CN109085797A - 生成计算机数字控制机床偏移而不受周期时间影响的方法 - Google Patents

Abstract

本发明总体描述了用于在机床中加工加工件的方法，其中方法确定机床的偏移量并且在生产操作过程中调整偏移量。在一种形式中，方法包括在具有变化的热条件的操作时间的时间段内记录机床的偏移量数据，以及将记录的偏移量数据与热模型进行比较，其中基于用于在校准工件上的多个测试周期的探测例行程序和空循环生成热模型。基于比较，方法估算机床的偏移量以及在操作过程中调整机床的偏移量。

Description

生成计算机数字控制机床偏移而不受周期时间影响的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定由于一个或多个部件的热生长而导致的在计算机数字控制(Computer Numerical Control，CNC)机床中的偏移量的方法。

背景技术

本部分中的陈述仅提供与本发明有关的背景信息，并且可能不构成现有技术。

通常，计算机数字控制(CNC)机床执行预先编程的命令序列以使各种机加工操作自动化。例如，钻机、车床、以及喷水切割机可以配置为CNC机床。CNC机床通常包括多个部件(例如电机、主轴、滚珠丝杠、旋转轴、以及立柱)，以及可以是可操作的以便在机加工加工件之前相对于附接到主轴的工具定向加工件。每种这些部件具有不同的热膨胀性能，以及可能引起CNC机床变得脱离位置。

为了针对加工件正确地放置工具，凭借充当由CNC机床所使用的坐标系的原点的机床参考点(以下称为“参考点”)来校准CNC机床。可以使用探测例行程序确定参考点，探测例行程序利用可以定位在夹具上的精密量规孔和附接到主轴的触摸式探针。在机加工过程中，温度可能由于例如由电机、切割能量、怠速运转和摩擦引起的热量而波动。温度的波动可能引起各种部件(例如主轴、滚珠丝杠、旋转轴、以及立柱)的热生长以及引起参考点移位。例如，在最小量润滑(MQL)机加工中，在冷却液流量最小的地方，热生长可高达100μm。在大批量生产中，由于各种原因(例如机床堵塞、缺料、龙门架问题、以及移动变化)机床频繁启动和停止，这还可能由于热生长而使参考点移位。

除了与CNC机床的性能和周期时间有关的其他问题，这些偏移调整问题可以由本发明解决。

发明内容

在一种形式中，本发明提供了用于补偿机床中的热变化的方法。方法包括用多个温度传感器检测机床、将机床封闭在环境可控的气氛中、以及将校准工件安装到机床中。方法进一步包括使机床沉浸于多个预定环境温度下、在多个温度下探测校准工件、以及基于探测生成机床的热模型。

在另一形式中，本发明提供了用于在机床中加工加工件的方法。方法包括在具有变化的热条件的操作时间的时段内记录机床的偏移量数据、将记录的偏移量数据与热模型进行比较，其中基于用于在校准工件上的多个测试周期的探测例行程序和空循环生成热模型。基于该比较，方法估算机床的偏移量以及调整机床在操作过程中的偏移量。

在另一形式中，本发明提供了一种用于在CNC机床中加工加工件的方法。方法包括在具有变化的环境条件的时间段内在生产操作过程中记录CNC机床的偏移量数据。在生产操作过程中方法将记录的偏移量数据与CNC机床的热模型进行比较、基于比较估算CNC机床的偏移量；以及调整机床在生产操作过程中的偏移量，以便调整CNC机床而不会出现停机时间。

根据本发明，提供一种补偿机床中的热变化的方法，该方法包含：

用多个温度传感器检测机床；

将机床封闭在环境可控的气氛中；

将校准工件安装到机床中；

使机床沉浸于多个预定环境温度下；

在多个温度下探测校准工件；以及

基于探测生成机床的热模型。

根据本发明的一个实施例，其中探测包含用于至少一个测试周期的探测例行程序和空循环。

根据本发明的一个实施例，其中多个预定环境温度模拟冬季、春季、夏季和秋季四(4)个季节。

根据本发明的一个实施例，其中校准工件是具有低热膨胀系数的材料。

根据本发明的一个实施例，其中检测包含检测机床的部件以及生成部件的热模型。

根据本发明的一个实施例，其中机床是CNC机床。

根据本发明的一个实施例，其中检测包含检测CNC机床的至少一个部件以及生成至少一个部件的热模型。

根据本发明的一个实施例，其中部件从由以下构成的组中选择：主轴、滚珠丝杠、部件台、耳轴、立柱、床身和夹具。

根据本发明的一个实施例，其中热模型包括在多轴坐标系中的机床生长。

根据本发明，提供一种在机床中加工加工件的方法，该方法包含：

在具有变化的热条件的操作时间的时间段内记录机床的偏移量数据；

将记录的偏移量数据与热模型进行比较，基于用于在校准工件上的多个测试周期的探测例行程序和空循环生成热模型；

基于比较估算机床的偏移量；以及

在操作过程中调整机床的偏移量。

根据本发明的一个实施例，其中使用回归分析、主成分分析、以及查找表中的至少一个进行比较。

根据本发明的一个实施例，其中机床是CNC机床，以及记录的偏移量数据基于CNC机床的至少一个部件。

根据本发明的一个实施例，其中部件从由以下构成的组中选择：主轴、滚珠丝杠、部件台、耳轴、立柱、床身和夹具。

根据本发明的一个实施例，其中机床包含温度传感器，以及基于比较和热模型来调整温度传感器的位置。

根据本发明的一个实施例，其中偏移量是基于多轴坐标系。

根据本发明的一个实施例，提供根据上述方法制造的部件。

根据本发明，提供一种在CNC机床中加工加工件的方法，该方法包含：

在具有变化的环境条件的一段时间内在生产操作过程中记录CNC机床的偏移量数据；

在生产操作过程中将记录的偏移量数据与CNC机床的热模型进行比较；

基于比较估算CNC机床的偏移量；以及

在生产操作过程中调整机床的偏移量，以便调整CNC机床而不会出现停机时间。

根据本发明的一个实施例，其中记录的偏移量数据是基于CNC机床的至少一个部件，以及至少一个部件从由以下构成的组中选择：主轴、滚珠丝杠、部件台、耳轴、立柱、床身和夹具。

根据本发明的一个实施例，其中CNC机床包含温度传感器，以及基于比较和热模型来调整温度传感器的位置。

根据本发明的一个实施例，其中基于比较和热模型将附加温度传感器定位在CNC机床上。

根据本文提供的描述，其他应用领域将变得显而易见。应该理解的是，描述和具体示例仅旨在用于说明的目的，而不意图限制本发明的范围。

附图说明

为了可以很好地理解本发明，现在将描述其作为示例给出的参考附图的各种形式，附图中：

图1是具有根据本发明的教导构造的控制器的CNC机床的示意图；

图2是图1的CNC机床的控制器的框图；

图3示出了根据本发明的教导的热表征过程；

图4是根据本发明的教导的示例热表征过程的流程图；以及

图5是根据本发明的教导的热偏移校准过程的示例的流程图。

这里描述的附图仅用于说明的目的，并不意图以任何方式限制本发明的范围。应该理解的是，在整个附图中相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。

具体实施方式

以下描述本质上仅仅是示例性的，并非旨在限制本发明、应用或用途。

在制造环境中，CNC机床通常需要在指定的周期时间内在加工件(work piece)上进行一个或多个机加工操作。为了解决参考点的移位，CNC机床的制造商可能会中断机加工操作以进行量规钻孔探测以确定热生长并且进行相应地补偿。虽然量规探测可以解决这一移位，但它可能占用周期时间，并且通常被认为是制造业中的非增值操作，然而它仅考虑一个或有限数量的切割平面。因此，频繁的探测增加了周期时间，并且在大批量生产中是不利的。

本发明针对一种使用预定的热模型来补偿CNC机床的偏移的方法，并且本发明不需要可能占用宝贵的机加工时间的高精度量规探测。具体地，本发明的热偏移校准过程由CNC机床的控制器存储和执行，以基于存储在CNC机床中的热模型和其它数据(诸如温度和存储的偏移量)来估算CNC机床的偏移量。然后过程可以调整CNC机床，使得坐标系的原点与原始参考点对齐。现在将参考附图提供热偏移校准的详细解释。

参考图1，示出的根据本发明的教导的CNC机床100包括具有精确量规孔103的工作台102、主轴104、耳轴105、设置在主轴104的端部处的工具106、控制器108、一个或多个可通信地连接到控制器108的用户界面110、以及一个或多个温度传感器112。主轴104通常是可操作的以相对于布置在工作台102上的加工件114沿着X、Y、Z轴移动。部件通常是可操作的以使用A、B轴定向以呈现需要机加工的部件表面/平面。工具106可以是可操作的以围绕Z轴转动并且将力施加到加工件114上以进行机床操作(诸如穿过加工件114钻孔)。CNC机床100可以配置为具有多个工具以便主轴104是可操作的以在非机加工操作之间在工具之间切换。

温度传感器112测量环境温度并且可以定位在CNC机床100的不同位置处，例如主轴104、工作台102、机床底座(未示出)、滚珠丝杠(未示出)、以及其他合适的位置，这可以根据如以下更详细阐述的本发明的方法来确定。温度传感器112可以在整个机加工和非机加工操作中以固定间隔向控制器108输出数据。可选择地，温度传感器112可以以固定操作时间(例如当指定操作的开始和停止时)、和/或当控制器108请求时输出数据。

CNC机床100可以由用户(例如机床操作员)通过用户界面110操作。在所示形式中，用户界面110包括可以显示图形用户界面的监视器116、以及键盘118。用户界面110可以包括其他部件，诸如鼠标、触摸屏显示器、以及用于操作CNC机床100的其他合适的设备。

控制器108基于接收到的输入和基于由控制器108存储和执行的预定程序来控制CNC机床100的操作。控制器108可以通过有线和无线通信与各种外部设备通信。例如，控制器108可以通过通信端口和电缆和/或通过经由收发器(例如，蓝牙、无线个域网(ZigBee)、和/或无线上网技术(Wi-Fi))的无线通信可通信地连接到用户界面110和温度传感器112。控制器108可以与其他外部设备(例如位于CNC机床100的外部的服务器、以及外部存储器等)通信。

参照图2，控制器108可以包括存储控制程序的存储器202(例如，随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、和/或电可擦除可编程只读存储器(EEPROM))，以及用于执行存储器202中的程序的处理器208。一些程序针对由CNC机床100进行的一个或多个机加工操作，以及可以控制CNC机床100例如将加工件114放置在工作台102上、机加工加工件、转动加工件114、以及将加工件14从工作台102移开。如本文中详细描述的，其他程序可以针对非机加工操作(诸如热偏移校准过程)以调整由CNC机床100的一个或多个部件的热生长引起的偏移。除了控制程序之外，存储器202还可以存储其他信息，诸如由用户通过用户界面110输入的数据、由温度传感器112检测到的温度、以及预存储的数据(诸如量规孔103的校准位置信息和热模型)。

如上所述，CNC机床100的部件可能经历引起机床坐标系的参考点移位的热生长。为了补偿这种移位，控制器108执行热偏移校准过程，控制器108在该过程中使用预定的热模型和输入的偏移量数据来估算CNC机床100的偏移量，以及然后调整偏移量使得加工件相对于例如基于参考点的工具106对齐。

热模型表征CNC机床100的热生长，以及用于估算在给定温度和机床状态(例如，预热时间、以及断开时间等)下沿一个或多个轴的机床生长偏移量。制定热模型的一个因素包括评估温度对CNC机床100的一个或多个部件的热生长的影响。为此，CNC机床100可以经历一个或多个基于热的实验，其中控制CNC机床100的环境条件和测量关键部件的热生长。

图3示出了热表征过程，以及图4是示例热表征过程的流程图。例如可以在CNC机床100的原始制造商处或在使用CNC机床100的制造设施处进行热表征过程。在任一情况下，在热偏移校准过程之前进行表征。另外，在进行热表征之前，可以进行高精度量规探测以校准CNC机床100的参考点。

为了监测温度，在402处，CNC机床100装备有各种传感器，例如放置在机床100周围的不同位置处的多个温度传感器。为了有效地调节环境温度，在404处，CNC机床100可以封闭在诸如帆布篷(图3的图像300)的环境可控气氛中。

在406处，校准工件(calibration artifact)(例如图3的图像302中所示的矩形块)可以安装在CNC机床100中。校准工件具有已知的精确尺寸，并且可以由具有低热膨胀系数的材料形成。工件可以包括在工件不同表面上的多个孔。

在408处，然后使CNC机床100和工件沉浸于一个或多个预定环境温度下，以及在每个温度下探测工件以确定一个或多个孔的位置。具体地，CNC机床100在408处经历工件测试，其中调整环境温度以模拟不同的环境条件，诸如冬季、春季、夏季和秋季。工件测试还可以包括在不同温度和不同机床状态下探测工件以测量沿工件的孔中心位置和/或一个或多个孔的孔深度(例如，图3的图像302示出了正在探测的工件)。测试还可以测量其他位置，诸如工件的上侧和下侧。

工件测试还可以执行空(dry cycle)循环，在空循环中控制CNC机床100以在没有加工件和工具的情况下进行一个或多个机加工操作。也就是说，CNC机床100模拟机加工操作，其可以包括转动主轴104以及通过在没有加工件的情况下进行所需的运动来重新定位加工件，所有这些可以影响部件的热生长。除了机加工操作之外，空循环还可以包括非机加工操作，例如工具改变、快速进给、和/或不同角度指示位置的A/B指示以及耳轴105(A轴)和放置在耳轴105上的工作台102(B轴)的组合。在空循环之后，工件测试再次探测工件。美国专利申请14/463,988中说明了关于这种用于表征热生长的温度控制的工件测试的附加细节，其与本申请共同受让并且其内容通过引用整体并入本文。

工件测试可以例如为CNC机床100的敏感部件的热生长提供洞察力，以及提供用于识别关于CNC机床100的用于精确检测环境温度的理想的位置。例如，图3中的曲线图304示出了来自热学研究的预期热生长，其中关闭一个数据集的用于调整任何偏移量的温度补偿并且打开另一数据集的温度补偿。如图所示，在没有任何热补偿的情况下，热生长偏移量与真实测量结果显著不同。

工件测试还可以用于为敏感部件(诸如主轴、耳轴、滚珠丝杠)生成子系统热模型，这可以提供对这些部件的热生长过程的进一步理解。例如，采用直接切割负载的切割主轴可能比其他部件更快地升温，以及结果随着温度升高而生长。可以通过在主轴上放置一个或多个传感器、仅运用主轴、以及然后基于收集到的数据开发仅有热模型的主轴来研究切割主轴。探针或其他系统可以用于测量主轴生长。可以通过使其他机床部件沉浸于不同的环境温度来研究不直接涉及切割的其他机床部件(例如部件台、夹具、立柱和床身)。

使用从工件测试收集到的数据，在410处生成热模型并且将热模型存储在CNC机床100的控制器108中。模型包括CNC机床100的热生长，其被确定为基于工件测试过程中在工件上测量的位置(例如，孔中心和深度)和工件的已知位置的例如沿着笛卡尔坐标系测量的生长偏移量。例如，每个测量的位置和其各自已知位置之间的差异被识别为该孔的生长偏移量。生长偏移量与和测量位置相关的温度和机床状态相关。热模型将热生长、温度、以及时间(例如，图3的绘图系统306)相关联，以及热模型用于估算在给定温度和已知机床状态(例如，预热、稳定状态、冷却阶段、以及断开时间)下的机床生长偏移量。

当CNC机床100处于操作中时，控制器108例行地进行热偏移校准过程以校正CNC机床100的偏移量。控制器108执行的频率可以取决于CNC机床100已经经历的环境和操作状态。具体地，可以在CNC机床100已经经历各种操作情况(诸如开始、停止、连续运行时间、和温度波动)时进行该过程。因此，如果CNC机床100在操作的两天之后经历这种情况，则频率可以设置为每周或每月。还可以通过用户界面调整频率，以及因此针对每台CNC机床定制频率。

图5提供了由控制器108执行的热偏移校准过程的示例，以及在本发明的一个形式中，在生产过程中在CNC机床100的非机加工操作状态(例如，再加工、稳定状态等)下进行。也就是说，CNC机床100不像高精度量规探测那样脱机，并且在生产的非机加工操作过程中被调整。

在图5的502处，控制器108确定精密量规孔103相对于CNC机床100的部件的偏移量。例如，控制器108执行探测例行程序以确定孔103相对于主轴104的位置(例如，X、Y、Z位置)，以及将该位置作为测量位置保存在存储器202中。然后，控制器108通过从存储在存储器202中的已知位置减去测量位置来确定孔103相对于主轴104的偏移量。虽然补偿数据是基于主轴104，但也可以使用CNC机床的其他部件，例如滚珠丝杠、耳轴、立柱和工作台。

然后，控制器108从一个或多个温度传感器112和CNC机床100的机床状态获取环境温度，以及在504处将在502处确定的偏移量数据与在存储器202中获取的温度和机床状态进行存储或记录作为偏移量记录。控制器108可以继续存储偏移量记录，甚至在处理完成之后用于将来的偏移校准过程。可以由机床操作员通过用户界面输入机床状态。

在506处，控制器108基于相关性分析模型将记录的偏移量记录与热模型进行比较。在示例实施例中，控制器108使用回归分析作为相关性分析模型。回归分析是一种可以用于估算因变量与一个或多个自变量之间的关系的已知的统计过程。例如，在此，因变量可以是CNC机床100的参考点沿定位轴(例如X、Y、Z)的偏移量，以及自变量可以包括温度和机床状态。控制器108还可以使用其他方法来将记录的偏移量记录与热模型进行比较。例如，除了回归分析之外或者代替回归分析，控制器108可以使用主成分分析、查找表、以及其他合适的数据分析方法。

在508处，控制器108估算CNC机床100的偏移量和在机加工操作过程中对偏移量的调整。例如，如果使用回归分析，则控制器108生成用于估算CNC机床100沿着定位轴(例如，X、Y、Z)的偏移量的回归方程。例如，方程式1至3是用于基于床身和主轴的温度(即，T_床身和T_主轴)确定偏移量的示例方程式。利用估算的偏移量，控制器108能够在正常机加工操作过程中补偿参考点的移位。例如，控制器108计算偏移量并且通过调整存储在控制器108中的CNC程序中的位置来应用偏移量。应当容易理解的是，方程式1至3中提供的特定系数和常数取决于测量的偏移量，以及因此本发明不应限于在方程式中提供的具体值。

方程式1......x-偏移量＝0.0400-0.00160T_床身+0.00303T_主轴 R²＝0.85

方程式2......y-偏移量＝0.300-0.02357T_床身+0.00121 T_主轴 R²＝0.955

方程式3......z-偏移量＝0.1661-0.00734T_床身+0.00541T_主轴 R²＝0.879

基于上述内容，热偏移校准过程补偿了CNC机床中的移位，而不必执行耗费时间的高精度量规探测过程并且显着减少校正参考点所需的周期时间。也就是说，在本发明的一种形式中，在诸如工具改变的非机加工生产操作过程中进行热偏移校准过程。本文描述的温度补偿例行程序利用用于估算偏移量的预定热模型代替进行高成本探测例行程序。

应该容易理解的是，关于图4和图5中所示的过程所描述的步骤可以被修改并且不应该限于本文提供的示例。例如，关于图4，在CNC机床封闭在环境可控的气氛中之前，可以将工件放置在CNC机床中，以及在图5中，控制器可以配置为在一定数量的测量的偏移量记录首次录入到系统中之后估算偏移量并且调整CNC机床。

本发明的描述本质上仅仅是示例性的，并且因此不偏离本发明的实质的变化意图在本发明的范围内。这样的变化不被认为是背离本发明的精神和范围。

Claims (18)

1.一种在机床中加工加工件的方法，包含：

在具有变化的热条件的操作时间的时间段内记录所述机床的偏移量数据；

将所述记录的偏移量数据与热模型进行比较，基于用于在校准工件上的多个测试周期的探测例行程序和空循环生成所述热模型；

基于所述比较估算所述机床的偏移量；以及

在操作过程中调整所述机床的偏移量。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包含：

用多个温度传感器检测所述机床；

将所述机床封闭在环境可控的气氛中；

将所述校准工件安装到所述机床中；

使所述机床沉浸于多个预定环境温度下；

在所述多个温度下探测所述校准工件；以及

基于所述探测生成所述机床的所述热模型。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述多个预定环境温度模拟冬季、春季、夏季和秋季四个季节。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述检测包含用多个传感器检测所述机床的部件以及基于来自所述传感器的数据生成所述部件的热模型。

5.根据权利要求2所述的方法，其中所述机床是CNC机床，以及所述检测包含用一个或多个传感器检测所述CNC机床的至少一个部件，以及基于来自所述传感器的数据生成所述至少一个部件的热模型。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述部件从由以下构成的组中选择：主轴、滚珠丝杠、部件台、耳轴、立柱、床身和夹具。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述校准工件是具有低热膨胀系数的材料。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述热模型包括所述机床在多轴坐标系中的机床生长。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述机床是CNC机床，以及所述记录的偏移量数据是基于所述CNC机床的至少一个部件。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述部件从由以下构成的组中选择：主轴、滚珠丝杠、部件台、耳轴、立柱、床身和夹具。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述机床包含温度传感器，以及基于所述比较和所述热模型来调整所述温度传感器的位置。

12.根据权利要求1-11任一项所述的方法，其中使用回归分析、主成分分析、以及查找表中的至少一种进行所述比较。

13.根据权利要求1-11任一项所述的方法，其中所述热模型将所述机床在不同温度的热生长相关联。

14.根据权利要求1-11任一项所述的方法，进一步包含：

进行探测例行程序以确定孔相对于所述机床的部件的位置；以及

基于所述确定的位置和所述孔相对于所述部件的预先存储的已知位置来确定偏移量，其中所述偏移量被记录为所述机床的偏移量数据。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述机床包含一个或多个温度传感器，以及所述方法进一步包含在所述探测例行程序过程中获取来自所述一个或多个温度传感器的一个或多个温度以及获取所述机床的机床状态，其中所述一个或多个温度和所述机床状态与所述偏移量相关联地存储并且记录为所述偏移量数据。

16.一种根据权利要求1所述的方法制造的部件。

17.一种用于补偿机床中的热变化的方法，包含：

用多个温度传感器检测所述机床；

将所述机床封闭在环境可控的气氛中；

将校准工件安装到所述机床中；

使所述机床沉浸于多个预定环境温度下；

在所述多个温度下探测所述校准工件；以及

基于所述探测生成所述机床的热模型。

18.一种在CNC机床中加工加工件的方法，包含：

在具有变化的环境条件的一段时间内在生产操作过程中记录所述CNC机床的偏移量数据；

在所述生产操作过程中将所述记录的偏移量数据与所述CNC机床的热模型进行比较；

基于所述比较估算所述CNC机床的偏移量；以及

在所述生产操作过程中调整所述机床的偏移量，以便调整所述CNC机床而不会出现停机时间。