括激光干涉仪、旋转轴和空间误差测量附件以及球杆仪等

进一步地，所述数控系统还包括误差补偿处理模块，用于将反向间隙、摩擦力补偿、空间误差补偿以及热误差补偿进行处理，在每个扫描周期内输出给数控系统的轴控制器。

进一步地，所述数控系统还包括空间误差补偿寄存器和热误差补偿寄存器，所述空间误差补偿寄存器用于接收从参数界面输入的机床各轴的空间误差数据并进行存储，所述热误差补偿寄存器用于接收从参数界面输入的机床关键测温点不同温度下的误差数据并进行存储，空间误差补偿模块通过调用所述空间误差补偿寄存器的数据进行空间误差补偿模型的建模，热误差补偿模块通过调用所述热误差补偿寄存器的数据进行热误差补偿模型的建模。

如图2至图6所示，本发明还提供一种采用上述的数控机床设备进行空间误差补偿及热误差补偿的方法，包括以下步骤：

首先根据机床从冷机到热机状态下的各关键测温点的温度值及误差测量仪器在关键测温点不同温度下测得的误差数据，通过参数界面将各个运动轴的热误差数据根据热误差补偿的间隔设置到热误差补偿参数表中，实现热误差补偿寄存器参数的更新，数控系统获取热误差补偿寄存器参数的参数并建立机床各个运动轴的热误差补偿模型；然后通过误差测量仪器对补偿轴进行线性定位误差、直线度误差、角度误差、垂直度误差的测量，通过参数界面将空间误差数据设置到空间误差补偿参数表中，实现空间误差补偿寄存器的更新，数控系统获取空间误差补偿寄存器的参数并建立空间误差补偿模型；最终利用数控系统对机床实现热误差补偿及空间误差补偿。

如图2所示，为热误差补偿的流程图，热误差补偿在插补周期内进行，即所谓的插补后补偿。热误差补偿模块提供用户接口，补偿参数的输入可以通过以下四种方式完成：

（1）直接将补偿参数值填入热误差补偿参数界面下的对应参数项并保存；

（2）通过文件导入热误差补偿数据，按照特定的格式将热误差补偿数据输出到文件中，再将误差补偿文件导入数控系统；

（3）与数控系统建立通讯连接，通过网络传输的方式将补偿文件传输到数控系统中，可实现热误差补偿参数的动态调整；

（4）运行热误差补偿PLC程序，根据温度传感器测量得到的温度值实时更新热误差补偿参数；

为防止机床轴受到较大冲击，在热误差补偿模块按照温度对应关系得到补偿值后，必须通过误差补偿处理模块按照热误差最大补偿速率对其进行平滑处理，再将其与插补输出指令位置坐标进行叠加。

如图7所示，进一步地，对于旋转主轴或机床加工时的主运动部件，根据主轴或主运动部件处的关键测温点的温度值，以及机床在主轴或主运动部件测温点温度下的误差数据，建立机床结构部件受热产生的X、Y、Z三个方向的热偏移误差模型，将结构变形误差分解到X、Y、Z各轴的位移量上，根据主轴或主运动部件处的测温点间隔温度所对应的误差数据设置到热偏置误差补偿参数表中，完成主轴或主运动部件的热误差补偿。

本发明的具体实施步骤如下：

首先在机床上布置温度传感器，选择各个移动轴及主轴的关键发热点布置，另外还需要在机床床体上选择一个基准温度布置点布置。将温度传感器连接到HIO-1075/1076温度采集卡上，然后在HNC-8型数控系统中配置温度采集卡参数和PLC参数，即可在监控模块中看到各个采样点的实时温度值。架设激光干涉仪测量其中一个直线轴从冷机到热机状态的线性定位误差，根据误差将热膨胀数据输入到热误差斜率表中，完成该轴的线性热稳定补偿，再分别对该轴进行线性定位误差、水平直线度误差、垂直直线度误差、偏摆角度误差、仰俯角度误差、滚动角度误差测量，并按照《HNC-8数控系统参数说明书》设置该轴的各项空间误差补偿分项，同理完成另外的直线轴的误差补偿。再将每条直线轴两两之间的垂直度误差测量并补偿，若被测数控机床为三轴机床，则完成了21项空间误差补偿。若机床还包含旋转轴，则在激光干涉仪上安装旋转轴附件对其进行旋转角度定位误差测量，配合其它附件将每个旋转轴的6项基本误差测量出来并进行补偿，若是4轴机床则完成了27项空间误差补偿，若是5轴机床则完成了33项空间误差补偿。针对旋转轴的轴线垂直度和回转中心点位置偏差可在RTCP功能中进行设置。最后再对主轴和旋转轴进行热偏移补偿，将热偏移误差量分解到各直线轴中。最终利用HNC-8型数控系统对机床实现热误差补偿及空间误差补偿。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种嵌入误差补偿功能的数控机床设备，其特征在于：包括数控系统、机床、伺服驱动器、伺服电机、温度传感器、温度采集卡以及误差测量仪器，所述伺服电机布置于机床上，所述伺服电机与所述伺服驱动器电连接，所述伺服驱动器与所述数控系统的轴控制器电连接，所述温度传感器布置于机床的关键测温点上，所述温度传感器通过所述温度采集卡与所述数控系统电连接，所述误差测量仪器用于测量机床在关键测温点不同温度下的误差数据以及机床各轴的空间误差数据，所述数控系统包括空间误差补偿模块和热误差补偿模块，所述空间误差补偿模块用于根据机床各轴的空间误差数据建立空间误差补偿模型并对各个轴的空间误差进行补偿，所述热误差补偿模块用于根据机床从冷机到热机状态下的各关键测温点的温度值及各关键测温点不同温度下的误差数据建立机床各个运动轴的热误差补偿模型并实现各个运动轴的热误差补偿。

2.如权利要求1所述的嵌入误差补偿功能的数控机床设备，其特征在于：还包括可扩展I/O盒，所述温度采集卡插在所述可扩展I/O盒内，所述可扩展I/O盒内还插有通讯板卡，所述通讯板卡通过NCUC总线与所述数控系统连接。

3.如权利要求1所述的嵌入误差补偿功能的数控机床设备，其特征在于：所述空间误差补偿模块包括线性定位子模块、直线度误差补偿子模块、角度误差补偿子模块、垂直度误差补偿子模块，用于将各个逻辑轴的各项空间误差补偿数据根据当前各轴的运动规划进行一定的组合再输出给数控系统的轴控制器。

4.如权利要求1所述的嵌入误差补偿功能的数控机床设备，其特征在于：所述热误差补偿模型包括分别根据机床传动部件的热变形特征、机床结构部件的热变形特征以及机床传动部件和结构部件的的热变形特征建立的三种方式的补偿模型。

5.如权利要求1所述的嵌入误差补偿功能的数控机床设备，其特征在于：所述温度传感器为热电阻PT100或热电阻KTY84。

6.如权利要求5所述的嵌入误差补偿功能的数控机床设备，其特征在于：所述数控系统包括温度采集模块，用于将温度采集卡送到数控系统中的数字信号进行计算并和温度传感器固有的温度电阻特性曲线进行比对，得到被测点的实时温度。

7.如权利要求1所述的嵌入误差补偿功能的数控机床设备，其特征在于：所述数控系统还包括误差补偿处理模块，用于将反向间隙、摩擦力补偿、空间误差补偿以及热误差补偿进行处理，在每个扫描周期内输出给数控系统的轴控制器。

8.如权利要求1所述的嵌入误差补偿功能的数控机床设备，其特征在于：所述数控系统还包括空间误差补偿寄存器和热误差补偿寄存器，所述空间误差补偿寄存器用于接收从参数界面输入的机床各轴的空间误差数据并进行存储，所述热误差补偿寄存器用于接收从参数界面输入的机床关键测温点不同温度下的误差数据并进行存储。

9.采用权利要求1-8任一所述的数控机床设备进行误差补偿的方法，其特征在于，包括以下步骤：

首选根据机床从冷机到热机状态下的各关键测温点的温度值及误差测量仪器在关键测温点不同温度下测得的误差数据，通过参数界面将各个运动轴的热误差数据根据热误差补偿的间隔设置到热误差补偿参数表中，实现热误差补偿寄存器参数的更新，数控系统获取热误差补偿寄存器参数的参数并建立机床各个运动轴的热误差补偿模型；然后通过误差测量仪器对补偿轴进行线性定位误差、直线度误差、角度误差、垂直度误差的测量，通过参数界面将空间误差数据设置到空间误差补偿参数表中，实现空间误差补偿寄存器的更新，数控系统获取空间误差补偿寄存器的参数并建立空间误差补偿模型；最终利用数控系统对机床实现热误差补偿及空间误差补偿。

10.如权利要求9所述的补偿方法，其特征在于，还包括：

对于旋转主轴或机床加工时的主运动部件，根据主轴或主运动部件处的关键测温点的温度值，以及机床在主轴或主运动部件测温点温度下的误差数据，建立机床结构部件受热产生的X、Y、Z三个方向的热偏移误差模型，将结构变形误差分解到X、Y、Z各轴的位移量上，根据主轴或主运动部件处的测温点间隔温度所对应的误差数据设置到热偏置误差补偿参数表中，完成主轴或主运动部件的热误差补偿。