CN109213071A - 计算机数字控制机器几何误差和准确度的监测和评价 - Google Patents

Abstract

本申请涉及计算机数字控制机器几何误差和准确度的监测和评价。公开了一种用于在机器操作期间测量具有机器构件的机器的体积准确度的方法和装置。所述方法遵循如下步骤：在机器操作之前使用传统方法测量所述机器，将传感器安装在所述机器构件上并将所述传感器校准到零位置。使每个传感器定位与所述机器构件上的被测几何点的物理定位关联。在机器操作期间在每个传感器定位处连续测量所述机器构件的角度变化。将在机器操作之前由传统方法测得的机器测量结果与在包括机器操作期间的任何时间测得的传感器测量结果比较以确定机器几何形状的任何变化并且用来计算刀具路径误差。

Description

计算机数字控制机器几何误差和准确度的监测和评价

技术领域

使用固定的精密传感器实施机床的计算机数字控制几何误差、单轴线准确度和体积准确度监测和评价，所述精密传感器在机器操作期间测量机床构件的几何关系，将其映射到现存的机器表征结果，以产生计算的刀具路径误差。

背景技术

在机床产业中已知的是在刀尖或刀具中心点处执行计算机数字控制（CNC）机床的体积测量。这种测量可以利用借助激光干涉仪或其它测量技术的线性位移测量。这种测量要求为每一次测量事件设置和拆卸装备。这种类型的测量在以下方面存在不足：

1.它不承认或未考虑测量事件之后的变化，因为测量不是在正当机器用于制造操作时进行的。

2.按照标准（比如ISO 230-6）在刀尖处的体对角线激光测量不把所测量的误差归因于机器轴线中的几何误差。

3.在主轴或刀尖处进行的测量不监测源处的几何误差和几何变化。

4.缺少连续的自动数据测量结果不允许在很长一段时间（如若干月、若干季节和若干年）高频率地示出机床行为、几何误差和体积准确度的趋势并对其进行分析。

发明内容

本设备不监测切削刀具的状态或性能，而是使用固定到机器结构的传感器，所述传感器测量围绕所有轴线的滚动、俯仰和偏转的变化。所述传感器测量和监测机床的几何形状，确保其在允许的公差内。该系统直接监测机器的每个构件与所映射的表征结果的角度几何关系以输出最新的几何误差结果和体积准确度误差。

本设备不使用二次测量技术，比如照相机或激光来以光电形式采集机器构件位置或来监测两个点之间的关系差别。相反，精密电子水平仪直接固定到机器构件上的附接点，并且被校准到零位置或水平位置。在包括机器操作期间的任何时间，从所述水平传感器收集的数据指示所述传感器从之前校准的零位置的移动。使用来自所述传感器的角度的差异信息和所述传感器的物理定位，所述系统控制器计算每个机器轴线的最新的几何误差变化和机器的体积准确度。

本设备与之前的工作不同，因为本设备不盯着刀尖或刀具中心点测量来提供几何误差和体积准确度结果。它聚焦于对发生在计算机数字控制机器结构处的角自由度的误差变化的连续测量以计算偏离于基线测量结果的机器的几何误差、每个轴线的准确度和因此发生在刀尖处的体积准确度。它因为如下原因而不同于产业中的传统的体积准确度解决方案：

1. 所述测量仪器部署许多传感器，所述传感器固定在计算机数字控制机器结构上的预定的附接点处。

2. 在机器结构上而不是刀尖处进行用于计算体积准确度的直接测量。

3. 它同时使用了静态和动态角度测量两者。

4. 一旦安装，在机器正被用于制造操作的同时实时且连续地执行几何误差和体积准确度评价。

5. 发生在刀尖处的体积准确度是利用在机器结构上的多个位置处实时连续发生的实证测量结果“计算”得到的，而不是“测量”得到的。

6. 由于由所述系统完成的连续测量，可以存储数据以用于机器行为分析和几何误差数据趋势展示和分析。

所述系统基于测量传感器与它们的初始水平位置的偏差，所述传感器测量机器中的每个自由度，并且基于使用那些测量结果来计算和更新机器的基线滚动、俯仰、偏转、直线度、准确度、垂直度和体积准确度结果。

角度传感器物理地附接到机器结构，并且将以直接在传感器定位处的滚动、俯仰或偏转测量机器变形。然后计算出刀尖的机器轴线滚动、俯仰、偏转、直线度和定位准确度以便报告出发生在刀尖处的误差。

附图说明

图1是桥式龙门机床的透视图。

图2是立式加工中心的透视图。

图3是卧式加工中心的透视图。

图4示出了在机床上使用的系统的元件。

图5示出了使用图1-4中所示的设备的步骤。

具体实施方式

图1是大体由附图标记10指示的桥式龙门机床的透视图。桥式龙门机器10包括在X轴线上延伸的一对轨道14和在Z轴线上延伸的一对竖直立柱15。竖直立柱15支撑在Y轴线上延伸的水平梁16和支撑主轴18的竖直Z轴线柱17。一对竖直立柱15沿轨道14在X轴线上移动，并且Z轴线柱在Y轴线上在水平梁16两端之间水平移动并在Z轴线上竖直移动。

多个精密水平传感器24安装在轨道14中的每一个上的附接点处，并且多个精密水平传感器28安装在水平梁16上。精密水平传感器32还安装在Z轴线柱17上的附接点处，并且一个或多个精密水平传感器36可以安装在主轴18上。轨道14上的精密水平传感器24可以由线25电联接到数据采集设备26，并且梁16上的精密水平传感器28可以由线29电联接到数据采集设备30。柱17上的精密水平传感器32可以由线33电联接到数据采集设备34，并且主轴18上的精密水平传感器36可以由线（未示出）电联接到数据采集设备38。数据采集设备26、30、34和38可以具有蓝牙传输能力以将它们从精密水平传感器24、28、32和36接收的信号发送给中央处理单元（CPU）39，这将在下文更完整地描述。

本文所使用的术语“精密水平传感器”指测量表面或物体的沿其运动轴线的该表面的角度或该物体的角度的电子水平仪。将输出测量结果与地面水平和/或预设的参考角度比较。可以使用其它类型的位置或运动传感器。本文所示的和所描述的精密水平传感器的数量和定位只用于示例的目的，并且可以采用其它数量和定位的传感器。

图2示出了机床的另一种形式，在机器上的附接点处安装有精密水平传感器的立式加工中心40。立式加工中心40包括机器底座42、柱44、承载主轴48的鞍座47、Y轴线滑台50和X轴线工作台52。传感器41定位在机器底座42上，传感器43安装在柱44上并且传感器46安装在承载主轴48的鞍座47上。传感器49还可以安装在Y轴线滑台50上，并且传感器51可以安装在X轴线工作台52上。以类似于上文关于图1所描述的布置的方式，传感器41、43、46、49和51可以电联接到数据采集设备（未示出），并且所述数据采集设备可以通过蓝牙传输联接到CPU。

图3示出了机床的另一种形式，在机器上的附接点处安装有精密水平传感器的卧式加工中心55。卧式加工中心55包括机器底座57、Y轴线柱59、主轴壳体61、Z轴线滑台64和X轴线工作台66。传感器56定位在机器底座57上，传感器58定位在Y轴线柱59上，并且一个或多个传感器60可以定位在主轴壳体61上。传感器63还可以安装在Z轴线滑台64上，并且传感器65可以安装在X轴线工作台66上。以类似于上文关于图1所描述的布置的方式，传感器56、58、60、63和65可以电联接到数据采集设备（未示出），并且所述数据采集设备可以通过蓝牙传输联接到CPU 39。

图4示出了系统的主要元件，这些元件联接到一起以用于机器状况感测以及向CPU39的传输。电源70可以由电源线71联接以向多个数据采集设备73供电。数据采集设备73中的每一个可以联接到一个或多个精密水平传感器76并且还可以按需向传感器76供电。精密水平传感器76中的每一个经由线78从数据采集设备73中的一个接收电力，并且经由线78将数据发送给数据采集设备。数据采集设备73中的每一个可以具有蓝牙传输能力以将从精密水平传感器76接收的数据传输给CPU 39。替代地，数据采集设备73还可以硬接线连接到CPU39。操作者界面或控制面板79可以由线77联接到CPU 39以配置和显示系统结果。

图5示出了使用如图1-4所示的设备的步骤。在步骤85中，在机器操作之前首先遵循ASME B5.54和ISO 230-1、ISO-230-2和ISO 230-6方法在线性位移、滚动、俯仰、偏转、和全部线性轴线的直线度误差、和垂直度误差方面表征机器。用于表征机器的传统方法包括使用激光、线性位移指示器、电子水平仪、球杆仪等。可以使用其它方法和设备来表征机器。在步骤86中，然后将机器测量结果保存在CPU 39中。在步骤87中，将传感器安装在机器上并校准到零位置。在实际操作中，使用绝对角度精密电子水平传感器，不过也可以采用其它传感器。在步骤88中，以及在机器操作期间，所述传感器在每个传感器定位处连续测量角度变化并将该信息发送给CPU 39。在步骤89中，使每个传感器定位与测量的几何误差点的物理定位关联。本文所使用的术语“测量的几何误差点”表示机器基线表征测量点。在步骤90中，CPU使用在传感器定位处测量的角度变化插值得到在机器上的传感器定位之间的机器元件的角度变化。该插值是必须的，因为可能不可能在每个基线表征测量点处放置传感器。该系统必须更新每个基线表征测量点以确保更新机器轴线几何轮廓时的准确度。CPU的主要操作是将步骤85中由传统方法测得的机器测量结果与由传感器连续测得的测量结果比较。在步骤91中，CPU收集从每个传感器得到的测量结果。在步骤92中，CPU通过获取传感器读数的变化、计算每个传感器定位处的误差、插值得到在每个基线表征测量点处的误差并将每个结果与每个点处的基线表征测量结果比较来确定机器几何形状的任何变化。在下文给出了更详细的解释。在步骤93中，作为在步骤92中所做的确定的结果，CPU计算每个轴线的总的几何误差范围和机器的体积准确度。在步骤94中，CPU输出最新的结果作为基线表征结果的修正。CPU还将所述变化输出为基线结果的百分比变化。

在上文所陈述的过程的进一步解释中，在步骤92中，用于确定机器几何形状的变化的过程可能取决于所分析的机器类型和结构而变化。下文讨论了从传感器读数的变化确定俯仰误差、水平直线度误差和体积准确度误差的示例。

为了确定如图2所示的机器上的X轴线上的俯仰误差，由CPU 39收集来自三个传感器49中的每一个的俯仰角测量结果。由所述CPU给实际读数分配沿基线表征测量线的物理地址。如果实际读数都为零，则用于俯仰误差的基线表征测量线保持不变。如果传感器49中的任何一个读数为不同于零的量，则将来自每个传感器的实际误差读数加到其被分配的定位处的基线表征测量线。然后插值得到位于每个传感器定位之间的每个基线表征测量点的误差，并且将误差加到基线表征测量点。

为了确定具有类似于图1所示的机器的构造的机器的Y轴线中的水平直线度误差，由CPU 39从传感器28中的每一个收集围绕Y轴的滚动测量结果。如果所有的实际读数都为零，则用于Y轴线滚动误差的基线表征测量线保持不变，并且类似地，Y轴线水平直线度基线表征测量线保持不变。如果传感器28中的任何一个读数为不同于零的量，则将来自每个传感器的实际滚动误差读数加到其被分配的定位处的基线表征测量线。然后插值得到位于每个传感器定位之间每个基线表征测量点的误差，并且将误差加到基线表征测量点。每个新的滚动误差角度值被用于计算水平直线度，方法是将该角度转换成从轴线的支点到刀尖的距离的线性单位，再用该转换结果乘以该角度。

为了确定具有与图3所示的机器类似的构造的机器的YZ垂直度误差，由CPU 39收集来自传感器60的角度测量结果和来自传感器58的角度测量结果，传感器60感测围绕X轴线的角度，传感器58感测围绕Z轴线的角度。将来自传感器60的角度的平均值和来自传感器58的角度的平均值求和然后将和加到基线表征测量结果以获得最新的YZ垂直度误差结果。

在步骤95中，可能感测机器处的周围温度，并且可能将温度读数发送给CPU 39。在步骤96中，CPU可以绘制作为温度的函数的机器几何形状的周期性变化以开发在时间上的趋势分析。所述周期性变化可能是每小时的、每日的或每季的。

使用所述设备的过程采用固定的精密传感器利用实时机器几何形状和机器的体积准确度监测和评价，所述固定的精密传感器在机器操作期间测量计算机数字控制机器构件的几何关系变化。所述过程在每个机器累计水平评价几何行为，而不是只测量机器刀尖处的线性偏差。本过程使用每个传感器的参考定位、每个传感器测量结果的测得大小、测量的方向和每个传感器之间的位置关系来比较和更新之前实证测量的基线表征结果，包括轴线角度误差、轴线直线度误差和平面自由度误差。使用连续数据采集即刻且实时地感测每个传感器的大小和方向的任何变化。对信息的进一步处理可以允许确定、分析并校正根因轴线和平面误差。该过程还能连续更新地重新计算机器的体积准确度能力。

本系统通过使用多个精密水平传感器检测机器构件的角度变化并测量机器上的多个单点与初始零校正位置的位置差。操作期间的热生长、磨损或应力诱导的机器构件的变形由传感器直接测量为机器构件的当前位置和零校正位置之间的差。

每个传感器连续测量其所附接的机器上的单个点以便检测在任何方向上的旋转运动。所述单个点可能在机床机架上和/或在一个或多个机器轴线的移动元件上。使用基线表征结果以及来自传感器的所测量的角度和所检测的角度的定位的组合来实现对机器几何误差和体积准确度的计算。

因此已经描述了本设备，对于本领域技术人员来说可以想到多种修改和改变，这些修改和改变被认为在由所的附权利要求所限定的设备的范围之内。

Claims (18)

1.一种用于在包括机器操作期间的任何时间测量具有机器构件的机器的体积准确度的方法，所述方法包括如下步骤：

在机器操作之前使用传统方法测量所述机器几何误差以产生所述机器的基线表征；

将传感器安装在所述机器构件上并且将所述传感器校正到零位置；

将每个传感器定位与所述机器构件上的被测几何点的物理定位关联；

在机器操作期间，在每个传感器定位处连续测量机器构件的角度变化；

将传感器读数和插值得到的结果与所述基线表征比较，

确定机器几何形状的任何变化；以及，

计算刀具路径误差。

2.如权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

在所述机器是静止的并且没有移动的同时，使用由安装在所述机器上的多个固定的传感器测得的角度的变化来计算机器几何误差和体积准确度。

3.如权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

在所述机器移动的同时，使用由安装在所述机器上的多个固定的传感器测得的角度的变化来计算机器几何误差和体积准确度。

4.如权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

感测并测量所述机器构件的材料温度；以及，

将所述刀具路径误差映射到每个传感器定位的所测量的材料温度以追踪作为温度的函数的机器几何形状周期性变化。

5.如权利要求4所述的方法，还包括如下步骤：

以定时的方式追踪作为温度的函数的机器几何形状变化。

6.如权利要求4所述的方法，还包括如下步骤：

每小时追踪一次作为温度的函数的机器几何形状变化。

7.如权利要求4所述的方法，还包括如下步骤：

每天追踪一次作为温度的函数的机器几何形状变化。

8.如权利要求4所述的方法，还包括如下步骤：

每季追踪一次作为温度的函数的机器几何形状变化。

9.如权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

使用安装在所述机器构件上的角度传感器在机器操作期间测量所述机器构件的角度变化。

10.如权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

使用来自多个传感器的数据更新基线表征的测量结果。

11.一种用于通过在机器操作期间监测机器构件的几何误差和体积准确度来产生具有所述机器构件的机床的计算刀具路径误差的系统，所述系统包括：

中央处理单元（CPU），用于接收从机器几何误差的基线表征获取的读数，比如滚动、俯仰、偏转、直线度、垂直度和体积准确度；

安装在所述机器构件上的多个固定的精密传感器；

用于将所述固定的精密传感器在机床操作期间获取的读数传输给所述CPU的数据采集设备，借此所述CPU将来自所述传感器的读数与所述基线表征读数比较以产生连续计算的最新的刀具路径误差。

12.如权利要求11所述的系统，其中所述固定的精密传感器通过使用从所述多个固定的精密传感器获得的角度误差来计算所述机器构件在X、Y和Z轴线上的线性运动。

13.如权利要求11所述的系统，其中所述固定的精密传感器测量所述机床构件围绕机器轴线的旋转运动。

14.如权利要求11所述的系统，其中所述固定的精密传感器是电子可编程的角度传感器。

15.如权利要求11所述的系统，还包括：

所述机床上的旋转头和安装在所述旋转头上的至少一个固定的精密传感器。

16.如权利要求15所述的系统，还包括：

用于支撑所述机床上的所述旋转头的柱和安装在所述柱上的至少一个固定的精密传感器。

17.如权利要求16所述的系统，还包括：

所述机床上的用于支撑所述旋转头和所述柱中的至少一个的支撑梁；并且

所述至少一个固定的精密传感器安装在所述支撑梁上。

18.如权利要求17所述的系统，还包括：

一对支撑所述支撑梁的竖直立柱；和，

安装在所述竖直立柱中的至少一个上的至少一个固定的精密传感器。