CN1103344A - 机床 - Google Patents

Abstract

一台机床具有一可相对于加工工件沿某一轴向 运动的工具，含有用来检测机床若干部件的温度的热 敏感应器。由神经网络反应的检测温度可分别推断 出机床部件的热变形。根据热变形的推断值得出一 修正信号，随后与驱动信号综合起来移动工具，以修 正沿该轴向的定位误差。根据机床安装的环境，可相 应地推断出机床各部件的热变形。

Description

本发明是关于一种用于切割、成形、磨削钻孔或抛光工件的机床，相对于工件，加工工具可以移动。更具体地说，本发明是关于一种装有一个控制系统的机床，它能对由于机器部件的热变形而引起的定位误差进行修正。

通常，用机床来切削，成形，钻孔，磨削或抛光一个工件，特别是金属工件，使之成为所要求的形状时，要求可移动的元件诸如加工工具或被加工工件精确定位，车间内可采用空调装置保持常温以防止机器部件产生包括热胀和冷缩的热变形。尽管如此，机床的床身还会整体地或局部地受到安装在附近的其它机床发出的热量和外界温度变化的影响。另外，机床本身的发热零件也会引起机器部件热变形，而导致可移动元件产生定位误差。

要精确地估算并修正这些由于若干个机器部件例如床身，立柱和机床等引起的定位误差是很困难的，因为热变形的大小取决于机器部件的尺寸和材料，而且各个方向的热变形也是彼此不相同的。

本发明的一个目的是要提供一台装有一个控制系统的机床，它可以精确地修正因机器部件的热变形而引起的在定位可移动元件，例如加工工具和待加工工件时的误差。

本发明的另一个目的是要提供一台装有一个控制系统的机床，该系统可以根据所检测到的与机床安装处环境相适应的机器部件的温度来推断机器部件的热变形。

本发明的其它目的，优点和新型之外，一部分可以以下叙述中得知，一部分将从熟练下述检测技术中了解到，或以对本发明的实践中学到。本发明的目的和优点将结合所附权利要求中所强调的手段得以实施和达到。

为了获得上述的和其它的目的，根据本发明的用途，对本发明作具体和详尽的描述如下，提供一台用于将工件加工成预定形状的机床，所采用的工具是可以相对于工件移动的，包括一个数字控制器，用以提供使工具相对于某一轴向移动的驱动信号，和热敏感应器用以检测机床上若干个部件的温度，其热变形将会导致工具沿该轴向出现定位误差。此机床还设有一个推理装置，包括若干个神经网络，每个网络接收指示检测温度的温度信号并输出机器部件沿该轴产生的相应的热变形;和一个修正值计算器，用以根据热变形的推断值输出一个表示该轴向修正值的修正信号，这样，数字控制器即可通过综合驱动信号和修正信号来修正由于热变形而产生的定位误差。

另外，提供一台用于将工件加工成预定形状的机床，它所采用的工具相对于工件是可以移动的，包括一数字控制器，用以输出驱动信号使工具相对于工件沿某轴向移动;和设置在机床上不同位置的热敏感应器，用以检测机床上多处的温度。机床还含有一推理装置，包括一个神经网络，它接收表示测量温度的温度信号并输出工具沿该轴的定位误差，和一个修正值计算器，用以推断定位误差，输出表示沿该轴修正值的修正信号。这样，通过综合驱动信号和修正信号，数字控制器即可对由于温度变化而产生的定位误差进行修正。

附图是为技术说明的一个部分，表示出本发明的实施例，现配合文字叙述解释本发明的原理。在附图中：

图1是方块图，表示实现本发明的一个机床控制系统;

图2是配有图1所示控制系统的床身侧视图;

图3是图2所示床身的正视图;

图4（A）-（F）是图1中所示推理部分的每个神经网络的输入和输出端;

图5（A）-（C）是床身的侧视图;

图6是由热敏感应器检测面绘制的温度曲线;

图7是将立柱热变形的推断值和测量值进行比较的曲线;

图8是将机头热变形的推断值和测量值进行比较的曲线;

图9是将修正过的沿Z轴方向的定位误差和未修正的定位误差进行比较的曲线。

图10表示测量电极和探针的位置;以及

图11（A）-（C）是另一推理部分的每一个神经网络的输入和输出端。

现参照附图对本发明的一个实施例作如下详尽说明。

图1是表示机床控制系统的方块图。图2是机床床身的侧视图。图3是图2所示机床床身的正视图。

首先从图2和图3说起，电火花加工机床是机床的一种，它借助工件和工具电极之间的电子放电的方法加工能导电的工件。这种电火花机床具有典型的机床结构，包括一个床身10，一立柱16，一滑座18和一伺服机头24。

立柱16设置在床身10上。沿着X方向可滑动的平台8设置在床身10的立柱16前方。工作液槽6设置在X向平台8上，用以放置电介质流体。工件4牢固地放置在一个固定在X向平台8上的工作台上。X方向的滚珠丝杠12A配有一个螺母14被固定在床身10上。螺母14以螺纹与X向滚珠丝杠12A相啮合并且与X向平台8相连接。X向滚珠端杆12A由X向驱动马达使之转动可沿X向平台8纵向移动，换句话说，它可驱动工件沿X向移动。将从控制系统32发出的一个驱动信号X2输送给X向驱动马达，驱动马达装有定位探测器如编码器，它探测出X轴向驱动马达的角位移并提供指示所测位移的一个编码信号X1给控制系统32。

滑座18在立柱16上可以滑动。一根带有螺母22的滚珠丝杠20A固定地设置在立柱16上。螺母22用螺纹与Y向滚珠丝杠20A啮合并与滑座18相连接。Y向滚珠丝杠20用Y向驱动马达20施动使滑座18沿Y向纵向移动。伺服机头24可在滑座18上沿Z轴方向滑动。Z轴与由X，Y轴定义的平面正交。带有螺母28的一根Z向滚珠丝杠26A固定地设置在滑座18的前上方。螺母28用螺纹与Z向滚珠丝杠26A相啮合并与伺服机头24相连接。Z向滚珠丝杠26A用Z向驱动马达26驱动使伺服机头24沿着Z轴方向纵向移动。Y向和Z向驱动马达20和26也都装有位置探测器如编码器，向控制系统32提供编码信号Y1和Z1，控制系统分别向Y轴向和Z轴向的驱动马达20和26施加驱动信号Y2和X2。一个夹座2A设置在伺服机头24的下端用来夹住工具支架（未示出），工具电极（未示出）被牢牢地装在该支架上。工具电极从上朝向放在充满电介质流体的工作液槽6中的工件4，当一系列从适当电源（未示出）放出的电脉冲以工作和工具电极之间穿过时在间隔区内放电。

在图示的实施例中，在机床部件上设有九个热敏感应器30A-30I。热敏感应器30A、30E和30G分别位于Z向滚珠丝杠26A，Y向滚珠丝杠20A和X向滚珠丝杠12A附近。热敏感应器30B位于伺服机头24的垂直方向的中间部分，而热敏感应器30C则位于伺服机头24的下端部。热敏感应器30D位于滑座18的下前方而热敏感应器30F则位于滑座18的下后方。热敏感应器30H位于工作液槽6的稍上方。热敏感应器30I位于立柱16下面的床身10沿X轴方向的中间处。

从图1可以看出，由热敏感应器30A-30I检测到的温度输入给控制系统32。控制系统32由一系列微处理机进行计算。

控制系统32包括一个温度探测器38和一个存储器40。温度探测器38有一个放大器34用来放大的热敏感应器30A-30I得到的数值，和一个模拟一数字转换器36用来将从放大器34得到的输出信号较换成数字信号。存储40由一个随机存储器组成，接收并存储模拟一数字转换器36的输出值。

控制系统32还包括一个数字控制器44，它根据预告指定的程度向X，Y和Z向驱动马达12，20，和26提供驱动信号X2，Y2和Z2，使得工件4或工具电极沿X，Y和Z向彼此产生相对移动。由数字控制器44将驱动信号表示出的要求马达的角位移施加给驱动马达，然后将编码信号X1，Y1和Z1表示的实际的马达的角位移反馈给数字控制器。数字控制器44用编码信号控制驱动信号，这样使得要求的位移和实际的位移保持永远一致。数字控制器44作为众所周知的结构这里就不再赘述了。

控制系统32还包括一个热变形计算器46，一个存储器48，一个推理部分42和一个局部控制器50。热变形计算器46接收表示沿X，Y和Z向定位误差的误差信号X3，Y3和Z3，计算机床部件的热变形。该定位误差是在给定的时间间隔内在室温改变时测得的。存储器48是由例如随机存储器所组成，接收并存储热变形计算器46输出的信号，这些信号表示了机床部件相对于检测温度的热变形。

推理部分42包括神经网络系统，各网络系统含有若干层次，包括用以从神经网络的外部接收信号的输入层和用以向神经网络的外部输出信号的一输出层。所有各层都是各自独立的，而且各层只能从其前面的一层和所包含的神经元接收信号，并完成非线性信号处理。根据神经元之间的结合强度，信号被加强，神经元之间的结合强度可以通过学习适当地变化。

存储器40指示温度的温度信号输入到推理部分42的输入层。另外，表示与温度相关的机器部件热变形信号作为示教信号输入给推理部分42的输出层。根据温度信号和预先设定的神经元之间的结合强度，即可从推理部分42的输出层得到输出信号，这些输出信号分别与示教信号进行比较。推理部分42修正神经元之间的结合强度，使得从输出层得到的输出信号与示教信号保持一致。推理部分42重复地进行这种学习协议分析。

当工具电极相对于工件4产生位移时，推理部分42根据用神经网络测定温度以修正的神经元之间的结合强度推断器部件的热变形。推理部分42根据由修正值计算器52计算出的沿X，Y和Z向修正值输出推断的机器部件的热变形。表示沿着X，Y和Z向修正值的信号X4，Y4和Z4输送给数字控制器44。数字控制器44将驱动信号X2，Y2和Z2分别与修正信号X4，Y4和Z4结合起来，修正由于热变形而引起的，沿着X、Y和Z向的定位误差。

机床的操作过程，基本上可以分成为三个步骤，现说明如下。第一个步骤是测量和储存机器部件的热变形，和当测定热变形时机器部件的温度。第二个步骤，由推理部分42中的神经网络根据温度和热变形，用一个适当的软件完成学习。第三个步骤是测量输送给推理部分42的机器部件的温度值，并推断机器部件的热变形，由此得出沿着X、Y和Z向的修正值。

在本实施例中以导致沿Z向产生定位误差的热变形测定方法作为举例进行说明。

图10表示用以测定沿Z向热变形的测量电极和探针位置。测量电极K1被安装在工具夹持装置2B上，它被牢固地连接在卡盘2A上，卡盘2A设置在伺服机头24上。另一个测量电极K2最好与Z向滚珠丝杠26A的螺母28位于同一水平面。为便于图示，将测量电极K2画在伺服机头24的下端。工件W1和W2被牢固地安装在一适当的平台上。测针KW1和KW2分别连接在工件W1和W2上。

各机器部件的温度稳定在恒定的室温21℃。然后，发动机床并进行测量工作。首先，电极K1对准测针KW1的中心，使电极K1和测针KW1发生接触。该接触位置确定为基准点D1。

其次，以相同的方式，电极K1对准测针KW2的中心，使电极K1和测针KW2发生接触，此接触点确定为基准点D2。

第三，以相同的方式，电极K2对准测针KW2的中心，使电极K2和测针KW2发生接触，此接触点确定为基准点D3。

将进行测量时，从9个热敏感应器30A-30I读出的温度输送到温度探测器38。所测温度经放大器34放大，并在模拟数字转换器36中转换成数字信号。数字信号被输入并储存在存储器40中。

经过一给定的时间间隔，例如2分钟之后，再次进行测量。

数字控制器44向热变形计算器46输送误差信号Z3，该信号表示在第二轮测量中各基准点与第一轮测量中各基准点的偏移值。热变形计算器46计算出机器部件的热变形，被存储在存储器48中。同时，在存储器40中存储进行第二轮测量时的测量温度。

之后，在给定的时间间隔内，重复进行相同的测量，并同时将温度和定位误差存储在存储器40和存储器48中，直到误差趋近于一常数为止。

其次，叙述热变形计算器46的一个计算举例。作为例子，这里计算因机器部件的热变形而导致的Z向定位误差，因为Z向定位所承受的热变形最为复杂。

首先，利用下列公式可以求得Z向滚珠丝杠26A的变形△C，

（△l）＝η·△T·L

其中，η是滚珠丝杠的热膨胀系数，△T是从初始温度上升的温度值。热变形计算器46可以从存储器10得出的初始温度和现有温度得到上升的温度值。L是指从Z向滚珠丝杠26A固定在滑座16上的固定部分到螺母28的长度。

其次，从螺母28到电极K1下端的端头部分的变形△H可由下式求出：

（△H）＝P2-P3-△L2+△L3

P2是基准点D2相对于前一个基准点D2的偏移，P3是基准点D2相对于前一个基准点D3的偏移。△L2是当电极K1与测针KW2接触时滚珠丝杠的热变形。△L3是当电极K2与测针KW2相接触时滚珠丝杠的热变形。

其三，包括滑座18和立柱16在内的立柱部分的变形（△L）可用下列公式得出：

（△C）＝ (△L1+（P1-P3-△L1+△L3）)/(（W1/W2-1）-P2)

P1是基准点D1对前一个基准点D1的偏离。△L1是当电极K1与测针KW1相接触时滚珠丝杠的热变形。W1和W2是工作台的上表面与测针KW1和KW2顶端的距离。

所求得的滚珠丝杠，轨头部分和立柱部分在沿Z向的热变形被存储在存储器48中。

推理部分42，将存储器40和存储器48中的数据进行学习。

局部控制器50指令存储器40将一系列表示所测温度的信号输入推理部分42的神经网络的输入层。局部控制器50还指令存储器48将与被测温度相关的一组表示热变形的信号输入推理部分42的神经网络的输出层，然后局部控制器50指令推理部分42开始学习。推理部分42将输出层给示教信号的输出信号，也即从存储器48输出的信号，与神经元之间的修正连接强度进行比较，这样输出层的输出信号将与示教信号保持一致。以相同的方式，局部控制器50控制存储器40，存储器48以及推理部分42作进一步学习。

在神经网络完成学习之后，推理部分42，通过神经网络，以神经元之间的修正连接强度推断机器部件的热变形。

图4（A）-（F）表示每个神经网络的一个或几个输入和一个输出，作为推断机器部件的热变形的图例。图4（A）表示立柱部分沿Z向的热变形是根据热敏感应器30A，30D，30E和30F检测的温度推断的。图4（B）表示机头部分沿Z向的热变形是根据热敏感应器30A，30B，30C和30H所测得的温度推断的。图4（C）表示滑座18和床身10沿Y向的热变形是根据由热敏感应器30D，30F和30I所测得的温度推断的。图4（D）表示Z向滚珠丝杠的热变形是根据热敏感应器30A所测的温度推断的。图4（E）表示Y向滚珠丝杠的热变形是根据热敏感应器30F所测得的温度推断的。图4（F）表示X向滚珠丝杠的热变形是根据热敏感应器30G所测得的温度来推断的。

加工时，热敏感应器30A-30I所测得的温度输入到温度探测器38，把表示温度的示教信号输入存储器40。局部控制器50在给定的时间间隔内向存储器40和48，以及推理部分42输送指令信号。响应局部控制器50发出的指令信号，存储器40输出温度信号，根据温度信号通过神经网络的神经元之间的被修正的连接强度推断出机床部件的热变形。

如图1所示机器部件的推断热变形被输入到修正值计算器52，它根据热变形的方向计算出沿着X，Y和Z向的修正值。

图5（A）表示根据X向滚珠丝杠12A的热变形得出的由于X向热变形（BX）而产生的定位误差，该工具是装在一工具夹持装置上（未示出），以卡盘2A固定在位置S处。图5（B）表示根据Y向滚珠丝杠20A的热变形（BY）和滑座18的热变形（CY）和床身10的热变形（EY）得出的由于热变形而引起的Y向定位误差。图5（C）表示根据Z向滚珠丝杠26A的热变形（BZ）和机头部分的热变形（HZ）以及滑座18和立柱16的热变形（CZ）得出的由于热变形而引起的Z向定位误差，换言之，可采用以下公式求出沿X，Y和Z向的修正值为：

X向修正值＝-（BX）

Y向修正值＝-（BY+CY+EY）

Z向修正值＝-（BZ+HZ-CZ）

修正值计算器52将修正信号X4、Y4和Z4，表示它们分别所得出的X向、Y向和Z向修正值，输送给数字控制器44。数字控制器44将驱动信号X2、Y2和Z2分别与修正信号X4、Y4和Z4组合，以修正由于热变形在定位时沿X、Y和Z向所引起的误差。

由于神经网络处理的温度值是从各个机器部件测得的，因此错综复杂地影响着其它机器部件的热变形，这些由于机器部件的热变形被精确地掌握，以达到修正定位误差。

在图6-9中，画出测试热变形和推理热变形。图中的水平轴表示测试的数目，在此取每2分钟一次。

图6画出由热敏感应器30A-30H感应的温度曲线。事前采用一个适当的加热器使室温保持约在28℃，在时间为P1时，将加热器关闭而打开致冷器以降低室温，然后在时间为P2时，当室温下降低到约13℃时，关掉致冷器而再次打开加热器，以提高室温。图6表示由热敏感应器30H感应的温度，热敏感应器30H位于稍高于工作槽6的上部，很紧密地随室温而变化。另外发现由热敏感应器30E、30F和30G感应的温度，随室温的变化稍微滞后一些，而发现由热敏感应器30A、30B、30C和30D感应的温度则随室温的变化要滞后许多。

图7中画出了立柱沿Z向测得的热变形和用神经网络42推断的热变形图。在图8中画出了机器头部沿Z轴方向所测得的热变形和用神经网络推断的热变形图。图7和图8都显示了测试值和推断值，尽管这些数值彼此稍有偏离，但大体上是相符一致的。

图9中的曲线A表示定位时无任何修正沿Z向的误差，而曲线B表示定位时以本发明进行修正后沿Z向的误差。尽管由于热变形定位误差的起伏是很大的，但当修正后大体上趋于一个常数。

技术人员会理解到，从数字控制器44发出的误差信号X3、Y3和Z3，可以直接输入并存储在存储器48，而取消热变形计算器46，在这种情况下，沿X、Y和Z向的定位误差可以用一个激光测量装置测定。储存在存储器48中的误差信号被用作示教信号，根据该信号推断部分42适当地改变神经元之间的结合强度。

作为举例，图11（A）-（C）表示出作为沿X、Y和Z向定位误差神经网络的各个输入端和输出端。图11（A）表示根据由热敏感应器30A、30B、30D、30E、30F和30H感应的温度推断的沿Z向的定位误差。图11（B）表示根据由热敏感应器30E、30D、30F、30H和30I感应的温度，推断的沿Y向的定位误差。图11（C）表示根据由热敏感应器30G、30H和30I感应的温度，推断的沿X向的定位误差。推理部分42向修正值计算器52输送表示定位误差的信号。修正值计算器52向数字控制器44输送表示沿X、Y和Z向修正值的信号，以修正定位误差。

以上提供的本发明的一个实施例，其目的仅仅是举例说明，而不是企图作为完全无遗的或仅将发明限于所公开的形式，十分明显根据上述的指引，可能作出许多改进和变型。例如，采用9个热敏感应器可以代之以采用更多个热敏感应器，个数越多所推断的热变形越精确。本发明的范畴要用附后的权利要求来确定。

Claims (4)

1、一台机床，用一个相对于所述工件可以作相对运动的工具将工件加工成预定形状，所述机床包括：

一个数字控制器，用于提供一个驱动信号以使所述工具相对于所述工件沿着某一轴向运动；

热敏感应器，用来检测所述机床的许多部件的温度；

推理装置，用来推断所述部件沿所述轴向的热变形；

其中所述推理装置包括许多神经网络，神经网络具有若干个神经元，每一个所述神经网络接收表示检测温度的温度信号，并输出所述部件沿着所述轴向的相应热变形；和

一个修正值计算器，它将根据所推断的热变形值输出一个表示所述轴向修正值的修正信号，而所述数字控制器将综合驱动信号和所述修正信号来修正由于热变形造成的所述工具的定位误差。

2、按权利要求1所述的机床，还包括一个第一存储器，用以存储所述温度信号，其中所述推理装置从所述第一存储器接收所述温度信号。

3、按权利要求2所述的机床，还包括一个第二存储器，用于存储所述部件热变形的测量值，其中表示所述测量值的信号被作为示教信号输入到所述神经网络。

4、一台用来将工件加工成预定形状的机床，利用一个可相对于所述工件移动的工具，所述机床包括：

一个数字控制器，用以提供一个驱动信号，使所述工具相对于所述工件沿着某一轴向移动;

热敏感应器，设置在所述机床的不同位置上，用于检测所述机床的多处温度;

推理装置，用以推断所述工具沿所述轴向的定位误差;

其中所述推理装置，包括一个神经网络，该神经网络有若干个神经元，所述神经网络接收表示检测温度的信号，并输出沿所述轴向的定位误差，和

一个修正值计算器，用来根据推断的定位误差提供一个表示沿所述轴向修正值的修正信号，其中所述数字计算器综合所述驱动信号和所述修正信号来修正由于温度变化引起的所述工具的定位误差。

Images