CN114055250B - 五轴联动机床水平度监控方法、装置、系统及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数控机床技术领域，尤其涉及一种五轴联动机床水平度监控方法、装置、系统及存储介质，该方法应用于在横梁两端处安装了距离传感器的五轴联动机床上，包括以下步骤：获取两传感器之间的差值L1，两所述传感器用于检测横梁距离地基的高度；获取两传感器之间的间距L2以及主轴端面至滑枕和横梁结合点的距离L3；计算横梁与水平面的夹角a，计算公式为a=arctan（L1/L2）；根据计算出的横梁与水平面的夹角a，计算主轴的偏摆距离L4，计算公式为L4=sin（a）*L3；比较主轴偏摆距离L4是否超过预设最大偏摆距离，若大于等于预设最大偏摆距离，则发出警报和控制五轴联动机床停机的指令。本发明通过自动检测方式，避免机床水平变化大时对机床的损伤或者加工报废。

Description

五轴联动机床水平度监控方法、装置、系统及存储介质

技术领域

本发明涉及数控机床技术领域，尤其涉及一种五轴联动机床水平度监控方法、装置、系统及存储介质。

背景技术

五轴联动数控机床是工业建设关键性设备，对国防工业起到至关重要的作用，如何保持五轴联动机床的加工精度、提供机床整体精度性能是个难题，机床受环境温度、使用环境、地基变化、结构变化等方面影响。

相关技术中，对机床设计者都用多种方法来消除结构变化的影响，例如保证地基建设时的水平度，在五轴联动数控机床上加装额外的散热装置等方式，然而上述几个影响其中地基变化是最难控制的，尤其是对于机床水平度的控制，受大自然影响很大，难以得到有效的控制。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种五轴联动机床水平度监控方法、装置、系统及存储介质，实现对于机床水平度的监测及保护。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

第一方面，本发明提供了一种五轴联动机床水平度监控方法，应用于在横梁两端处安装了距离传感器的五轴联动机床上，包括以下步骤：

获取两传感器之间的差值L1，两所述传感器用于检测横梁距离地基的高度；

获取两传感器之间的间距L2以及主轴端面至滑枕和横梁结合点的距离L3；

计算横梁与水平面的夹角a，计算公式为a=arctan（L1/L2）；

根据计算出的横梁与水平面的夹角a，计算主轴的偏摆距离L4，计算公式为L4=sin（a）*L3；

比较主轴偏摆距离L4是否超过预设最大偏摆距离，若大于等于预设最大偏摆距离，则发出警报和控制五轴联动机床停机的指令。

进一步地，若主轴偏摆距离L4大于0且小于预设最大偏摆距离，则执行补偿控制，所述补偿控制包括以下步骤：

计算主轴补偿距离L5，计算公式为L5=L4/tan（（180-a）/2）；

发送主轴控制指令，所述主轴控制指令用于驱动主轴延伸L5的距离。

进一步地，在进行补偿控制时，还包括补偿修正参数H的计算，计算公式为H=（1-L1/L2），最终的修正补偿距离为L6，L6的计算公式为L6=L5*H。

第二方面，本发明提供了一种五轴联动机床水平度监控装置，应用于在横梁两端处安装了距离传感器的五轴联动机床上，包括：

第一获取模块，用于获取两传感器之间的差值L1，两所述传感器用于检测横梁距离地基的高度；

第二获取模块，用于获取两传感器之间的间距L2以及主轴端面至滑枕和横梁结合点的距离L3；

第一计算模块，用于计算横梁与水平面的夹角a，计算公式为a=arctan（L1/L2）；

第二计算模块，用于根据计算出的横梁与水平面的夹角a，计算主轴的偏摆距离L4，计算公式为L4=sin（a）*L3；

判断模块，用于比较主轴偏摆距离L4是否超过预设最大偏摆距离，若大于等于预设最大偏摆距离，则发出警报和控制五轴联动机床停机的指令。

进一步地，还包括补偿模块，若主轴偏摆距离L4大于0且小于预设最大偏摆距离，则执行所述补偿模块，所述补偿模块具有：

第三计算模块，用于计算主轴补偿距离L5，计算公式为L5=L4/tan（（180-a）/2）；

发送模块，用于发送主轴控制指令，所述主轴控制指令用于驱动主轴延伸L5的距离。

进一步地，还包括补偿修正模块，所述补偿修正模块用于补偿修正参数H的计算，计算公式为H=（1-L1/L2），最终的修正补偿距离为L6，L6的计算公式为L6=L5*H。

第三方面，本发明提供了一种五轴联动机床水平度监控系统，包括：

数控机床，所述数控机床具有平行间隔设置的左侧腿、右侧腿、设置在所述左侧腿和右侧腿顶部的横梁、可横向滑动设置在所述横梁上的鞍座和可竖向滑动设置在所述鞍座上的滑枕，所述滑枕底部连接有五轴转头以及和所述五轴转头连接的主轴；

距离传感器，设置在所述主轴两侧，用于实时检测高度变化；

控制器，与距离传感器以及数控机床连接，用于接收并处理所述距离传感器的距离并控制所述数控机床；

所述控制器根据所述距离传感器的数据计算所述主轴偏摆距离L4，当所述主轴偏摆距离大于预设最大偏摆距离时，所述控制器控制所述数控机床发出警报并停机，所述主轴偏摆距离L4的计算公式为L4=sin（a）*L3；

其中，a为横梁与水平面的夹角，a的计算公式为a=arctan（L1/L2），L1为两传感器之间的差值，所述差值为两传感器测量的横梁距离地基的高度差值，L2为两传感器之间的距离，L3为主轴端面至滑枕和横梁结合点的距离。

进一步地，所述控制器在主轴偏摆距离大于0且小于预设偏摆最大距离时，还用于控制主轴补偿，主轴补偿距离L5的计算公式为L5=L4/tan（（180-a）/2）。

进一步地，所述控制器在进行主轴补偿时，还用于计算补偿修正参数H并补偿距离的修正，所述补偿修正参数H的计算公式为H=（1-L1/L2），且修正补偿距离L6的计算公式为L6=L5*H。

第四方面，本发明还提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机程序，所述程序当被处理器执行时使所述处理器执行如第一方面所述的方法。

本发明的有益效果为：本发明通过在主轴两端设置的距离传感器实时监测主轴两端高度的变化，通过建立数学模型，实时计算出主轴的摆动距离，并以机床说明书上主轴最大偏摆距离作为报警阈值进行实时监测，若超出最大水平偏摆距离则发出警报并停机，与现有技术相比，通过自动检测报警和停机的方式，避免机床水平变化大时对机床的损伤或者加工报废，提升了机床的使用寿命和附加经济价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中五轴联动机床水平度监控系统中机床的结构示意图；

图2为本发明实施例中五轴联动机床水平度监控系统中机床横梁倾斜时的结构示意图；

图3为本发明实施例中五轴联动机床的横梁倾斜时的数学模型图；

图4为本发明实施例中五轴联动机床水平度监控系统的控制原理图；

图5为本发明实施例中五轴联动机床水平度监控方法的步骤流程图；

图6为本发明实施例中五轴联动机床水平度监控装置的架构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明实施例为了解决现有机床水平度难以控制的问题，提供了在机床横梁两侧安装距离传感器检测高度并进行实时检测报警的方案，具有水平极限超差预警功能，避免机床水平变化大时对机床损伤或用户加工报废，通过水平实时监控对五轴联动机床的精度保持、综合性能提高能起到至关重要的作用，为了便于理解和描述，本发明实施例从如图1至图4所示的五轴联动机床水平度监控系统开始描述，该系统包括数控机床、距离传感器和控制器，其中：

如图1所示，数控机床10具有平行间隔设置的左侧腿11、右侧腿12、设置在左侧腿11和右侧腿12顶部的横梁13、可横向滑动设置在横梁13上的鞍座14和可竖向滑动设置在鞍座14上的滑枕15，滑枕15底部连接有五轴转头16以及和五轴转头16连接的主轴17；在具体工作时，横梁13在左侧腿11和右侧腿12的前后方向运动，鞍座14在横梁13上左右移动，滑枕15与五轴转头16以及主轴17一体在鞍座14上上下运动，构成机床结构的主体；

距离传感器20设置在主轴17两侧，用于实时检测高度变化；这里需要指出的是，在本发明实施例中，将高精度距离传感器20安装在横梁13与左侧腿11、右侧腿12连接处导轨上的滑块上，当然本领域技术人员在本实施例的基础上也可以将距离传感器20固定在横梁13的两端位置处；

如图2所示，当主轴17倾斜时，本发明实施例中建立如图3中所示的关于横梁13倾斜角度的数学模型，其中A点表示左侧腿11上的距离传感器20的位置，B点表示横梁13倾斜时右侧腿12上的距离传感器20的位置，C点表示横梁13未倾斜时右侧腿12上的距离传感器20的位置，D点表示滑枕15与横梁13的结合点，E点表示横梁13倾斜时主轴17端面所在的位置，F点表示横梁13倾斜后期望的主轴17端面所在位置；L1代表横梁13水平度变化时两距离传感器20之间的高度差值，L2代表两距离传感器20之间的跨距距离，L3代表主轴17端面与滑枕15与横梁13结合点的距离，此距离随着主轴17的伸缩而变化，可以通过机床上的数据直接计算得到，L4为E与F之间的垂直距离，在此范围内执行水平偏差误差计算；

控制器30与距离传感器20以及数控机床10连接，用于接收并处理距离传感器20的距离并控制数控机床10；

控制器30根据距离传感器20的数据计算主轴17偏摆距离L4，当主轴17偏摆距离大于预设最大偏摆距离时，控制器30控制数控机床10发出警报并停机，主轴17偏摆距离L4的计算公式为L4=sin（a）*L3；

其中，a为横梁13与水平面的夹角，由于tan（a）=L1/L2，因此a的计算公式为a=arctan（L1/L2），L1为两传感器之间的差值，该差值为两传感器测量的横梁距离地基的高度差值，L2为两传感器之间的距离，L3为主轴17端面至滑枕15和横梁13结合点的距离。又由于主轴17与横梁13垂直，所以可以根据L3以及角度a计算出来L4的数据，根据L4与机床上设定的主轴17预设最大偏摆距离，计算出来主轴17的偏摆是否超范围，如果超范围则控制器30控制机床发出警报并停机，从而实现了对机床的保护。这里需要指出的是，在实际运行时，横梁13的倾斜程度并没有图2中显示的那么大，只是借助于该数学模型进行计算和判定，通过上述数学模型的建立和主轴17偏差距离的计算，实现了对机床的保护，避免了机床水平偏差大时对机床的损伤，提高了机床的使用寿命。

进一步地，在本发明实施例中，由于主轴17自身具有的重力会使得主轴17在横梁13倾斜时朝下进行一定程度的偏摆，虽然避免倾斜过大可以起到的保护作用，但主轴17的倾斜必然会导致加工的误差存在，为了提高加工的精度，本发明实施例还对主轴17的长度进行一定程度的补偿；具体如图3和图4中所示，在图3中的L5即为主轴17的计算补偿距离，控制器30在主轴17偏摆距离大于0且小于预设偏摆最大距离时，还用于控制主轴17补偿，主轴17补偿距离L5的计算公式为L5=L4/tan（（180-a）/2）。请继续参照图3，由于DE和DF为等距，因此180°减去a的度数就是两个c的角度之和，所以（180-a）/2就得到了角c的度数，再由于tan（c）=L4/L5，因此可以换算得出L5=L4/tan（c），即L5=L4/tan（（180-a）/2），L5即为主轴17的补偿长度；通过上述补偿数据的执行，可以减少当前机床因水平变化引起的精度误差；

此外，在本发明实施例中，虽然在数据范围内进行补偿，但水平倾斜的角度越大，则可能导致补偿数据的精度越差，因此，本发明实施例中还根据倾斜角度对补偿数据进行修正，使得倾斜角度越大，补偿的数据越小，具体如图3和图4中所示，控制器30在进行主轴17补偿时，还用于计算补偿修正参数H并补偿距离的修正，补偿修正参数H的计算公式为H=（1-L1/L2），且修正补偿距离L6的计算公式为L6=L5*H。这里需要指出的是，在本发明实施例中，最终执行的补偿数据是指L6，通过上述方式，既能够保证实现对机床的保护，又可以在一定程度上抵消因为倾斜导致的误差，从而提高了机床的控制精度，延长了机床的使用寿命。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为系统、方法、装置或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、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。

下面对本申请实施例中提供的一种五轴联动机床水平度监控方法进行介绍，这里需要指出的是，下文描述的扫码登录方法与上文中的监控系统相互对应，本领域技术人员根据上文描述应当知道数学模型的建立过程以及判定处理方式；

如图5中所示的五轴联动机床水平度监控方法，应用于在横梁两端处安装了距离传感器的五轴联动机床上，包括以下步骤：

S10：获取两传感器之间的差值L1，两传感器用于检测横梁距离地基的高度；

S20：获取两传感器之间的间距L2以及主轴端面至滑枕和横梁结合点的距离L3；

S30：计算横梁与水平面的夹角a，计算公式为a=arctan（L1/L2）；

S40：根据计算出的横梁与水平面的夹角a，计算主轴的偏摆距离L4，计算公式为L4=sin（a）*L3；

S50：比较主轴偏摆距离L4是否超过预设最大偏摆距离，若大于等于预设最大偏摆距离，则发出警报和控制五轴联动机床停机的指令。

在本发明的一种实施例中，若主轴偏摆距离L4大于0且小于预设最大偏摆距离，则执行补偿控制，补偿控制包括以下步骤：

计算主轴补偿距离L5，计算公式为L5=L4/tan（（180-a）/2）；

发送主轴控制指令，主轴控制指令用于驱动主轴延伸L5的距离。

在本发明的一种实施例中，在进行补偿控制时，还包括补偿修正参数H的计算，计算公式为H=（1-L1/L2），最终的修正补偿距离为L6，L6的计算公式为L6=L5*H。

下文中对本发明实施例中的一种五轴联动机床水平度监控装置进行介绍，下文描述的装置与上文中的方法可相互对应参照，相关模块均设置于中，请参照图6，图6为本申请实施例所提供的一种五轴联动机床水平度监控装置，应用于在横梁两端处安装了距离传感器的五轴联动机床上，包括：

第一获取模块100，用于获取两传感器之间的差值L1，两传感器用于检测横梁距离地基的高度；

第二获取模块200，用于获取两传感器之间的间距L2以及主轴端面至滑枕和横梁结合点的距离L3；

第一计算模块300，用于计算横梁与水平面的夹角a，计算公式为a=arctan（L1/L2）；

第二计算模块400，用于根据计算出的横梁与水平面的夹角a，计算主轴的偏摆距离L4，计算公式为L4=sin（a）*L3；

判断模块500，用于比较主轴偏摆距离L4是否超过预设最大偏摆距离，若大于等于预设最大偏摆距离，则发出警报和控制五轴联动机床停机的指令。

在本发明的一种实施例中，还包括补偿模块，若主轴偏摆距离L4大于0且小于预设最大偏摆距离，则执行补偿模块，补偿模块具有：

第三计算模块600，用于计算主轴补偿距离L5，计算公式为L5=L4/tan（（180-a）/2）；

发送模块，用于发送主轴控制指令，主轴控制指令用于驱动主轴延伸L5的距离。

在本发明的一种实施例中，还包括补偿修正模块700，补偿修正模块700用于补偿修正参数H的计算，计算公式为H=（1-L1/L2），最终的修正补偿距离为L6，L6的计算公式为L6=L5*H。

下面对本申请实施例中提供的一种计算机存储介质进行介绍，下文描述的计算机存储介质与上文描述的方法可相互对应参照；

本发明实施例还提供了一种计算机存储介质存储有计算机程序，程序当被处理器执行时使处理器执行如上述五轴联动机床水平度监控方法。

由于计算机存储介质部分的实施例与上述五轴联动机床水平度监控方法部分的实施例相互对应，因此计算机存储介质部分的实施例请参见五轴联动机床水平度监控方法部分的实施例的描述，这里不再赘述。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种五轴联动机床水平度监控方法，应用于在横梁两端处安装了距离传感器的五轴联动机床上，其特征在于，包括以下步骤：

获取两传感器之间的差值L1，所述差值L1为两传感器测量的横梁距离地基的高度差值；

获取两传感器之间的间距L2以及主轴端面至滑枕和横梁结合点的距离L3；

计算横梁与水平面的夹角a，计算公式为a=arctan（L1/L2）；

根据计算出的横梁与水平面的夹角a，计算主轴的偏摆距离L4，计算公式为L4=sin（a）*L3；

比较主轴偏摆距离L4是否超过预设最大偏摆距离，若大于等于预设最大偏摆距离，则发出警报和控制五轴联动机床停机的指令。

2.根据权利要求1所述的五轴联动机床水平度监控方法，其特征在于，若主轴偏摆距离L4大于0且小于预设最大偏摆距离，则执行补偿控制，所述补偿控制包括以下步骤：

计算主轴补偿距离L5，计算公式为L5=L4/tan（（180-a）/2）；

发送主轴控制指令，所述主轴控制指令用于驱动主轴延伸L5的距离。

3.根据权利要求2所述的五轴联动机床水平度监控方法，其特征在于，在进行补偿控制时，还包括补偿修正参数H的计算，计算公式为H=（1-L1/L2），最终的修正补偿距离为L6，L6的计算公式为L6=L5*H。

4.一种五轴联动机床水平度监控装置，应用于在横梁两端处安装了距离传感器的五轴联动机床上，其特征在于，包括：

第一获取模块，用于获取两传感器之间的差值L1，所述差值L1为两传感器测量的横梁距离地基的高度差值；

第二获取模块，用于获取两传感器之间的间距L2以及主轴端面至滑枕和横梁结合点的距离L3；

第一计算模块，用于计算横梁与水平面的夹角a，计算公式为a=arctan（L1/L2）；

第二计算模块，根据计算出的横梁与水平面的夹角a，计算主轴的偏摆距离L4，计算公式为L4=sin（a）*L3；

判断模块，用于比较主轴偏摆距离L4是否超过预设最大偏摆距离，若大于等于预设最大偏摆距离，则发出警报和控制五轴联动机床停机的指令。

5.根据权利要求4所述的五轴联动机床水平度监控装置，其特征在于，还包括补偿模块，若主轴偏摆距离L4大于0且小于预设最大偏摆距离，则执行所述补偿模块，所述补偿模块具有：

第三计算模块，用于计算主轴补偿距离L5，计算公式为L5=L4/tan（（180-a）/2）；

发送模块，用于发送主轴控制指令，所述主轴控制指令用于驱动主轴延伸L5的距离。

6.根据权利要求5所述的五轴联动机床水平度监控装置，其特征在于，还包括补偿修正模块，所述补偿修正模块用于补偿修正参数H的计算，计算公式为H=（1-L1/L2），最终的修正补偿距离为L6，L6的计算公式为L6=L5*H。

7.一种五轴联动机床水平度监控系统，其特征在于，包括：

数控机床，所述数控机床具有平行间隔设置的左侧腿、右侧腿、设置在所述左侧腿和右侧腿顶部的横梁、可横向滑动设置在所述横梁上的鞍座和可竖向滑动设置在所述鞍座上的滑枕，所述滑枕底部连接有五轴转头以及和所述五轴转头连接的主轴；

距离传感器，设置在所述主轴两侧，用于实时检测高度变化；

控制器，与距离传感器以及数控机床连接，用于接收并处理所述距离传感器的距离并控制所述数控机床；

所述控制器根据所述距离传感器的数据计算所述主轴偏摆距离L4，当所述主轴偏摆距离大于预设最大偏摆距离时，所述控制器控制所述数控机床发出警报并停机，所述主轴偏摆距离L4的计算公式为L4=sin（a）*L3；

其中，a为横梁与水平面的夹角，a的计算公式为a=arctan（L1/L2），L1为两传感器之间的差值，所述差值为两传感器测量的横梁距离地基的高度差值，L2为两传感器之间的距离，L3为主轴端面至滑枕和横梁结合点的距离。

8.根据权利要求7所述的五轴联动机床水平度监控系统，其特征在于，所述控制器在主轴偏摆距离大于0且小于预设偏摆最大距离时，还用于控制主轴补偿，主轴补偿距离L5的计算公式为L5=L4/tan（（180-a）/2）。

9.根据权利要求7所述的五轴联动机床水平度监控系统，所述控制器在进行主轴补偿时，还用于计算补偿修正参数H并补偿距离的修正，所述补偿修正参数H的计算公式为H=（1-L1/L2），且修正补偿距离L6的计算公式为L6=L5*H。

10.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质存储有计算机程序，所述程序当被处理器执行时使所述处理器执行如权利要求1-3任一项所述的方法。

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