CN114442556B - 一种基于激光干涉原理的机床快速补偿系统及其补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于激光干涉原理的机床快速补偿系统及其补偿方法，其包括触发采集模块、激光干涉测量模块、数据分析及补偿模块和通信模块；触发采集模块接收触发采集指令将编码器位置值转化为脉冲值并传递给激光干涉测量模块，调取数控系统中机床各轴参数信息和补偿点信息，生成机床运行代码和测量准备信号；激光干涉测量模块接受测量准备信号和脉冲值获得误差数据、环境数据和膨胀补偿值；数据分析及补偿模块采集误差数据、环境数据和膨胀补偿值进行分析处理得到精度参数和补偿参数，并通信模块传送到数控系统中。本发明利用激光干涉测量装置和触发采集装置进行机械精度的测量，并且测量效率更高，使测量的精度更为准确和快速。

Description

一种基于激光干涉原理的机床快速补偿系统及其补偿方法
技术领域
本发明涉及数控机床领域，尤其涉及一种基于激光干涉原理的机床快速补偿系统及其补偿方法。
背景技术
目前现有机床测量及补偿设备需要架设于机床外部，需要额外供电电源，架设辅助设备，并且操作者需要反复调光。并且需要操作者设置机床相关参数，补偿相关参数，额外生成机床程序，手动或依靠存储设备传送补偿参数。测量时间长效率低，对人员机床及测量设备操作水平要求较高，无法实现快速。精密测量，容易出现操作及参数读取写入及补偿数值写入错误，并且无法实现机床的定期维护。
发明内容
本发明提供一种基于激光干涉原理的机床快速补偿系统及其补偿方法，以克服需要额外辅助及电源，设备操作繁琐，测量时间长效率低，测量精度差，对操作者要求较高及无法实现机床的定期维护等技术问题
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种基于激光干涉原理的机床快速补偿系统，包括：触发采集模块、激光干涉测量模块、数据分析及补偿模块和通信模块；
所述触发采集模块连接机床编码器、数控系统和激光干涉测量模块；所述触发采集模块接收数控系统发出的触发采集指令将机床编码器位置值转化为脉冲值并传递给激光干涉测量模块，同时所述触发采集模块调取数控系统中机床各轴参数信息和补偿点信息，生成机床运行代码和测量准备信号；
所述激光干涉测量模块包括激光头、环境传感器、温度传感器、光路转向装置、线性干涉镜和线性反射镜；
所述激光头、所述线性干涉镜及所述光路转向装置置于数控机床的各轴的行程末端，激光头接收所述测量准备信号和脉冲值进行激光发射，激光经过线性干涉镜通过光路转向装置将激光分别转向机床X、Y、Z轴，与线性反射镜配合，获得机床X、Y、Z轴的误差数据，环境传感器采集空气温度值、湿度值及大气压力值，并将空气温度值、湿度值及大气压力值传输到激光头中获得环境数据，温度传感器采集机床X、Y、Z轴的材料温度值，并将材料温度值传输至激光头中获得膨胀补偿值；
所述数据分析及补偿模块采集误差数据、环境数据和膨胀补偿值进行分析处理得到精度参数和补偿参数，所述精度参数用于对数控系统进行精度分析，所述补偿参数用于机床进行数据补偿；
所述通信模块连接数控系统及数据分析及补偿模块，通信模块读取数控系统中预设的补偿设置并将数据分析及补偿模块生成的补偿参数和精度参数传送到数控系统中。
在具体实施例中，所述机床各轴参数信息包括机床的X、Y、Z轴的行程参数、机床软限位位置和机床倍率。
一种利用所述的基于激光干涉原理的机床快速补偿系统的补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、数控系统读取机床信息，设置触发采集指令，触发采集模块接收触发采集指令生成机床运行代码和测量准备信号；
步骤2、激光干涉测量模块接收测量准备信号进行测量，调节线性干涉镜和光路转向装置进行轴机械精度测量，得到机床X、Y、Z轴的误差数据，同时获得环境数据和膨胀补偿值；
步骤3、数据分析及补偿模块采集误差数据、环境数据和膨胀补偿值进行分析处理得到第一精度参数和第一补偿参数；
步骤4、数控系统接收第一精度参数和第一补偿参数用于精度分析和数据补偿。
在具体实施例中，所述步骤1具体为：
步骤1.1、数控系统读取机床信息，设置触发采集指令；
步骤1.2、触发采集模块接收触发采集指令调取数控系统中机床各轴参数信息和预设的补偿点信息，根据机床各轴参数信息和补偿点信息的数据间隔、数据起始点获得机床运行代码和测量准备信号；
步骤1.3、机床运行代码输入到数控系统中等待运行，同时调取线性反射镜；
步骤1.4、运行机床运行代码，激光干涉检测模块接收测量准备信号；
步骤1.5、触发采集模块采集机床编码器位置值，并转化为脉冲值并传递给激光干涉测量模块。
在具体实施例中，所述步骤2具体为：
步骤2.1、调节光路转向装置和线性反射镜光路，进行轴机械精度测量；
步骤2.2、根据测量轴的类型、机床的类型和型号调整光路转向装置将激光转向测量轴，进行光束调整；
步骤2.3、激光干涉检测模块根据测量准备信号与脉冲值进行检测得到误差数据、环境数据和膨胀补偿值；
步骤2.4、存储误差数据、环境数据和膨胀补偿值，等待数据分析及补偿模块进行分析。
在具体实施例中，所述步骤3中数据分析及补偿模块采集误差数据、环境数据和膨胀补偿值，并与预设的参数标准进行分析和对比，得到第一精度参数和第一补偿参数。
在具体实施例中，得到第一补偿参数的过程为：
步骤3.1：误差数据、环境数据和膨胀补偿值进行补偿类型数据处理获得位置偏差数值；
步骤3.2；位置偏差数值进行符号归一化处理获得误差值；
步骤3.3；误差值根据参考点、补偿分辨率及计算类型进行补偿值计算，即第一补偿参数。
在具体实施例中，还包括步骤5，所述步骤5具体为：
步骤5、所述数据分析及补偿模块设置初始评价参数，将第一精度参数、第一补偿参数与初始评价参数进行对比，若超出预设的参数范围则重复步骤1-4获得第二精度参数和第二补偿参数。
在具体实施例中，所述步骤5还包括：利用触发采集模块改变补偿点信息，进而获得第二精度参数和第二补偿参数。
有益效果：本发明利用激光干涉测量装置和触发采集装置进行机械精度的测量，并且测量效率更高，使测量的精度更为准确和快速；增加数据分析及补偿模块将补偿值载入数控系统实现自动化控制。激光干涉测量模块和触发采集模块固定于机床内部，无需反复安装拆卸，使用方便，避免反复安装。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明补偿系统结构示意图；
图2为本发明补偿系统逻辑结构示意图；
图3为应用本发明后的效果图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供了一种基于激光干涉原理的机床快速补偿系统，如图1，包括：触发采集模块、激光干涉测量模块、数据分析及补偿模块和通信模块；
所述触发采集模块连接机床编码器、数控系统和激光干涉测量模块；所述触发采集模块接收数控系统发出的触发采集指令将机床编码器位置值转化为脉冲值并传递给激光干涉测量模块，同时所述触发采集模块调取数控系统中机床各轴参数信息和补偿点信息，生成机床运行代码和测量准备信号；
所述激光干涉测量模块包括激光头、环境传感器、温度传感器、光路转向装置、线性干涉镜和线性反射镜；
根据机床的类型及应用情况可以调整所述激光头、所述线性干涉镜及所述光路转向装置置的位置，可以将激光头、所述线性干涉镜及所述光路转向装置置于数控机床的各轴的行程末端或放置在运动轴的固定位置；激光头接收所述测量准备信号和脉冲值进行激光发射，激光经过线性干涉镜通过光路转向装置将激光分别转向机床X、Y、Z轴，与线性反射镜配合，获得机床X、Y、Z轴的误差数据，环境传感器采集空气温度值、湿度值及大气压力值，并将空气温度值、湿度值及大气压力值传输到激光头中获得环境数据，温度传感器采集机床X、Y、Z轴的材料温度值，并将材料温度值传输至激光头中获得膨胀补偿值；
所述数据分析及补偿模块采集误差数据、环境数据和膨胀补偿值进行分析处理得到精度参数和补偿参数，所述精度参数用于对数控系统进行精度分析，所述补偿参数用于机床进行数据补偿；
所述通信模块连接数控系统及数据分析及补偿模块，通信模块读取数控系统中预设的补偿设置并将数据分析及补偿模块生成的补偿参数和精度参数传送到数控系统中。
在具体实施例中，所述机床各轴参数信息包括机床的X、Y、Z轴的行程参数、机床软限位位置和机床倍率。
同样的目的，如图2所示，本发明还提供一种基于激光干涉原理的机床快速补偿系统的补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、数控系统读取机床信息，设置触发采集指令，触发采集模块接收触发采集指令生成机床运行代码和测量准备信号；
步骤2、激光干涉测量模块接收测量准备信号进行测量，调节线性干涉镜和光路转向装置进行轴机械精度测量，得到机床X、Y、Z轴的误差数据，同时获得环境数据和膨胀补偿值；
步骤3、数据分析及补偿模块采集误差数据、环境数据和膨胀补偿值进行分析处理得到第一精度参数和第一补偿参数；
步骤4、数控系统接收第一精度参数和第一补偿参数用于精度分析和数据补偿。
在具体实施例中，所述步骤1具体为：
步骤1.1、数控系统读取机床信息，设置触发采集指令；
步骤1.2、触发采集模块接收触发采集指令调取数控系统中机床各轴参数信息和预设的补偿点信息，根据机床各轴参数信息和补偿点信息的数据间隔、数据起始点获得机床运行代码和测量准备信号；
步骤1.3、机床运行代码输入到数控系统中等待运行，同时调取线性反射镜；
步骤1.4、运行机床运行代码，激光干涉检测模块接收测量准备信号；
步骤1.5、触发采集模块采集机床编码器位置值，并转化为脉冲值并传递给激光干涉测量模块。
在具体实施例中，所述步骤2具体为：
步骤2.1、调节光路转向装置和线性反射镜光路，进行轴机械精度测量；
步骤2.2、根据测量轴的类型、机床的类型和型号调整光路转向装置将激光转向测量轴，进行光束调整；如龙门结构及加工中心可将激光头、所述线性干涉镜及所述光路转向装置置于各轴的行程末端，单一运动轴或磨床结构可将组件放置于轴的固定位置；
步骤2.3、激光干涉检测模块根据测量准备信号与脉冲值进行检测得到误差数据、环境数据和膨胀补偿值；
其中，误差数据为位置偏差，位置偏差的具体计算公式为：xij＝Pji-Pi；
其中：i为测量运行次数，j为测量次数下的具体目标点，目标位置：Pi(i＝1至m)，实际位置：Pij(i＝1至m，j＝1至n)；
某一位置的单向平均位置偏差为：
某一位置的双向平均位置偏差：
步骤2.4、存储误差数据、环境数据和膨胀补偿值，等待数据分析及补偿模块进行分析。
数据分析及补偿模块根据相关标准进行数据分析及报告生成，进行分析与判断是否需要补偿，例如将采集到的位置偏差数据按照ISO，GB，JIS，ASME及VDI标准进行偏差位置数据分析，分析的数据参数及图像自动保存，供操作人员进行查阅；同时根据提前设置好的参数标准(如：ISO中的定位精度，重复定位精度，反向间隙等)判断系统是否需要补偿。对于超过参数标准且三次补偿后的数据均无法达到标准的情况，系统根据数据进行分析提出可能出现的问题供现场人员进行参考排查，对于超过标准且三次内补偿内的数据发送进行数据补偿。
在具体实施例中，所述步骤3中数据分析及补偿模块采集误差数据、环境数据和膨胀补偿值，并与预设的参数标准进行分析和对比，得到第一精度参数和第一补偿参数。
通讯模块通过RJ45的通讯端口读取数控系统内的预设的参数标准(如：补偿参考点，补偿间隔，补偿起始及终点，补偿方式，补偿类型，计算类型等)；
在具体实施例中，得到第一补偿参数zij或zij↑和zij↓的过程为：
步骤3.1、根据补偿类型得到：标准补偿时位置偏差数值为 双向补偿是数值位置偏差数值分别为xij↑和xij↓
步骤3.2、进行符号规约误差值处理为yij＝xij；或yij↑＝xij↑和yij↓＝xij↓，补偿值时yij＝-xij；或yij↑＝-xij↑和yij↓＝-xij↓
步骤3.3、根据参考点β、补偿分辨率及计算类型计算得到实际的补偿数值。
计算类型为绝对式时：或/>和/>
计算类型为增量式时：或/>和/> 其中，zij为补偿数值，zij↑为正向补偿数值，zij↓为反向补偿数值；
在具体实施例中，还包括步骤5，所述步骤5具体为：
步骤5、所述数据分析及补偿模块设置初始评价参数，将第一精度参数、第一补偿参数与初始评价参数进行对比，若超出预设的参数范围则重复步骤1-4获得第二精度参数和第二补偿参数。当超出预设的参数范围时，代表补偿参数与精度参数不理想，需要第二次获取补偿参数和精度参数并与第一次的补偿参数和精度参数叠加用于数控系统进行验证，以此类推直到符合参数范围。
在具体实施例中，所述步骤5还包括：利用触发采集模块改变补偿点信息，进而获得第二精度参数和第二补偿参数，具体的，根据测量点信息改变补偿点信息，测量点信息包括触发模块从机床中得到的行程信息和人为设置的补偿参数。
如图3所示，本方法在加工中心进行。利用第三方仪器设备进行的实际效果验证，图中为Z轴补偿前及补偿后的位置误差对比，补偿前曲线为实线，补偿后曲线为虚线，按照国际标准ISO 230-22006进行分析补偿前的定位精度为：57.7um；重复精度为：18.3um；定位统偏差为：56um；
利用本方法进行测量及补偿后的定位精度为4.7um；重复精度为：3.1um；定位系统偏差为：3.5um。因此补偿后的机床的各项精度数据有十分明显的改善。
本发明所述的测量精度可达到±0.5PPM，采集速度最高可达4m/s，采样频率最高可达10KhZ。可实现高速，高频率，精准的数据采集。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种基于激光干涉原理的机床快速补偿系统，其特征在于，包括：触发采集模块、激光干涉测量模块、数据分析及补偿模块和通信模块；
所述触发采集模块连接机床编码器、数控系统和激光干涉测量模块；所述触发采集模块接收数控系统发出的触发采集指令将机床编码器位置值转化为脉冲值并传递给激光干涉测量模块，同时所述触发采集模块调取数控系统中机床各轴参数信息和补偿点信息，生成机床运行代码和测量准备信号；
所述激光干涉测量模块包括激光头、环境传感器、温度传感器、光路转向装置、线性干涉镜和线性反射镜；
所述激光头、所述线性干涉镜及所述光路转向装置置于数控机床的各轴的行程末端，激光头接收所述测量准备信号和脉冲值进行激光发射，激光经过线性干涉镜通过光路转向装置将激光分别转向机床X、Y、Z轴，与线性反射镜配合，获得机床X、Y、Z轴的误差数据，环境传感器采集空气温度值、湿度值及大气压力值，并将空气温度值、湿度值及大气压力值传输到激光头中获得环境数据，温度传感器采集机床X、Y、Z轴的材料温度值，并将材料温度值传输至激光头中获得膨胀补偿值；
所述数据分析及补偿模块采集误差数据、环境数据和膨胀补偿值进行分析处理得到精度参数和补偿参数，所述精度参数用于对数控系统进行精度分析，所述补偿参数用于机床进行数据补偿；所述补偿参数包括第一补偿参数，
第一补偿参数zij或zij↑和zij↓的过程为：
步骤3.1、根据补偿类型得到：标准补偿时位置偏差数值为 双向补偿是数值位置偏差数值分别为xij↑和xij↓
步骤3.2、进行符号规约误差值处理为yij＝xij；或yij↑＝xij↑和yij↓＝xij↓，补偿值时yij＝-xij；或yij↑＝-xij↑和yij↓＝-xij↓
步骤3.3、根据参考点β、补偿分辨率及计算类型计算得到实际的补偿数值；
计算类型为绝对式时：或/>和/>
计算类型为增量式时：或/>和/>其中，zij为补偿数值，zij↑为正向补偿数值，zij↓为反向补偿数值；
所述通信模块连接数控系统及数据分析及补偿模块，通信模块读取数控系统中预设的补偿设置并将数据分析及补偿模块生成的补偿参数和精度参数传送到数控系统中。
2.如权利要求1所述的一种基于激光干涉原理的机床快速补偿系统，其特征在于：所述机床各轴参数信息包括机床的X、Y、Z轴的行程参数、机床软限位位置和机床倍率。
3.一种利用如权利要求2所述的基于激光干涉原理的机床快速补偿系统的补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、数控系统读取机床信息，设置触发采集指令，触发采集模块接收触发采集指令生成机床运行代码和测量准备信号；所述步骤1具体为：
步骤1.1、数控系统读取机床信息，设置触发采集指令；
步骤1.2、触发采集模块接收触发采集指令调取数控系统中机床各轴参数信息和预设的补偿点信息，根据机床各轴参数信息和补偿点信息的数据间隔、数据起始点获得机床运行代码和测量准备信号；
步骤1.3、机床运行代码输入到数控系统中等待运行，同时调取线性反射镜；
步骤1.4、运行机床运行代码，激光干涉检测模块接收测量准备信号；
步骤1.5、触发采集模块采集机床编码器位置值，并转化为脉冲值并传递给激光干涉测量模块；
步骤2、激光干涉测量模块接收测量准备信号进行测量，调节线性干涉镜和光路转向装置进行轴机械精度测量，得到机床X、Y、Z轴的误差数据，同时获得环境数据和膨胀补偿值；所述步骤2具体为：
步骤2.1、调节光路转向装置和线性反射镜光路，进行轴机械精度测量；
步骤2.2、根据测量轴的类型、机床的类型和型号调整光路转向装置将激光转向测量轴，进行光束调整；
步骤2.3、激光干涉检测模块根据测量准备信号与脉冲值进行检测得到误差数据、环境数据和膨胀补偿值；
步骤2.4、存储误差数据、环境数据和膨胀补偿值，等待数据分析及补偿模块进行分析；
步骤3、数据分析及补偿模块采集误差数据、环境数据和膨胀补偿值进行分析处理得到第一精度参数和第一补偿参数；所述步骤3中数据分析及补偿模块采集误差数据、环境数据和膨胀补偿值，并与预设的参数标准进行分析和对比，得到第一精度参数和第一补偿参数；
步骤4、数控系统接收第一精度参数和第一补偿参数用于精度分析和数据补偿；
第一补偿参数zij或zij↑和zij↓的过程为：
步骤3.1、根据补偿类型得到：标准补偿时位置偏差数值为 双向补偿是数值位置偏差数值分别为xij↑和xij↓
步骤3.2、进行符号规约误差值处理为yij＝xij；或yij↑＝xij↑和yij↓＝xij↓，补偿值时yij＝-xij；或yij↑＝-xij↑和yij↓＝-xij↓
步骤3.3、根据参考点β、补偿分辨率及计算类型计算得到实际的补偿数值；
计算类型为绝对式时：或/>和/>
计算类型为增量式时：或/>和/>其中，zij为补偿数值，zij↑为正向补偿数值，zij↓为反向补偿数值。
4.如权利要求3所述的一种基于激光干涉原理的机床快速补偿系统的补偿方法，其特征在于：得到第一补偿参数的过程为：
步骤3.1：误差数据、环境数据和膨胀补偿值进行补偿类型数据处理获得位置偏差数值；
步骤3.2；位置偏差数值进行符号归一化处理获得误差值；
步骤3.3；误差值根据参考点、补偿分辨率及计算类型进行补偿值计算，即第一补偿参数。
5.如权利要求3所述的一种基于激光干涉原理的机床快速补偿系统的补偿方法，其特征在于：还包括步骤5，所述步骤5具体为：
步骤5、所述数据分析及补偿模块设置初始评价参数，将第一精度参数、第一补偿参数与初始评价参数进行对比，若超出预设的参数范围则重复步骤1-4获得第二精度参数和第二补偿参数。
6.如权利要求5所述的一种基于激光干涉原理的机床快速补偿系统的补偿方法，其特征在于：所述步骤5还包括：利用触发采集模块改变补偿点信息，进而获得第二精度参数和第二补偿参数。
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