CN1308741A - 用于在数控机床上补偿静态误差的方法和系统 - Google Patents

用于在数控机床上补偿静态误差的方法和系统 Download PDF

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Abstract

用于在数控机床上完成静态误差补偿的一个系统和一种方法被说明。该方法包括如下步骤:将一个测量激光装置(5)连接到一台数控机床(1)上;自动地将机床(1)的0点发送到激光装置(5);将采用机床(1)m测量点的指令从控制装置(3)发送到激光装置(5);自动地检测测量点并从激光装置(5)发送合并的数据给控制装置(3);生成机床(1)的静态误差模型;根据所述的生成模型执行静态误差补偿。

Description

用于在数控机床上补偿静态误差的方法和系统
本发明涉及在通用机械上，尤其是数控机床上实现静态误差补偿的方法和系统。可以应用本发明的其它种类机械例如是测量设备、各种铣床、电浸蚀设备、等离子加工设备和喷水加工设备。
数控机床在通过充分的校正运行安装之后，在某一段运行之后，显示的加工位置已不再对应于由机载控制所提供的那些加工位置。这些位置误差不是由于机床上传输系统的错误运行，而是由于机床车身错误的几何形状、装配误差、或者象在运行期间基座下沉、损坏、碰撞等其它原因所造成。由于在控制所要求的位置和机床所到达的实际位置之间的这些偏差，有必要进行机床的重新校正以使机床恢复到安装时的“理想”初始状态。
然而，迄今为止，这些重新校正很少实现，因为它们需要使用昂贵的测量仪器。因此，它们的应用已被局限于其中最终的产品成本和需要的精度容许其应用的领域，例如航空和航海发动机领域。
对于校正测量，在现有技术中一个理论上可能的交换是使用一个激光干涉仪，这是一台成本低廉的仪器。然而，由于这些重新校正需要进行大量的测量(大约数千次)，对于每次测量干涉仪必须使用大约半个小时以便激光束对准反射镜，因此要重新校正一台机床需要几个月时间。
因此，在现有技术中目前没有合适的装置或系统使重新校正的机床能实现所谓的静态误差补偿(SEC)。
本发明的目的是通过一个简单、快速和低廉的程序提供使静态误差补偿(SEC)应用于通用机械，尤其是数控机床的一种方法和一个系统，来解决前面的技术问题。
如从下列说明将变得清楚的本发明的上述目的和其它目的及优点借助于一种方法和一个系统被获得，以实现如权利要求1和5所分别要求的SEC；本发明的最佳实施例和变型在从属权利要求中被要求。
本发明通过作为非限制性的实例给出的一些最佳实施例，根据附图，被更好地说明，其中：
图1是根据本发明系统的一个最佳实施例的框图；
图1A是图1中实施例的更详细的框图；
图2是图1中系统的测量激光装置的透视剖视图；
图3是数控铣床的前透视图，它可能是本发明系统的一部分；及
图4表示在本发明的方法中利用的误差矩阵的应用实例。
根据图1，要执行静态误差补偿(SEC)的系统的一个实用的实施例被表示。在图1中，参考数字1表示一台传统类型的数控机床，3表示作用于机床1以便控制它的运行的控制装置，而5表示安装在数控双旋光头上的测量激光装置。这个高层图可以通过在图1A中的排列更详细地被表示；其中参考数字1表示传统类型的数控机床；3表示作用于机床1以便控制它的运行的控制装置；3’表示在控制装置3内部的一个静态误差补偿模块；4表示在控制装置3和第二测量系统5之间的一个接口，测量系统5通常包括安装在数控双旋光头上的一个测量激光装置。测量激光装置5通过模块4被连接到控制装置3，通过它交换涉及本发明方法的信息和数据。
就在本文件中使用的术语来说，根据图1A，SEC补偿模块3使用所谓的“误差模型”，即“一个空间网格的体元(voxel)”(将在下文叙述的术语)和与此相关联的相关误差，以便在目前的机床1的位置产生误差(补偿步骤)。
相反，接口4使用所谓的“误差表格”，即需要创造所谓的“误差矩阵”根据由三对参考值描述的它的自由度用于检验的机身位置的一个数据表格。而术语“误差矩阵”意味着根据从坐标系描述的机体的刚性旋转转换误差(也见图4)表示自由度的一个矩阵，该坐标系符合Denavit和Hartemberg协定。这样的矩阵仅在它目前的位置根据从上述的三个局部参考值所描述的自由度描述上述机身状态。
因此，如上面所见的，接口4对于每个轴线位置(实际上只为将来体元(voxels)的顶点(vertexes)使用误差表格计算用于每个Denavit和Hartemberg参考系统的误差矩阵。通过在本文献中所述的程序(由动态的Denavit和Hartemberg理论得出)它建立了用于那些确定的轴线位置的机床的总静态误差。用这种方式，它在下面将被叙述的校正或误差模型的产生步骤中建立了误差模型。
图2是发明的系统中测量激光装置5的透视剖视图。所示的装置5是由Leiea AG公司制造的LTD500型装置，而其它的等效装置，不仅在操作原理方面(例如，基于光度学原理的系统)而且在形态方面(远程非接触传感器)，可在市场上购买的装置可同样有效地应用。测量激光装置5实际上包括在图2中被表示的与装置5分开的反光镜7，因为它被放在要被测量的物体上。在检验时，反光镜7被放在机床1的工具卡头9上。装置5进一步包括，包含由发动机11操纵以便绕图2中的第一轴线A旋转的编码器9’的测量头8，和由发动机15操纵以便绕垂直于第一轴线A的第二轴线B旋转的编码器13。进一步还提供有位置检测器17，光束分离器19，干涉仪21和绝对距离仪23。上面提到的元件对于所示的产品是标准的并且它们的运行只是简短地被叙述，用于更好地理解本发明。
装置了使用它自己的测量头8绕与倾斜的镜19相耦合的二个轴线A和B旋转：坐标通常基于极点确定方法，即激光束的方向和测量头8与反光镜7之间的距离一起被测量。这些测量通过一台内部计算机(未表示)以直到1000次/秒的速度被进行并被转换成更普通的笛卡尔坐标。激光束沿着它的传输路径直接向后反射到激光头8上，只要反射器7不移动。当反射器7移动时，发射的激光束已不再撞击反射器7的光学中心。相反，反射的光束根据滑动速度跟随平行路径。这个平行移动在位置检测器17上(包括在测量头8内部的二维位置传感的光电二极管)通过电压测量被确定并且它被分解成为由干涉仪21完成的距离测量。为倾斜的反光镜19计算的角度修正值被转换成角度信号并发送到电机11，15的放大器(未表示)以便使激光束重新指向反射器7的中心。这个计算每秒进行3000次，能进行任何路径的连续跟踪。由于反光镜7以平行于反射器7的移动角度移动激光束，因此最大跟踪速度不受距离很大影响。类似于通常所有的干涉仪，没有绝对的距离可以被确定。有可能只确定距离的变化-即反射器7移向测量头8多远或移开多远。为了获得需要的绝对距离的测量以确定极点，测量必须总是以在其绝对距离是已知的一个点上(在本发明中这个点被称为“零点”)定位的反射器7开始。干涉仪21的计数脉冲随后从这个开始距离加或减以执行测量。
图3是本发明可以以非限定的方式作用于其上的数控机床1的简要透视图。要被表示的机床1是由本发明的申请人改进型的铣床，此外连接的控制装置3(带有相关的视频显示器25、键盘27和按钮面板29)，已知的元件例如铣床卡头9，主轴31和一对防护门33一起被表示。图3中所示的机床1是已知结构和运行的机床并且在此将不做进一步的叙述。
根据本发明由上文所讨论的系统实行的方法现在特别参照图1A将详细叙述。
首先通过模块4将测量激光装置5连接到机床1的控制装置3，此后，机床1的零点通过模块4从控制装置3传输到测量激光装置5被自动地完成，以便使它如上文所提到的，通过测量来运行。
然后，一个指令被发送以获取机床1从控制装置3到测量激光装置5的测量点：在这个测量点上和被有效地表示的其它点上，对应的控制将在测量值和存储值之间进行，以完成将来可能的校正(就是静态误差)。
通过得到n次的数值(这里n缺省值为500)和传递由此得到的平均值和标准偏差(数据修正和分散的最佳指数)，测量激光装置5随后完成上述测量点的自动检测。如果标准偏差太高，这意味着测量不稳定并且必须通过消除不稳定原因(特别是振动)或增加取值次数n被重复进行。
每个角度自动获取最多在等于4.5÷5秒时间内完成。
一旦具有统一的测量点，测量激光装置5将关于这个点的数据通过模块4发送到控制装置3。
前面的发送指令以取得这个点，自动地检测和发射测量数据m次的步骤对于他们来说所必需的多个点被重复进行以进行正确而有效的测量。参数m取决于机器的尺寸和要被采样的误差的弯曲度。
当控制装置3具有可获得的所需要的m测量数据时，它继续产生机床1的静态误差模型；通过这个一旦确定的模型，将有可能完成静态误差补偿(SEC)。
要完成上述的方法，控制装置3包括目前通过以C语言编写的软件程序所开发的一套算法，它能完成：
-机床的校正(建立)；及
-机床的静态误差补偿，就是其值不受外部因素影响的那些误差的补偿。
就校正而言，如已看到的，下列内容被用于数控程序的组合中：机载测量系统和所谓的“第二绝对测量系统”，即测量激光装置5，其中由干涉仪21发射的和由双旋转头8定向的激光束，在平行于放在机床1上代替机床的反射镜7的倾角(incidence)的方向上被反射。绝对距离的资料(借助于干涉计的光束)和双旋光头8的定位角度是必要和充分条件以确定放在机床旁边的反射器7的绝对位置。
用上述数据，软件校正程序被启动，它包括下列步骤：
-确定一套小立方体单元的尺寸(从用于图像的常用术语“象元”(pixel)类推，本文下面称作“体元”(“voxel”))：基于已知的快速傅立叶变换器(FFT)技术的程序确定用其靠模机床的运行被描述的最小体元尺寸；这可以是机床轴线位置函数的一个值；
-获取静态误差；
-采集用于机床1的工作体积已被分成的所有体元顶点的静态误差值。
该静态误差获取程序又被分成下列步骤：
-将参考指令从模块4中的校正软件发到机床1的控制装置3；
-在机床1定位后，借助测量装置5的校正软件命令执行测量循环；
-在测量结束时，借助校正软件，获取来自机床1上的测量系统和来自测量装置5的测量值；
-记录，在前面的步骤中作为相对于机床1的控制装置3的预先控制参考值的静态误差值，所测量的值之间的差；
-发出相对于新参考值的指令。
如所能见到的，校正软件在这个步骤中实际上完成了预先指出的方法步骤。
该目的在于建立误差模型，即获得用于所有体元顶点，包括描述机床工作区域的空间网格的静态误差值。
要做到这点，在校正程序中，用于体元顶点的静态误差值的收集，作为一种交换，或通过检测在机床1的工作范围内所有体元顶点的这些值，或通过应用下列策略，被完成：
-总是通过上面的检测循环，仅获取足够点数的静态误差值，用这样一种方式收集需要的信息以了解每个单一机床轴线的运行情况。
因此理论基础是控制装置3根据理想的笛卡儿运动控制机床1。实际上每个轴上装有更复杂的运动，因为它包括几何误差(见图4)。因此目标是了解每个轴的真实运动状态(机器的自由度)(及随后的真实旋转转换(图4))并动态地控制它们以重建机床在任意位置假设的误差，其中它引导“该机床”(或工艺驱动器)。
这个方案的发展具有了在定向机器人运动问题的解决方案的数学理论方面的基础，基于Denavit和Hartemberg方法(1955)，能将由用于机床1的某一轴局部三数组(三个参考值)所描述的每一个点，通过在对于该轴的局部三数组链之间的矩阵乘积，转换成绝对参考系统。通过将每个局部三数组与参考的该轴的自由度相结合，有可能通过这组矩阵的乘积去描述从任何一个这样的三数组所描述的任何点的运动。本下文中一个简明的应用例子将为Denavit和Hartemberg方法所提供，假设三数组j-1和三数组j分别作为带有它们的自由度的轴j-1和轴j整体的局部参考系统。用这些假设，三数组j的位置可以借助三数组j-1通过能由下列矩阵被说明的一个矢量所描述：变换矩阵j→j-1 cos ( θ j ) - sin ( θ j ) · cos α j sin ( θ j ) · sin ( α j ) a j · cos ( θ j ) sin ( θ j ) cos ( θ j ) · cos ( α j ) - cos ( θ j ) · sin ( α j ) a j · sin ( θ j ) 0 sin ( α j ) cos ( α j ) d j 0 0 0 1 这里θ是j的自由度。
通过预相乘说明关于三数组j所描述的一个点的位置的矢量，用于变换矩阵j→j-1，获得说明由三数组j-1所描述的这个点的位置的一个矢量。这组变换矩阵的乘积能通过再上升成为被检验的运动链使一个局部的参考值变换成一个总的参考值。
随后，靠模机床运行状态被说明，通过插入，将误差组合到上面那组乘积，将机床点在每个矩阵变换之前变换成一个“误差矩阵”的绝对参考系统，误差矩阵说明由轴的移动所产生的静态误差，由其所述的矩阵为上述轴(或自由度)的某一位置所联结。
在一种与变换矩阵的相同的方式中，误差矩阵取决于它参考的轴的位置值，它设法只说明轴的旋转转换误差。如前面所提到的，只有必要点的测量适于提供必要的信息以了解每单个机床轴的运行状态，通过这种方法，能够计算在机床工作区域的任何点和在体元顶点的静态误差值。
根据图4，将更详细地说明怎样对每个自由度位置，能创立/组合误差矩阵。如已叙述的误差矩阵就是，根据预定的参考系统，在根据一自由度的某一预定位置上要说明装有该自由度的机体旋转转换误差的那组必要信息。根据Denavit和Hartemberg协议，适合定位的参考系统描述和描述了检验的机身的自由度。根据这个机体的位置，误差矩阵产生了。要产生误差矩阵的必要信息包含于一个误差表格。
如图4所示，所表示的机体装有由在图中表示的局部三数组所说明和描述的一个自由度。局部三数组的z轴识别该自由度。Dy和Dz表示用于这个机体的静态误差。这些误差是高度z的函数。明显地，也存在一个Dz，未在图中表示。
在高度Z有确定的点数，这个误差的资料能够填入误差表格，象在表I中：
表I
位置(Z值) Dx  Dy  Dz  Da  Db  Dc
“误差参考的位置” “如前面所提到的”   “如前面所提到的”   “如前面所提到的”   根据X轴的角位置误差   根据y轴的角位置误差   根据z轴的角位置误差
… …   …   …   …   …    …
已知高度Z能在误差表格中搜索必要的信息以根据涉及自由度的局部三数组重建检验机体的真实位置。
这些信息通过Denavit和Hartemberg协议被转换成矩阵。因此，误差矩阵相对于检验机身的目前的Z位置被创建。
通过预相乘所获得的用于变换矩阵的误差矩阵，能在绝对参考系统中变换误差。这个变换能进一步根据角度误差考虑轴线位置的杠杆作用。
通过这个程序，然后能说明在一个开放的运动链中的误差。用于那个功能的必要条件就是用于单一轴线的单一误差矩阵仅说明关于这个轴的误差，也就是好象机床的其它自由度没有误差。换句话说，这是运动系统的几何误差分解。用于这个分解的基础是确定误差的原因。
一旦这个是已知的，那么实际上能估算(就是没有执行直接的测量而是简单地采用了前面说明的程序)在机床上的任何位置上的静态误差值。这个程序随后被采用以计算在所有以误差模型(需要在图1中用于补偿步骤的模块3)这样的方式建立的体元顶点中的误差值。
就机床1的静态误差补偿来说，能够完成它的软件程序以这样的方式被建立，以便包括含有在机床1的某一位置上的静态误差值的误差模型；根据这个表格，程序能用足够的速度计算并由此补偿机床的静态误差。补偿速度是足以使补偿模块在一个有用的周期内能够完成静态误差补偿，这样使得根据缺少补偿的情况使机床产生更好的几何运行状态。
根据前面规定的“足够速度”的概念，补偿模块获取机载测量系统的值和根据包含于误差模型中的值处理对应于通过获取提供的目前机床位置的静态误差值。
程序和数据结构如下：误差模块以分别的方式说明机床1在它的工作空间内的误差。因此它在于对于其顶点的一个空间格/栅，机床1的静态误差值是可利用的，如果机载测量系统指出该机床在这个点被定位。随后机床的工作区域“进行分割”成为一组体元，对于所有体元，在八个顶点的误差值如前面提到的可精确的利用。
因此，根据从前面的步骤已知的机床的真实位置，补偿模块搜索包含这个点的体元。一旦这个体元的地址是已知的，它通过线性插入法计算在实际重要的点上的静态误差值，从用于体元顶点的八个可利用的值开始并了解其机床的位置。
最后，滤除操作被执行，以避免在利用补偿的运行状态下突然的变化，并且随后补偿通过使机床1定位在由获取值和预先处理的值(测量位置+误差)的代数和所给定的一个点上的空间内而被完成。

Claims (17)

1.一种用于在机器上，尤其是数控机床上完成静态误差补偿的方法，其特征在于它包括下列步骤：
a.将激光测量装置(5)连接到数控机床(1)的控制装置(3)；
b.将所述机床(1)的0点从所述控制装置(3)自动地发送到所述激光测量装置(5)；
c.将用于所述机床(1)采用的测量点的一个指令从所述控制装置(3)发送到所述的光测量装置(5)；
d.借助所述的激光测量装置(5)自动地检测所述测量点n次之后，从所述点没有变化产生；
e.将由所述的激光测量装置(5)检测的关于所述机床(1)的所述点的数据发送到所述控制装置(3)；
f.对m个测量点重复前面从c)到e)的步骤；
g.生成所述数控机床(1)的静态误差的模型；
h.根据所述的生成模型，执行静态误差补偿(SEC)。
2.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于n通常等于500次。
3.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于m取决于机器尺寸并取决于要被采样的误差的弯曲度。
4.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于所述的自动检测步骤d)在4.5和5秒之间变化的时间内被完成。
5.一种用于在机械上，尤其是数控机床上完成静态误差补偿的系统，其特征在于它包括：
-一个数控机床(1)；
-一个连接到所述机床(1)并适于控制所述机床(1)的运行的控制装置(3)；
-安装在数控双旋光头(8)上的一个激光测量装置(5)，所述的激光测量装置(5)被连接到所述控制装置(3)。
6.如权利要求5所述的一个系统，其特征在于所述数控机床(1)是一台铣床。
7.如权利要求5所述的一个系统，其特征在于所述的激光测量装置(5)实际上包括：
-连接到所述机床(1)的工具卡头(9)的一个反光镜(7)；
-包含由电机(11)以绕第一轴(A)旋转的方式操作的一个编码器(9’)，和由电机(15)以绕垂直于所述第一轴(A)的第二轴(B)旋转的方式所操作的一个编码器(13)的一个测量头(8)；
-一个位置检测器(17)；
-一个光束分散器(19)；
-一个干涉仪(21)；及
-一个绝对距离表(23)。
8.如权利要求5所述的一个系统，其特征在于所述的控制装置(3)包括：
-校正装置；及
-用于所述机床(1)的静态误差补偿装置。
9.如权利要求8所述的一个系统，其特征在于所述的校正装置适于完成下列步骤：
-通过根据FFT技术确定最小体元尺寸的一个程序，确定体元的尺寸，用其机床(1)的几何运行被说明；
-获取静态误差；
-采集用于机床(1)的工作体积已被分成的所有体元顶点的静态误差值。
10.如权利要求9所述的一个系统，其特征在于所述的静态误差获取程序包括下列步骤：
-从一个校正软件发出一个参考指令给机床(1)的控制装置(3)；
-在机床(1)定位之后，借助于校正软件发出执行测量循环的命令给测量装置(5)；
-在测量结束时，借助于校正软件，获取来自机床(1)承载测量系统和来自测量装置(5)的测量值；
-记录在前面的步骤中测量值之间的差作为相对于预先控制的关于机床(1)的控制装置(3)的参考值的静态误差值；及
-发出关于一个新参考值的指令。
11.如权利要求9所述的一个系统，其特征在于用于体元顶点的所述静态误差采集步骤是通过检测用于在机床(1)工作范围内所有体元顶点的这些值来完成的。
12.如权利要求9所述的一个系统，其特征在于用于体元顶点的所述静态误差值采集步骤通过下列步骤被完成：
-获取仅用于足够点数的静态误差值，以这种方式采集必要的信息以了解机床(1)的每单个轴的运行状态；及
-说明机床(1)的几何运行状态。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于部分点的所述值的获取步骤以定向机器人运行问题解决方案的数学理论为基础，并能将由机床(1)的一个轴的局部参考三数组所描述的每个点，通过在对于各个轴的局部三数组链之间的矩阵乘积，变换成绝对参考系统，使每个局部三数组与所参照的轴的自由度相关联的所述理论通过这组矩阵乘积，能够说明由任意一个这样的三数组所描述的任何点的运动。
14.如权利要求13所述的一个系统，其特征在于说明机床(1)的几何运行状态的所述步骤，通过在每个变换矩阵之前将一个误差矩阵插入所述那组乘积以将一个机床点变换成绝对参考系统，被完成，所述的误差矩阵是与所述的变换矩阵相同形式的矩阵并且说明由所述矩阵与其相关联的轴的移动所产生的静态误差，所述的误差矩阵是这样的以便根据所参照的轴线的位置值，说明仅有的轴线旋转转换误差。
15.如权利要求8所述的系统，其特征在于机床(1)的所述静态误差补偿装置包括包含有在机床(1)的预定位置内的静态误差值的一个误差表格，所述的补偿装置能完成下列步骤：
-根据所述的误差表格，计算并随后用这样的补偿速度补偿机床(1)的静态误差，以这样的补偿速度，补偿装置能在有用的时间内完成静态误差的补偿，以便相对于没有补偿的情况产生机床(1)更好的几何运行状态；
-获取机载测量系统的值；
-根据包含于所述误差表格中的值，处理对应于通过获取步骤提供的现有机床位置的静态误差值。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于所述的误差表格以分别的方式说明机床(1)在它的工作体积中的误差，所述的误差表格包括一个空间格/栅，对于其顶点机床(1)的静态误差值是可利用的，如果机载测量系统指出机床在这个点被定位时。
17.如权利要求15所述的系统，其特征在于所述补偿装置能够进一步完成下列步骤：
-使机床(1)的工作区域分成一组体元，误差值可用在所有所述体元的八个顶点；
-根据机床(1)的真实位置，搜索包含这个点的体元；
-通过线性插入法，计算在重要点上的静态误差值，从可用于体元顶点的八个值开始并了解其中机床位置；
-过滤，以便在利用补偿的运行状态下避免突然的变化；以及
-补偿误差，所述的补偿步骤，通过将机床(1)定位在由获取值和预先处理值(测量位置+误差)的代数和所给出的一个点的空间内而被完成。
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