CN1099938C - 数控机床中的误差补偿设备 - Google Patents

Abstract

这里公布的是在数控机床上用于可移动单元(如滑块)的移动误差补偿设备。由安装在固定基上的一个参照位置光束发生器按滑块移动方向发射出一激光束。滑块具有光通过位置检测器，它可检测出激光束在YZ平面上的偏转。为了正确地检测出激光束的发射方向，那个固定基被安装了一个移动端光束位置检测器。

Description

数控机床中的误差补偿设备

发明背景

发明领域

本发明涉及一种误差补偿设备，它用于校准数控机床中的可移动单元的移动精度，并在其移动过程中连续地补偿误差。

已有技术的描述

对目前的数控机床来讲，需要很高的工作精确度，许多新技术已被开发和利用。这些新技术是基于这样的概念，即数控机床具有高度刚性，这是为了防止在高速移动时出现动态移动扰动，并利用高度可重复性移动机制以在移动重复时总呈现相似的动作。尽管采用了这种设计防范措施，但由于机床结构的热变形等类似原因，而无法完全除去移动误差。所以，在数控机床完成后，一般根据需要在特定时间段内进行称为校准的校准操作以测定机械移动误差，并将测量结果保存在数控设备内。在实际对机床的操作和控制时，这些误差被反映在控制信息中用以补偿操作命令，这样实际的移动可能不会产生误差。

在通常的校准方法中，特殊设备，如：激光干扰仪、测微仪、或类似的设备被安装在机床上。但是，很难全面地、自动地测量多个移动误差，如：旋转、斜度、偏角、或其他移动轴向的类似变量、移动平行度、移动垂直性或其他，以及在多个移动坐标轴系中的准确角度或其他移动误差。所以，除每个误差测量外安装设备的操作只能进行手工操作，并且在这种情况下对误差的测定和校验过程要进行相对很长的时间(至少几个小时)。

在准确校准操作中，当使用光测量作为一种测量方法时，原理上距离一般可根据光波长测得。

在上述的校准方法中，进行每一种校准操作过程中机床都被占用，而在正常工作操作过程中这种方法无法被使用，从而机器利用率降低。所以，不能经常进行校准操作。而且，为了避免由于外部干扰，如：在校准操作时测量环境中温度变化，或产生振动，而影响测量的准确性，需要确保有一个非常稳定的测量环境。

而且，甚至根据上述最新设计思想而开发出的机床也无法避免地存在着误差，这些误差象由热变形导致的误差一样无法被完全去除。我们知道随时间流逝，这些误差一般具有无规则的和复杂的行为。我们也知道这一行为变化在一个相对长的时间内，从几十分钟到几个小时逐渐产生。所以，在从几十分钟到几个小时的时间间隙中执行传统方法中的校正操作时，可有效地补偿机械移动误差。然而，在考虑到机床的安全操作率的情况下，这实际是不可能的。

而且，由于基于光波测量的准确度很容易被温度、空气振动、湿度或其他类似的因素所影响，所以存在着一个问题，就是在机床操作的一般工厂环境中不能容易地实现测量。

另一方面，因为改进产品质量的要求一年一年地变得越来越迫切，所以需要对解决传统校正方法缺陷的新技术的开发。

本发明的一个目的就是要解决上述的问题，以检测机床的空间移动误差，该误差由机床的热变形产生，并随流逝的时间而变化，并检测正常操作环境下，包括未被一般工厂环境所影响的工作操作的移动装置的磨损程度或装配准确度的损耗程度，以在根据检测结果补偿机械移动误差时控制机床的移动，并高度准确地操作机床。

发明概述

开发本发明的目的是为了解决上述的问题。

本发明的首要方面是致力于数控机床中的误差补偿设备，它包括：用于检测沿轴线控制的可移动单元的预定控制轴线上的位置的可移动单元位置检测装置，用于检测可移动单元移动状态的移动状态检测装置，用于使用移动状态而计算机械移动误差的移动误差计算装置，和用于在移动误差基础上补偿移动误差的移动误差补偿装置。

本发明的第二个方面致力于具有第一移动状态存储器装置的误差补偿设备，该第一存储装置用于预先存储由移动状态检测装置检测出的移动状态，且其中的移动误差计算装置具有由存储在第一移动状态存储器装置的移动状态和当前移动状态间的差值计算出移动误差的功能。

本发明的第三个方面致力于具有第二移动状态存储器装置的误差补偿设备，它用于在需要时存储由移动状态检测装置检测出的移动状态，且其中的移动误差计算装置具有由存储在第二移动状态存储器装置的移动状态和当前移动状态的差值计算出移动误差的功能。

本发明的第四个方面致力于一种误差补偿设备，其中移动误差补偿装置具有通过增加一个误差补偿值到位置控制值上而进行机械移动误差的连续补偿的功能。

本发明的第五个方面致力于一种误差补偿设备，其中移动状态检测装置检测可移动单元在移动轴线方向一个特殊点上偏离不同于移动轴的坐标轴位移基准的位移，且移动误差计算装置在检测到的位移的基础上计算移动误差。

本发明的第六个方面致力于一种误差补偿设备，其中为了移动状态的检测，使用了参照位置光束发生器，以产生平行于移动轴方向的参照位置光束，并且使用一个安装在可移动单元上的可移动单元二维检测设备，以便通过使用由参照位置光束发生器产生的参照位置光束来检测偏离不同于移动轴的坐标轴的位移基准的位移。

本发明的第七个方面致力于一种误差补偿设备，其中移动状态的检测包括在偏离移动基准的位移的基础上对在移动轴上可移动单元的转矩的检测，这些位移分别在安装在一个可移动单元上的两个可移动单元二维检测设备内被检测出。

本发明的第八个方面致力于一种误差补偿设备，其中用于设置和调整参照位置光束的移动端二维检测设备被装配在移动端，这样它与参照光束发生器位置相对。

本发明的第九个方面致力于一种误差补偿设备，其中可移动单元二维检测设备具有允许参照位置光束通过并根据光束通过的位置来检测二维位置的功能。

本发明的第十个方面致力于一种误差补偿设备，其中对于可移动单元二维检测设备来说，采用了二维CCD和光束分离器。

附图的简要说明

图1是根据本发明的数控设备中的误差补偿设备的第一个实施例框图。

图2所示的是根据本发明的用于单轴的移动状态检测部分的例子。

图3所示的是根据本发明的一个光束通过类型的二维检测设备的实施例。

图4是根据本发明的数控设备中的误差补偿设备的第二个实施例框图。

图5是根据本发明的数控设备中的误差补偿设备的第三个实施例框图

图6所示的是根据本发明的一个光束通过类型的二维检测设备的实施例。

优选实施例的说明

下面，将要说明本发明的一个实施例。

数控机床一般由多个移动轴的合成所组成，为的是在指定操作空间内是三维可操作的。在根据本发明的误差补偿设备中，作为一个原则，每次都会对应于每个移动轴产生一个移动，对每个移动轴检测从参照点移动偏移到什么程度。从每个轴得到的检测结果被空间合成化，每个轴的补偿被连续地计算，以保证在该时刻机床的移动准确性，并且利用补偿方法补偿和控制机械移动。

根据本发明的误差补偿设备，如图1所示，由以下部分构成：一个用于检测沿轴线控制的可移动单元的每个轴线上的位置的可移动单元位置检测设备1，一个用于检测移动状态(即，可移动单元如何移动)的移动状态检测设备2，，一个由移动状态来计算出机械移动误差的移动误差计算设备3，和一个由用于补偿的移动误差来计算误差补偿的移动误差补偿设备4。

可移动单元位置检测设备1被构成以便测沿一个移动轴移动的机械元件(滑块)沿每个移动轴上的移动位置。例如，为了检测沿X轴的移动状态，如图2所示，则使用安装在直线标尺上的一个旋转类型位置检测器或类似的装置、一个X轴球形螺钉或一个发动机、来检测X轴方向上的移动位置。每个轴上滑块的当前位置被传送给移动状态检测设备2。

此外，图2示出了一个例子，其中用于检测可移动单元的位置的作为标尺的线性标尺被附着在一个固定边上，可移动单元位置检测头附着在滑块边上以检测移动位置。

移动状态检测设备2接收来自可移动单元位置检测设备1的每个轴滑块的当前位置作为输入，同时检测在每个移动轴上沿移动轴移动的每个机械元件(滑块)是如何移动的，这通过检测在某一特定时刻在滑块上某一特定点的三个轴(X、Y、Z)的轴坐标值中的二个轴坐标值的位移。该二个坐标值的位移是通过检测从移动参考位置的每个移动轴的偏移来检测的，它被定义为移动状态的检测。

在图2的示例中，当一移动滑块在X一轴方向上移动时，一个二维检测设备(光束位置检测设备)作为一个光通过位置检测器被安装在滑块的特定点上，这是为了在移动过程中或移动过程后检测移动滑块上特定点在Y轴和Z轴方向上空间位置和参照位置间的差值。利用光束产生参照位置。具体地，安装一个参照位置光束发生器，使得产生与引导X轴移动板的移动方向平行的参照位置光束。

同样，移动端位置检测器被安装在与参照位置光束发生器相对的位置，它用于调整参照位置光束的设定。光通过位置检测器和移动端光束位置检测器具有指明在二维平面内光束被发射出的位置的功能。这些检测器可以用多种方法实现。

例如，如图3中所示，使用二维CCD(电荷耦合类型固态反射设备)。因为当前没有CCD，当光束被检测到以后，光束可以通过检测表面，所以图3的例子中用一个光束分离器(一种光束分离设备，它用以通过在光束前进方向上的部分入射光，并且在通过光束以前对入射方向和垂直方向上剩余部分光束进行折射)来构成光通过位置检测器。

这里，直线前进且与X轴平行的入射光束在入射方向和垂直方向上被光束分离器所折射，并且被折射的入射光束被CCD接收以检测光束的位置。所以，当图2中的滑块偏向于Y轴方向时，如图3中所示，入射光束偏离于初始光束，并且可由CCD最初应接收光束的参照位置和CCD实际检测到光束的光束接收位置来确定偏移量。

可以理解，使用用于机床的X轴移动的上述可移动单元位置检测设备1和移动状态检测设备2，作为移动状态，偏移量Dy(xc)、Dz(xc)可以被检测出来，它们指明在某一特定时刻参照光束的通过位置(ybc，zbc)远离滑块位置xc上预定参照位置(ybr，zbr)的程度。在这里，Dy(xc)和Dz(xc)分别用如下公式表达。

Dy(xc)＝ybc(xc)-ybr(xc)

Dz(xc)＝zbc(xc)-zbr(xc)

在计算中使用的参照位置ybr、zbr可以对应于xc预先以参照表或数学函数的形式在移动状态检测设备2中设定和存储。而且，当由于某些原因参照位置光束的设定偏离于初始设定位置，移动端光束位置检测器通过使用上述相同方式的简单计算可以检测出光束位置的偏移量。对于参照光束位置的设定，参照位置光束发生器和移动端光束位置检测器可以按受到扰动或其他类似因素影响最少的空间布局被安装。

如上所述，移动位置xc被移动位置检测设备1检测到，并被传送到移动状态检测设备2，这样被用于在移动状态和移动位置之间建立对应关系。移动位置xc和相应的位移Dy(xc)与Dz(xc)从移动状态检测设备2传送到移动误差计算设备3。而且，由移动端光束位置检测器在移动端检测到的位移量Dye(x)和Dze(x)也被传送到移动误差计算设备3。

移动状态检测设备2和可移动单元位置检测设备1的操作已根据只沿X轴移动的例子被描述过了，但甚至当机床是由多个移动轴组成时，也可实现这一操作。例如，在具有移动轴(X，Y，Z)的三轴机床的情况中，每个移动轴(X，Y，Z)的构成如图2所示，且移动的当前位置xc，yc，zc由可移动单元位置检测设备1传送到移动状态检测设备2。接收这些数据的移动状态检测设备2然后检测在当前位置xc，yc，zc相对于X轴，Y轴，和Z轴的偏移，以及在每个轴的移动端的偏移。

特别地，偏移量Dy(xc)和Dz(xc)作为相对于X轴移动的移动状态，以及偏移量Dye(x)和Dze(x)作为在x轴移动端的光束位置误差都被检测出。用同样的方法，偏移量Dx(yc)和Dz(yc)作为相对于Y轴的移动状态，偏移量Dxe(y)和Dze(y)作为在Y轴移动端的光束位置误差，偏移量Dx(zc)和Dy(zc)作为相对于Z轴的移动状态，以及偏移量Dxe(z)和Dye(z)作为在Z轴轴向移动端的光束位置误差，都分别被检测出。

Dy(xc)＝ybc(xc)-ybr(xc)

Dz(xc)＝zbc(xc)-zbr(xc)

Dye(x)＝yce(x)-yre(x)

Dze(x)＝zce(x)-zre(x)

Dx(yc)＝xbc(yc)-xbr(yc)

Dz(yc)＝zbc(yc)-zbr(yc)

Dxe(y)＝xce(y)-xre(y)

Dze(y)＝zce(y)-zre(y)

Dx(zc)＝xbc(zc)-xbr(zc)

Dy(zc)＝ybc(zc)-ybr(zc)

Dxe(z)＝xce(z)-xre(z)

Dye(z)＝yce(z)-zre(z)

上面等式中每个分量定义如下：xc：X轴的可移动单元位置检测设备中检测到的在X轴上移动的滑块(X轴滑块)上的一个特定点的当前位置；yc：Y轴的可移动单元位置检测设备中检测到的在Y轴上移动的滑块(Y轴滑块)上的一个特定点的当前位置；zc：Z轴的可移动单元位置检测设备中检测到的在Z轴上移动的滑块(Z轴滑块)上的一个特定点的当前位置；ybc(xc)：当X轴参照光束在X轴滑块位置xc通过X轴光通过位置检测器时在检测器上的y方向光束通过位置坐标值；zbc(xc)：当X轴参照光束在X轴滑块位置xc通过X轴光通过位置检测器时在检测器上的z方向光束通过位置坐标值；xbc(yc)：当Y轴参照光束在Y轴滑块位置yc通过Y轴光通过位置检测器时在检测器上的x方向光束通过位置坐标值；zbc(yc)：当Y轴参照光束在Y轴滑块位置yc通过Y轴光通过位置检测器时在检测器上的z方向光束通过位置坐标值；xbc(zc)：当Z轴参照光束在Z轴滑块位置zc通过Z轴光通过位置检测器时在检测器上的x方向光束通过位置坐标值；ybc(zc)：当Z轴参照光束在Z轴滑块位置zc通过Z轴光通过位置检测器时在检测器上的y方向光束通过位置坐标值；ybr(xc)：当X轴参照光束在X轴滑块位置xc应通过X轴光通过位置检测器时在检测器上的y方向光束通过的参照位置坐标值；zbr(xc)：当X轴参照光束在X轴滑块位置xc应通过X轴光通过位置检测器时在检测器上的z方向光束通过的参照位置坐标值；xbr(yc)：当Y轴参照光束在Y轴滑块位置yc应通过Y轴光通过位置检测器时在检测器上的x方向光束通过的参照位置坐标值；zbr(yc)：当Y轴参照光束在Y轴滑块位置yc应通过Y轴光通过位置检测器时在检测器上的z方向光束通过的参照位置坐标值；xbr(zc)：当Z轴参照光束在Z轴滑块位置zc应通过Z轴光通过位置检测器时在检测器上的x方向光束通过的参照位置坐标值；ybr(zc)：当Z轴参照光束在Z轴滑块位置zc应通过Z轴光通过位置检测器时在检测器上的y方向光束通过的参照位置坐标值；yce(x)：当X轴移动端光束检测器检测出X轴参照位置光束时在光束检测器上y方向坐标值；zce(x)：当X轴移动端光束检测器检测出X轴参照位置光束时在光束检测器上z方向坐标值；xce(y)：当Y轴移动端光束检测器检测出Y轴参照位置光束时在光束检测器上x方向坐标值；zce(y)：当Y轴移动端光束检测器检测出Y轴参照位置光束时在光束检测器上z方向坐标值；xce(z)：当Z轴移动端光束检测器检测出Z轴参照位置光束时在光束检测器上x方向坐标值；yce(z)：当Z轴移动端光束检测器检测出Z轴参照位置光束时在光束检测器上y方向坐标值；yre(x)：在X轴移动端光束检测器应检测出X轴参照位置光束时光束在光束检测器上y方向坐标值；zre(x)：在X轴移动端光束检测器应检测出X轴参照位置光束时光束在光束检测器上z方向坐标值；xre(y)：在Y轴移动端光束检测器应检测出Y轴参照位置光束时光束在光束检测器上x方向坐标值；zre(y)：在Y轴移动端光束检测器应检测出Y轴参照位置光束时光束在光束检测器上z方向坐标值；xre(z)：在Z轴移动端光束检测器应检测出Z轴参照位置光束时光束在光束检测器上x方向坐标值；yre(z)：在Z轴移动端光束检测器应检测出Z轴参照位置光束时光束在光束检测器上y方向坐标值。

移动误差计算设备3通过合成从另外两个轴的移动参照位置检测到的作为每个移动轴的移动位置偏移的三维坐标位置的移动状态来计算三维坐标位置中的移动误差。当三维坐标位置被设定为P(xc，yc，zc)，则在位置P上X方向移动误差Ex是Dx(yc)和Dx(zc)的函数，且表达如下：

Ex＝Fxy(xc，yc，zc)Dx(yc)

    +Fxz(xc，yc，zc)Dx(zc)

这里，Fxy(xc，yc，zc)是一个表明x方向偏移Dx(yc)对取决于位置(xc，yc，zc)中Y轴位置(yc)的合成的x方向移动误差产生影响的程度的函数。同样，Fxz(xc，yc，zc)是一个表明X轴方向偏移Dx(zc)对取决于位置(xc，yc，zc)中Z轴位置(zc)的合成的x方向移动误差产生影响的程度的函数。考虑到滑块移动机制、移动状态检测设备2的设置位置和进一步包括移动机制的机械空间结构(几何结构)，从而决定这些函数。为了简化说明，此后位置产生的影响程度一般被假定为1。在这种情况下，合成的x方向移动误差Ex被表达为一个简单的算术和。

Ex＝Dx(yc)+Dx(zc)同样，y方向和z方向移动误差可以被如下方式表达：

Ey＝Dy(zc)+Dy(xc)

Ez＝Dz(xc)+Dz(yc)

计算出的移动误差被传送给移动误差补偿设备4。

移动误差补偿设备4将计算出的移动误差Ex，Ey和Ez转换成位置上的误差补偿量，它被传送到位置控制设备。位置控制设备在连续补偿机械移动误差时可以通过连续地增加位置上的误差补偿量到位置控制值上来进行补偿。

上述中，本发明的基本操作过程已被描述。然而，通过额外地提供一个存储移动状态的装置，下面的应用就成为可能。

可制造某些类型的机床以具有相对于参照光束的位置误差。在这种情况下，如图4所示，故意产生的移动状态被预先存放在第一移动状态存储设备5中。在机械移动的时候，存放在第一移动状态存储设备5中的移动状态和连续检测到的移动状态被一起传送到移动误差计算设备3。移动误差计算设备3从移动状态中计算出移动误差，且移动误差补偿设备4进行位置补偿。在这种情况下，机械移动误差连续被补偿的同时被控制使得在制造时产生的位置误差得以维持。

在图5中所示的方法中，由移动状态检测设备2传送来的移动位置和移动状态需要时被存储在第二移动状态存储设备6中。移动误差计算设备3根据从移动状态检测设备2传送的连续检测到的移动状态和存储在第二移动状态存储设备6中的移动状态计算出移动误差，且移动误差补偿设备4进行位置补偿。

用这种方法，当具有同样配置的许多部分被加工时，移动状态在加工第一部分时被存储在第二移动状态存储设备6中，且在加工后续部分时利用预先存储在第二移动状态存储设备6中的移动状态和连续检测到的移动状态进行控制以连续补偿机械移动误差，从而保持在第一个部分处理时的位置误差。

进一步，结合使用用于存储预定移动状态的第一移动状态存储设备5和需要时用于存储移动状态的第二移动状态存储设备6这一方法成为可能。

同样，检测从每个移动轴的移动参照位置偏移的实施例已用图3进行说明。进一步，如图6所示，通过安装两个二维CCD，可以从相对于移动轴的移动参照轴检测出转矩。也就是说，移动状态检测设备2根据由CCD1和CCD2检测到的x1，x2通过使用下列等式(1)，(2)和(3)计算出转矩α和偏移y1和y2，并且将转矩和偏移作为移动状态传送到移动误差计算设备3。等式(1)…tanα＝(y1+y2)/(L+(y1+y2)tanφ)等式(2)…y1＝(h？tanα-x1)/(tanφ-tanα)等式(3)…y2＝(h？tanα-x2)/(tanφ-tanα)

移动误差计算设备3根据检测到的转矩和偏移计算出移动误差。例如，利用上述α，y1和y2作为参数用于计算y方向移动误差Ey的算术函数被设定和存储，以便根据被按X轴移动的移动状态检测设备2连续检测到的α，y1和y2计算出y方向移动误差。这种方法也可运用到沿X轴移动的z方向移动误差Ez，沿Y轴移动的x方向和z方向移动误差Ex和Ez，以及在Z方向上移动的x方向和y方向移动误差Ex和Ey。

工业实现的可行性

如上所述，根据本发明，由于在正常机械运行期间内进行校正，所以在机械运行期间可以捕获到最新的移动误差。基于这个误差，移动误差可以被补偿，从而减小机械运行误差。

同样，由于正常机械运行不需要停下来以进行校正和校验操作，所以机械运行效率与以前技术相比可以被显著提高。

进一步，由于测量设备被嵌入数控机床内部并且可一直被使用而不需要进行安装操作，所以不需要每次需要校正时去在机床上安装测量设备且在完成测量操作时从机床上卸下测量设备。

更进一步地是，光传播作为测量的主要方法被使用，而基于光波长的距离测量方法不再被用作主要方法。所以，测量准确度不再受温度、空气振动、湿度或类似因素的影响。这种测量方法甚至在一般工厂环境中也可非常容易地在机床正常运行期间被使用。

Claims (10)

1.一种数控机床中的误差补偿设备，包括：

可移动单元位置检测装置，用于检测沿预定控制轴线上的一个位置，其中，一可移动单元被控制为沿该控制轴线移动；

移动状态检测装置，用于响应由该可移动单元位置检测装置检测到的位置，检测该可移动单元在空间三维中的移动状态；

移动误差计算装置，用于通过使用移动状态来计算机械移动误差；和

移动误差补偿装置，用于在该机械移动误差的基础上补偿机械移动误差。

2.如权利要求1中所述的误差补偿设备，还包括

第一移动状态存储装置，用于预先存储将被移动状态检测装置检测的移动状态，且

其中的移动误差计算装置具有从存储在第一移动状态存储器装置的移动状态和当前移动状态间的差值计算出移动误差的功能。

3.如权利要求2中所述的误差补偿设备，还包括

第二移动状态存储器装置，需要时用于存储由移动状态检测装置检测出的移动状态，且

其中的移动误差计算装置具有从存储在第二移动状态存储器装置的移动状态和当前移动状态间的差值计算出移动误差的功能。

4.如权利要求1中所述的误差补偿设备，其中

移动误差补偿装置具有通过增加一个误差补偿值到位置控制量上而进行机械移动误差的连续补偿的功能。

5.如权利要求1中所述的误差补偿设备，其中

移动状态检测装置检测可移动单元在移动轴线方向一个特定点上偏离不同于移动轴的坐标轴位移基准点的位移，且

移动误差计算装置在检测到的位移的基础上计算移动误差。

6.如权利要求5中所述的误差补偿设备，其中该移动状态检测装置包括：

一个参照位置光束发生器，以产生平行于移动轴方向的参照位置光束，并且

至少一个可移动单元二维检测元件，它安装在可移动单元上，以便通过使用由参照位置光束发生器产生的参照位置光束来检测偏离不同于移动轴的坐标轴的位移基准的位移。

7.如权利要求6中所述的误差补偿设备，其中在该可移动单元上具有两个可移动单元二维检测元件，用于在偏离移动基准的位移的基础上对该可移动单元沿该移动轴的转矩进行检测，这些位移分别在安装在该可移动单元上的两个可移动单元二维检测设备内被检测出。

8.如权利要求6中所述的误差补偿设备，其中

用于设置和调整参照位置光束的移动端二维检测元件被装配在移动端，这样它与参照光束发生器位置相对。

9.如权利要求6中所述的误差补偿设备，其中

该至少一个可移动单元二维检测元件具有允许参照位置光束通过的功能并具有检测光束通过的二维位置的功能。

10.如权利要求6中所述的误差补偿设备，其中

该可移动单元二维检测元件为二维CCD和光束分离器。

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