CN206905710U - 螺距误差测量及补偿装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种螺距误差测量及补偿装置及系统，涉及数控检测技术领域，其中，螺距误差测量及补偿装置包括：位移检测装置、数控装置以及测量反馈装置；位移检测装置采集机床工作台的位移信号，并将位移信号发送至数控装置；数控装置根据位移信号以及测量反馈装置所发送的位置反馈信号，生成动态补偿信号。在本实施例所提供的螺距误差测量及补偿装置中，数控装置通过对位移检测装置检测到的位移信号和测量反馈装置发送的信号的综合分析，得到动态补偿信号，以实现机床工作台的在线补偿功能。

Description

螺距误差测量及补偿装置及系统

技术领域

本实用新型涉及数控检测技术领域，尤其是涉及一种螺距误差测量及补偿装置及系统。

背景技术

在数控检测技术领域，目前通常采用激光干涉仪进行螺距误差测量和补偿，如图1所示，A是个人计算机或者笔记本电脑，用于进行必要的数据处理；B是补偿单元；C是激光头；D是干涉镜；E是反射镜；F是可移动部件。其工作原理如下：

首先将反射镜E置于机床的不动的某个位置，让激光头C发出的激光束经过反射镜E形成一束反射光；其次将干涉镜D置于激光头C与反射镜E之间，并置于机床的运动部件F上，形成另一束反射光，两束光同时进入激光头C的回光孔产生干涉；然后根据定义的目标位置编制循环移动程序，通过补偿单元B记录各个位置的测量值(机器自动记录)；最后通过个人计算机A进行数据处理与分析，计算出机床的位置精度。

尽管上述测量方法在行业内被广泛采用，而且测量精度很高，可以分辨出0.1μm长度的变化，但是其主要应用于刚生产出来的新机床或者是刚维修好的旧机床的螺距误差测量，其本质是一种非加工状态下以及无负载条件下的静态误差测量，而在一些特殊的情况下，比如需要在动态情况下，特别是在加工过程中带负载的情况下测量螺距误差和补偿时，该方法就无法满足要求。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种螺距误差测量及补偿装置及系统，能够在数控机床动态工作情况下，或者在加工过程中带负载的情况下，准确地进行螺距误差的测量，并对该误差进行动态补偿。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种螺距误差测量及补偿装置，包括：位移检测装置、数控装置以及测量反馈装置；

位移检测装置采集机床工作台的位移信号，并将位移信号发送至数控装置；

数控装置根据位移信号以及测量反馈装置所发送的位置反馈信号，生成动态补偿信号。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，位移检测装置包括：光栅传感器；

光栅传感器包括：光栅标尺以及光栅读数头；

光栅标尺固定在工作台的被测移动端；

光栅读数头固定在工作台的固定端。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，数控装置包括：加法器以及数学模型分析器；

加法器分别与位移检测装置、测量反馈装置以及数学模型分析器连接；

加法器根据位移检测装置所发送的位移信号以及测量反馈装置所发送的位置反馈信号进行运算，生成偏差信号输出至数学模型分析器；

数学模型分析器对偏差信号进行建模分析，生成动态补偿信号。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，还包括：显示装置；

显示装置分别与位移检测装置以及数控装置连接；

显示装置对位移检测装置所发送的位移信号进行显示，并将位移信号发送至数控装置。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，测量反馈装置包括：光电编码器；

光电编码器与加法器连接，向加法器输入位置反馈信号。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，数控装置还包括：液晶显示屏以及功能按键。

第二方面，本实用新型实施例提供一种螺距误差测量及补偿系统，包括：伺服电机、工作台以及如第一方面所述的螺距误差测量及补偿装置；

伺服电机与螺距误差测量及补偿装置中的数控装置连接；

伺服电机接收数控装置所发送的动态补偿信号，并根据动态补偿信号，驱动工作台转动。

结合第二方面，本实用新型实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，工作台上设置有十字滑台；

十字滑台的运行测量曲线为圆的渐开线。

结合第二方面，本实用新型实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，十字滑台的运行测量方向为顺时针方向或者逆时针方向。

结合第二方面，本实用新型实施例提供了第二方面的第三种可能的实施方式，其中，还包括丝杠；

丝杠分别与伺服电机以及工作台连接。

本实用新型实施例提供的技术方案带来了以下有益效果：本实用新型实施例提供的螺距误差测量及补偿装置中，包括：位移检测装置、数控装置以及测量反馈装置，其中，位移检测装置与数控装置连接，用于采集机床工作台的位移信号，并将位移信号发送至数控装置；数控装置与测量反馈装置连接，数控装置根据上述位移信号以及测量反馈装置所发送的位置反馈信号，生成动态补偿信号。在本实施例所提供的螺距误差测量及补偿装置中，数控装置通过对位移检测装置检测到的位移信号和测量反馈装置发送的信号的综合分析，得到动态补偿信号，以实现机床工作台的在线补偿功能。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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示出了现有技术中采用激光干涉仪进行螺距误差测量和补偿的装置的示意图；

图2示出了本实用新型实施例一所提供的一种螺距误差测量和补偿装置的示意图；

图3示出了本实用新型实施例二所提供的一种螺距误差测量和补偿装置的示意图；

图4示出了本实用新型实施例二所提供的一种螺距误差测量和补偿装置工作原理图；

图5示出了本实用新型实施例三所提供的一种螺距误差测量和补偿系统的示意图；

图6示出了本实用新型实施例三所提供的一种螺距误差测量和补偿系统中十字滑台的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

目前现有的采用激光干涉仪进行螺距误差测量和补偿的方法，虽然测量精度很高，但是其主要应用于刚生产出来的新机床或者是刚维修好的旧机床的螺距误差测量，其本质是一种非加工状态下以及无负载条件下的静态误差测量，而在一些特殊的情况下，比如需要在动态情况下，特别是在加工过程中带负载的情况下测量螺距误差和补偿时，该方法就无法满足要求。

基于此，本实用新型实施例提供的螺距误差测量及补偿装置及系统，能够在数控机床动态工作情况下，或者在加工过程中带负载的情况下，准确地进行螺距误差的测量，并对该误差进行动态补偿。

为便于对本实施例进行理解，首先对本实用新型实施例所公开的一种螺距误差测量及补偿装置进行详细介绍。

实施例一：

本实用新型实施例提供了一种螺距误差测量及补偿装置，参见图2所示，该螺距误差测量及补偿装置包括：位移检测装置11、数控装置12以及测量反馈装置13。

其中，位移检测装置11采集机床工作台的位移信号，并将位移信号发送至数控装置12；数控装置12根据位移信号以及测量反馈装置13所发送的位置反馈信号，生成动态补偿信号。

具体的，在数控机床工作台进行动态工作的过程中，或者带负载的情况下，位移检测装置11实时采集工作台的位移信号，并将该信号发送给数控装置12，数控装置12同时还接收测量反馈装置13所采集的位置反馈信号，数控装置12通过对上述两种信号的综合分析，得到动态补偿信号，作用于驱动工作台转动的伺服电机，以减少螺距间的误差。

在本实施例所提供的螺距误差测量及补偿装置中，数控装置12通过对位移检测装置11检测到的位移信号和测量反馈装置13发送的信号的综合分析，得到动态补偿信号，以实现机床工作台的在线补偿功能。

实施例二：

本实用新型实施例提供一种螺距误差测量及补偿装置，包括：位移检测装置21、数控装置22以及测量反馈装置23。作为一种优选实施方式，参见图3所示，本实用新型实施例中，位移检测装置21包括光栅传感器211，光栅传感器211包括：光栅标尺以及光栅读数头；光栅标尺固定在工作台的被测移动端；光栅读数头固定在工作台的固定端，实时检测工作台的位移信号。

在具体实现的时候，将光栅标尺安装在可移动部件上，将光栅读数头安装在固定部件上，两个部件之间的耦合部分朝下安装，这样可以防止切削中的铁屑飞入，从而避免采集数据的误差，光栅标尺与光栅读数头之间的距离需要控制在1.2μm至1.5μm之间，必要时可以在外部整体安装防护罩，以使两个部件处于安全的工作空间。同时，为了保证光栅标尺与光栅读数头之间的水平度，需要通过千分表进行标定，标定的水平度误差应该控制在每1m控制在0.15mm范围之内，以保证足够的水平度。

此外，本实用新型实施例所提供的螺距误差测量及补偿装置中，还包括显示装置24，显示装置24分别与位移检测装置21以及数控装置22连接；对位移检测装置21所发送的位移信号进行显示，并将位移信号发送至数控装置22。测量反馈装置23包括：光电编码器231；光电编码器231与加法器221连接，向加法器221输入位置反馈信号。

数控装置22具体包括：加法器221以及数学模型分析器222；加法器221分别与显示装置24、光电编码器231以及数学模型分析器222连接；加法器221根据显示装置24所发送的位移信号以及光电编码器231所发送的位置反馈信号进行运算，生成偏差信号输出至数学模型分析器222；数学模型分析器222对偏差信号进行建模分析，生成动态补偿信号。数控装置22还包括：液晶显示屏以及功能按键。

为了动态地测量数控机床十字滑台的定位误差，将光栅传感器211采集的位移信号与光电编码器231采集的位置反馈信号同时接入位于数控装置22特定的加法器221中，通过特定的运算规则，将两者信号进行求偏差，并发送给数学模型分析器222，数学模型分析器222通过建立合适的数学模型对误差的分布情况进行精确地刻画，以曲线形式描述的误差分布情况具有可视性和直观性。进而根据综合分析的结果，生成一个动态补偿信号，对螺距误差进行补偿。

在具体实现的时候，参见图4所示，光栅传感器的光栅标尺1的两端设置有长条形孔，用于固定在机床工作台的被测移动端，光栅读数头2的两端的条形孔，用于将其安装在工作台的固定端，其左端有线路将两者采集的位移信号发送到显示装置4。标号3为光栅标尺1和光栅读数头2两个器件安装时的水平度要求，即要求两者之间在1000mm范围内的水平误差控制在0.15mm范围之内，以确保测量位移信号的精确性。显示装置4包括数码显示器和键盘，与数控装置5连接，通过信号线将光栅传感器采集的位移信号发送到数控装置5，数控装置5设置有液晶屏、功能按键、加法器7以及数学模型分析器8等，光栅编码器采集的位移信号输入到加法器7的输入端①，光电编码器6所采集的位置反馈信号则输入到加法器7的另一个端口②，这两个信号通过加法器7的运算，向与其连接的数学模型分析器8输出偏差信号，数学模型分析器8根据该偏差信号进一步分析工作台当前的定位精度状况，生成动态补偿信号，发送给伺服电机，以实现螺距误差的动态补偿。

实施例三：

本实用新型实施例提供一种螺距误差测量及补偿系统，参见图5所示，该系统包括：伺服电机32、工作台33以及如实施例一或实施例二所述的螺距误差测量及补偿装置31。

其中，伺服电机32与螺距误差测量及补偿装置31中的数控装置311连接；伺服电机32接收数控装置311所发送的动态补偿信号，并根据动态补偿信号，驱动工作台33转动。

为了使测量的结果在所属运动范围内具有典型性，这里对十字滑台的运动轨迹进行了特殊的设计，在本实施例中，工作台上设置有十字滑台；十字滑台的运行测量曲线为圆的渐开线，十字滑台的运行测量方向为顺时针方向或者逆时针方向。系统还包括丝杠；丝杠分别与伺服电机以及工作台连接。

如图6所示，标号1是由X轴和Z轴组成的十字滑台，标号2是十字滑台运行的曲线，即圆的渐开线，这种渐开线的运动比起简单直线和圆具有更好的典型性，所捕捉到的误差信息更具有代表性，可以比较全面地评估十字滑台在运行过程中所产生的定位误差值，为了使测量的数据具有典型性和全面性，实际使用中渐开线采用顺时针和逆时针两种方式形成轨迹。

丝杠是工具机械和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。由于具有很小的摩擦阻力，丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器，在本实施例中，丝杠分别连接伺服电机和工作台。

本实用新型实施例所提供的螺距误差测量及补偿系统，具有以下多种有益效果。

(1)实现工作台的动态定位精度的测量。传统的数控机床工作台的定位精度测量是针对新制造好的机床或者维修好的机床，而且测量的是其静态定位精度，主要测量工具是激光干涉仪，这是一种基础测量方式，符合现有机床的质量检测标准。本实用新型实施例主要侧重于动态测量，即让机床在指定动态曲线(例如圆的渐开线)运行情况下，测量螺距误差测量及补偿装置中光栅传感器采集的位移信号与光电编码器采集的位置反馈信号之间的偏差，以此来考察动态偏差的分布情况，这种情况下可以是带负载的、变速的甚至是变加速度的，其测定的动态条件可以更加宽泛，从而获得以激光干涉仪无法获得的测量效果。

(2)建立数学模型并预测动态偏差的趋势。螺距误差测量及补偿装置中的数学模型分析器，以偏差数据作为基础，建立偏差矩阵，做出散点图，采用高阶多项式拟合的方法求出偏差变化趋势数学模型，通过这个模型可以观察和分析动态偏差在指定坐标范围内的变化情况，例如偏差曲线可能是收敛的、等幅振荡的还是震荡发散的，依据这些情况，需要对定位精度误差进行动态补偿，也就是在数学模型分析器综合分析后，生成一个动态补偿信号发送给伺服电机，以满足工作台在动态切削时应该满足的精度要求。

(3)实现在线补偿的功能。在线补偿功能是针对原有方式中的离线计算补偿功能的一种改进。根据偏差的数学模型所反映出来的偏差趋势变化情况，通过抛物线非等距插补的方式来动态修正存储在数控装置中的相应数据内容，以使数控装置屏幕上显示的数据与光栅传感器采集的数据的偏差值在规定的范围内波动，由于这个计算过程是通过内嵌的梯形图来完成的，避免了传统人工计算中人为误差所造成的补偿错误，这是对现有手工计算补偿方法的一种改进。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种螺距误差测量及补偿装置，其特征在于，包括：位移检测装置、数控装置以及测量反馈装置；

所述位移检测装置采集机床工作台的位移信号，并将所述位移信号发送至所述数控装置；

所述数控装置根据所述位移信号以及所述测量反馈装置所发送的位置反馈信号，生成动态补偿信号。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述位移检测装置包括：光栅传感器；

所述光栅传感器包括：光栅标尺以及光栅读数头；

所述光栅标尺固定在所述工作台的被测移动端；

所述光栅读数头固定在所述工作台的固定端。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数控装置包括：加法器以及数学模型分析器；

所述加法器分别与所述位移检测装置、所述测量反馈装置以及所述数学模型分析器连接；

所述加法器根据所述位移检测装置所发送的位移信号以及所述测量反馈装置所发送的位置反馈信号进行运算，生成偏差信号输出至所述数学模型分析器；

所述数学模型分析器对所述偏差信号进行建模分析，生成动态补偿信号。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：显示装置；

所述显示装置分别与所述位移检测装置以及所述数控装置连接；

所述显示装置对所述位移检测装置所发送的位移信号进行显示，并将所述位移信号发送至所述数控装置。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述测量反馈装置包括：光电编码器；

所述光电编码器与所述加法器连接，向所述加法器输入位置反馈信号。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述数控装置还包括：液晶显示屏以及功能按键。

7.一种螺距误差测量及补偿系统，其特征在于，包括：伺服电机、工作台以及如权利要求1-6任一项所述的螺距误差测量及补偿装置；

所述伺服电机与所述螺距误差测量及补偿装置中的数控装置连接；

所述伺服电机接收所述数控装置所发送的动态补偿信号，并根据所述动态补偿信号，驱动所述工作台转动。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述工作台上设置有十字滑台；

所述十字滑台的运行测量曲线为圆的渐开线。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述十字滑台的运行测量方向为顺时针方向或者逆时针方向。

10.根据权利要求7-9任一项所述的系统，其特征在于，还包括丝杠；

所述丝杠分别与所述伺服电机以及所述工作台连接。