CN111708323A - 一种具有热变形误差补偿的五轴小龙门数控加工中心 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有热变形误差补偿的五轴小龙门数控加工中心，其包括热变形误差补偿方法，本发明补偿机床主轴因热变形导致的误差，通过解决主轴、进给系统热敏感区域定位和优化温度检测点布局，建立了热敏感区域温度连续感知模型，进一步通过插值算法得到主轴整个热敏感区域温度与几何热误差一一对应的估计值，建立了主轴热误差连续模型，最终通过平移坐标系参考原点实时补偿主轴热误差，实现机床几何精度热误差快速标定，最终在数控系统插补及位控环节中实现热误差补偿控制。

Description

一种具有热变形误差补偿的五轴小龙门数控加工中心
技术领域
本发明设计机床热变形误差补偿领域，尤其涉及一种具有热变形误差补偿的五轴小龙门数控加工中心。
背景技术
热误差补偿技术是提高五轴联动数控机床加工精度的关键技术之一，热误差补偿控制设备已成为现代高档数控机床必备的智能模块。近年来，曾开发了两种不同的技术来实现误差补偿：反馈中断补偿法和原点平移补偿法。反馈中断补偿法是通过将热误差模型的计算数值直接插入到伺服系统的位置反馈环中而实现的。该技术的优点是无需改变CNC控制软件，可用于任何CNC机床，包括一些具有机床运动副位置反馈装置的老型号CNC机床。然而，该技术需要特殊的电子装置将热误差信号插入伺服环中，这种插入有时是很复杂的，一般需要局部改动CNC控制系统的硬件。原点平移补偿法原理是热误差补偿控制器计算机床的热误差，这些误差量作为补偿信号被送至CNC控制器，而后通过CNC控制系统中PLC的I/O口平移参考原点，以此实现热误差量的补偿。这种补偿既不影响坐标值，也不影响CNC控制器上执行的代码程序。原点平移热误差补偿法是目前常用的实现方法。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明公开了一种五轴小龙门数控加工中心的热变形误差补偿方法，所述数控加工中心的热变形误差的补偿方法包括如下步骤：
步骤1，确定所述数控加工中心的热敏感区域：
步骤2，对所述热敏感区域进行传感器布点并进行温度测试试验，采集试验数据，确定热敏感点；
步骤3，采集所述热敏感点的温度数据，建立热敏区域的空间温度间断模型，分析热传导对主轴温度变化的特性，进一步建立温度连续感知模型；
步骤4，对测量得到的温度及对应的热误差值进行数据处理，建立热误差连续模型；
步骤5，实时获取主轴在整个热敏感区域的温度，根据所述步骤4所建立的热误差连续模型得到主轴的几何热误差，将该几何热误差通过几何运动学模型转化成主轴末端三维位置误差，最终根据该误差量移动坐标系的参考原点；
步骤6，最后将该热误差补偿方法集成到所述五轴小龙门数控加工中心的数控系统中进行温度补偿控制。
更进一步地，所述步骤1进一步包括：分析主轴热敏感点的影响规律，采用有限元方法对机床热态特性进行分析，得到机床的热敏感区域。
更进一步地，所述步骤2进一步包括：对热敏感区域进行传感器布点并进行温度测试试验，采集试验数据，采用聚类分析方法对热敏感区域的温度传感器的数量进行优化，根据传感器测量范围建立传感器位置分布模型，并采用粒子群算法对温度传感器的位置进行布置筛选，最终确定热敏感点。
更进一步地，所述步骤3进一步包括：采集热敏感点的温度数据，建立热敏区域的空间温度间断模型，分析热传导对主轴温度变化的特性，采用最小二乘拟合法对相邻热敏点间的温度进行拟合，建立任意两热敏点间的非线性温度估计模型，进一步得到主轴在整个热敏区域的实时连续温度感知模型。
更进一步地，所述步骤4进一步包括：间断测量得到主轴热敏感区域温度对应的几何热误差值，其中热敏感区域的温度由温度连续感知模型得到，采用插值算法对测量间隔点间的温度值和几何热误差值进行插值，得到主轴整个热敏感区域温度与几何热误差一一对应的估计值，从而建立主轴热误差连续模型。
本发明进一步公开了一种具有热变形误差补偿的五轴小龙门数控加工中心，包括：温度测量单元，所述温度测量单元确定所述数控加工中心的热敏感区域；热敏感点确认单元，所述热敏感点确认单元对所述热敏感区域进行传感器布点并进行温度测试试验，采集试验数据，确定热敏感点；温度连续感知模型建模单元，采集所述热敏感点的温度数据，建立热敏区域的空间温度间断模型，分析热传导对主轴温度变化的特性，进一步建立温度连续感知模型；热误差连续模型建模单元，对测量得到的温度及对应的热误差值进行数据处理，建立热误差连续模型；热误差补偿单元，所述热误差补偿实时获取主轴在整个热敏感区域的温度，根据建立的热误差连续模型得到主轴的几何热误差，将该几何热误差通过几何运动学模型转化成主轴末端三维位置误差，最终根据该误差量移动坐标系的参考原点，实现机床主轴热误差的实时补偿。
更进一步地，所述温度测量单元进一步执行：分析主轴热敏感点的影响规律，采用有限元方法对机床热态特性进行分析，得到机床的热敏感区域。
更进一步地，所述热敏感点确认单元进一步执行：对热敏感区域进行传感器布点并进行温度测试试验，采集试验数据，采用聚类分析方法对热敏感区域的温度传感器的数量进行优化，根据传感器测量范围建立传感器位置分布模型，并采用粒子群算法对温度传感器的位置进行布置筛选，最终确定热敏感点。
更进一步地，所述温度连续感知模型建模单元进一步执行：采集热敏感点的温度数据，建立热敏区域的空间温度间断模型，分析热传导对主轴温度变化的特性，采用最小二乘拟合法对相邻热敏点间的温度进行拟合，建立任意两热敏点间的非线性温度估计模型，进一步得到主轴在整个热敏区域的实时连续温度感知模型。
更进一步地，所述热误差连续模型建模单元进一步执行：间断测量得到主轴热敏感区域温度对应的几何热误差值，其中热敏感区域的温度由温度连续感知模型得到，采用插值算法对测量间隔点间的温度值和几何热误差值进行插值，得到主轴整个热敏感区域温度与几何热误差一一对应的估计值，从而建立主轴热误差连续模型。
本发明与现有技术相比，有益效果为：本发明为补偿机床主轴因热变形导致的误差，通过解决主轴、进给系统热敏感区域定位和优化温度检测点布局，建立了热敏感区域温度连续感知模型，进一步通过插值算法得到主轴整个热敏感区域温度与几何热误差一一对应的估计值，建立了主轴热误差连续模型，最终通过平移坐标系参考原点实时补偿主轴热误差，实现机床几何精度热误差快速标定，最终在数控系统插补及位控环节中实现热误差补偿控制。
附图说明
从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在图中，在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。
图1是本发明的五轴小龙门数控加工中心热变形误差补偿的步骤流程图。
具体实施方式
实施例一
本实施基于原点平移热误差补偿法提出一种具有热变形误差补偿的五轴小龙门数控加工中心。
如图1所示的本实施例采用以下步骤：
1.确定热敏感区域：分析主轴热敏感点的影响规律，采用有限元方法对机床热态特性进行分析，得到机床的热敏感区域；
2.确定热敏感点：对热敏感区域进行传感器布点并进行温度测试试验，采集试验数据，采用聚类分析方法对热敏感区域的温度传感器的数量进行优化，根据传感器测量范围建立传感器位置分布模型，并采用粒子群算法对温度传感器的位置进行布置筛选，最终确定热敏感点；
3.建立温度连续感知模型：采集热敏感点的温度数据，建立热敏区域的空间温度间断模型，分析热传导对主轴温度变化的特性，采用最小二乘拟合法对相邻热敏点间的温度进行拟合，建立任意两热敏点间的非线性温度估计模型，进一步得到主轴在整个热敏区域的实时连续温度感知模型；
4.建立热误差连续模型：间断测量得到主轴热敏感区域温度对应的几何热误差值，其中热敏感区域的温度由温度连续感知模型得到，采用插值算法对测量间隔点间的温度值和几何热误差值进行插值，得到主轴整个热敏感区域温度与几何热误差一一对应的估计值，从而建立主轴热误差连续模型；
5.热误差补偿：实时获取主轴在整个热敏感区域的温度，根据步骤4所建立的热误差连续模型得到主轴的几何热误差，将该几何热误差通过几何运动学模型转化成主轴末端三维位置误差，最终根据该误差量移动坐标系的参考原点，实现机床主轴热误差的实时补偿。
最后将该热误差补偿方法集成到所研制的五轴小龙门数控加工中心的数控系统中。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
虽然上面已经参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多改变和修改。因此，其旨在上述详细描述被认为是例示性的而非限制性的，并且应当理解，以下权利要求(包括所有等同物)旨在限定本发明的精神和范围。以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种具有热变形误差补偿的五轴小龙门数控加工中心，其特征在于，所述数控加工中心的热变形误差的补偿方法包括如下步骤：
步骤1，确定所述数控加工中心的热敏感区域：
步骤2，对所述热敏感区域进行传感器布点并进行温度测试试验，采集试验数据，确定热敏感点；
步骤3，采集所述热敏感点的温度数据，建立热敏区域的空间温度间断模型，分析热传导对主轴温度变化的特性，进一步建立温度连续感知模型；
步骤4，对测量得到的温度及对应的热误差值进行数据处理，建立热误差连续模型；
步骤5，实时获取主轴在整个热敏感区域的温度，根据所述步骤4所建立的热误差连续模型得到主轴的几何热误差，将该几何热误差通过几何运动学模型转化成主轴末端三维位置误差，最终根据该误差量移动坐标系的参考原点；
步骤6，最后将该热误差补偿方法集成到所述五轴小龙门数控加工中心的数控系统中进行温度补偿控制。
2.如权利要求1所述的一种具有热变形误差补偿的五轴小龙门数控加工中心，其特征在于，所述步骤1进一步包括：分析主轴热敏感点的影响规律，采用有限元方法对机床热态特性进行分析，得到机床的热敏感区域。
3.如权利要求2所述的一种具有热变形误差补偿的五轴小龙门数控加工中心，其特征在于，所述步骤2进一步包括：对热敏感区域进行传感器布点并进行温度测试试验，采集试验数据，采用聚类分析方法对热敏感区域的温度传感器的数量进行优化，根据传感器测量范围建立传感器位置分布模型，并采用粒子群算法对温度传感器的位置进行布置筛选，最终确定热敏感点。
4.如权利要求3所述的一种具有热变形误差补偿的五轴小龙门数控加工中心，其特征在于，所述步骤3进一步包括：采集热敏感点的温度数据，建立热敏区域的空间温度间断模型，分析热传导对主轴温度变化的特性，采用最小二乘拟合法对相邻热敏点间的温度进行拟合，建立任意两热敏点间的非线性温度估计模型，进一步得到主轴在整个热敏区域的实时连续温度感知模型。
5.如权利要求4所述的一种具有热变形误差补偿的五轴小龙门数控加工中心，其特征在于，所述步骤4进一步包括：间断测量得到主轴热敏感区域温度对应的几何热误差值，其中热敏感区域的温度由温度连续感知模型得到，采用插值算法对测量间隔点间的温度值和几何热误差值进行插值，得到主轴整个热敏感区域温度与几何热误差一一对应的估计值，从而建立主轴热误差连续模型。
6.一种具有热变形误差补偿的五轴小龙门数控加工中心，其特征在于，包括：温度测量单元，所述温度测量单元确定所述数控加工中心的热敏感区域；热敏感点确认单元，所述热敏感点确认单元对所述热敏感区域进行传感器布点并进行温度测试试验，采集试验数据，确定热敏感点；温度连续感知模型建模单元，采集所述热敏感点的温度数据，建立热敏区域的空间温度间断模型，分析热传导对主轴温度变化的特性，进一步建立温度连续感知模型；热误差连续模型建模单元，对测量得到的温度及对应的热误差值进行数据处理，建立热误差连续模型；热误差补偿单元，所述热误差补偿实时获取主轴在整个热敏感区域的温度，根据建立的热误差连续模型得到主轴的几何热误差，将该几何热误差通过几何运动学模型转化成主轴末端三维位置误差，最终根据该误差量移动坐标系的参考原点，实现机床主轴热误差的实时补偿。
7.如权利要求6所述的一种具有热变形误差补偿的五轴小龙门数控加工中心，其特征在于，所述温度测量单元进一步执行：分析主轴热敏感点的影响规律，采用有限元方法对机床热态特性进行分析，得到机床的热敏感区域。
8.如权利要求6所述的一种具有热变形误差补偿的五轴小龙门数控加工中心，其特征在于，所述热敏感点确认单元进一步执行：对热敏感区域进行传感器布点并进行温度测试试验，采集试验数据，采用聚类分析方法对热敏感区域的温度传感器的数量进行优化，根据传感器测量范围建立传感器位置分布模型，并采用粒子群算法对温度传感器的位置进行布置筛选，最终确定热敏感点。
9.如权利要求6所述的一种具有热变形误差补偿的五轴小龙门数控加工中心，其特征在于，所述温度连续感知模型建模单元进一步执行：采集热敏感点的温度数据，建立热敏区域的空间温度间断模型，分析热传导对主轴温度变化的特性，采用最小二乘拟合法对相邻热敏点间的温度进行拟合，建立任意两热敏点间的非线性温度估计模型，进一步得到主轴在整个热敏区域的实时连续温度感知模型。
10.如权利要求6所述的一种具有热变形误差补偿的五轴小龙门数控加工中心，其特征在于，所述热误差连续模型建模单元进一步执行：间断测量得到主轴热敏感区域温度对应的几何热误差值，其中热敏感区域的温度由温度连续感知模型得到，采用插值算法对测量间隔点间的温度值和几何热误差值进行插值，得到主轴整个热敏感区域温度与几何热误差一一对应的估计值，从而建立主轴热误差连续模型。
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