CN210038533U - 一种数控机床温升补偿系统 - Google Patents
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Abstract
本新型公开一种数控机床温升补偿系统,该补偿系统包括设在机床上的开关电源、PLC数控系统、与PLC数控系统电连接的伺服驱动器及与伺服驱动器电连接的驱动电机,还包括与PLC数控系统和开关电源电连接的温控器,每一温控器电连接设在机床上的环境温度传感器和设在运动轴上的设备温度传感器；温控器包括主控MCU、稳压模块、温度采集输入端口、输出驱动模块、用于数码显示温升数据的显示模块及设定温控器开/关机和输出精度的拨码开关,稳压模块电连接开关电源,并将+24V稳压为+5V输出而为温控器供电；主控MCU通过温度采集输入端口电连接环境温度传感器和设备温度传感器,主控MCU通过输出驱动模块与PLC数控系统电连接。
Description
技术领域
本实用新型涉数控机床技术领域,特别涉及一种数控机床温升补偿系统。
背景技术
目前,国内的数控机床,大多数都是半闭环控制,丝杆一般是电机端全固定式,另一端半固定式,丝杆采用这样的安装方式,会使机床在运作过程中,移动的轴,产生温升后会朝向半固定端方向产生延伸。
数控机床在使用加工过程中,主轴及运动轴在高速旋转时,也会产生热量及热延伸，对于主轴和运动轴产生的热量及热延伸，现有中很多机床生产厂家对会主轴或运动轴与轴承安装座通过恒温油冷的方式进行循环冷却,使机床发热部位的温升得到有效控制，从而减小温升带来的形变。但通过恒温油冷的方式进行循环冷却，需要在冷油带走的热量与旋转部件产生的热量一样时，机床的部件温升才会稳定下来,但冷却油的温度与机床发热部位往往会存在一个温差值,这个温差值，同样会带给机床热延伸。
对于机床产生热延伸，不少厂商通过加装温度传感器来,根据相应的钢材的热膨胀系数来进行补偿,如中国专利一种用于数控机床温升补充的方法(专利申请号：2016104295608)，也有一些通过温升数据与位移变化量的对应关系进行补偿，如中国专利一种机床温升补偿方法(专利申请号：2016102377567)；上述2016104295608和2016102377567专利所匹配的对机床进行温升补偿都存在一些不合理因数:上述专利并未考虑到实际使用时,环境温度变化,例如:机床在使用的过程中,外部突然停电并在短暂时间之后又恢复供电,机床再次复产时，如果没有环境温度传感器作为参考的话,此时,现有的公开的专利补偿方案是无法识别的,只能从头开始进行补偿,但是,此时的主轴温度肯定比环境温度要高,从头开始进行补偿，那就会造成工件的精度误差过大而不合格。
目前,在相关技术领域中,尚缺少解决上述问题且成本低、温升补偿精准的数控机床温升补偿系统及方法。
实用新型内容
本实用新型的解决的技术问题是针对上述现有技术中的存在的缺陷,提供一种成本低、温升补偿精准的数控机床温升补偿系统。
为解决上述技术问题,本实用新型提供一种技术方案如下:一种数控机床温升补偿系统,包括设在机床上的开关电源、PLC数控系统、与PLC数控系统电连接的伺服驱动器及与伺服驱动器电连接的运动轴的驱动电机,还包括与PLC数控系统和开关电源电连接的至少一个温控器,每一所述温控器还电连接设在机床上的环境温度传感器和设在机床的运动轴上的设备温度传感器；所述温控器包括主控MCU、稳压模块、温度采集输入端口、输出驱动模块、用于数码显示温升数据的显示模块及设定温控器开/关机和输出精度的拨码开关,其中,所述稳压模块电连接开关电源,并将开关电源的+24V稳压为+5V输出并为温控器供电；所述主控MCU通过温度采集输入端口电连接环境温度传感器和设备温度传感器,所述主控MCU通过输出驱动模块与PLC数控系统电连接,所述主控MCU能接收环境温度传感器和设备温度传感器采集的环境及运动轴的温度并将计算处理的运动轴温升数据传送至PLC数控系统；所述PLC数控系统能接收温控器传送的温升数据并控制伺服驱动器驱动匹配的驱动电机进行温升补偿。
作为对上技术方案的进一步阐述，
在上述技术方案中,所述PLC数控系统为三菱PLC数控系统或法那科PLC数控系统或西门子PLC数控系统,所述伺服驱动器为三菱伺服驱动器或法那科伺服驱动器或西门子伺服驱动器,所述驱动电机为步进电机。
在上述技术方案中,所述主控MCU为PIC16F1933型号的单片机,所述稳压模块包括MP1584电源芯片,所述MP1584电源芯片的输入端通过串接稳压二极管D1与开关电源的+24V电连接,其输出端串接电感L1与+5V输出端口电连接,所述电感L1和+5V输出端口的电连接点还通过由电阻R2和电阻R4组成的采样电路对地,所述电阻R2与电阻R4的电连接点还与MP1584电源芯片的反馈端口电连接。
在上述技术方案中,所述显示模块为三位七端数目显示管,所述输出驱动模块包括多条输出驱动支路,每一所述输出驱动支路均包括8050开关三极管,所述8050开关三极管的基极串接电阻与主控MCU的一I/O口电连接，所述8050开关三极管的集电极串接电阻电连接稳压模块的输入端,所述8050开关三极管的集电极还与PLC数控系统匹配的温升数据输入端口电连接,所述8050开关三极管的发射极对地；所述拨码开关为四位拨码开关。
与现有技术相比,本实用新型的有益效果在于:本实用新型的温升补偿系统通过环境温传感器与设备温度传感器进行比较，基于比对的温升数据进行温升补偿；本实用新型的补充系统考虑环境温度变化因素和每一装配条件造成的热伸长单位量不同而进行温升补偿控制，采用本实用新型的温升补偿系统的数控机床，温升补偿精准，加工的零件误差小。
附图说明
图1为本实用新型补偿系统的连接原理图；
图2为本实用新型补偿系统电气连接原理图；
图3是本实用新型温控器的电路原理图；
图4是本实用新型温升补偿系统进行温升补偿的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细的说明。
附图1-3实例了本实用新型的一种具体实施例,参考附图1-3,一种数控机床温升补偿系统,包括设在机床上的开关电源001、PLC数控系统002、与PLC数控系统002电连接的伺服驱动器003及与伺服驱动器003电连接的运动轴的驱动电机004,还包括与PLC数控系统002和开关电源001电连接的至少一个温控器005,每一所述温控器005还电连接设在机床上的环境温度传感器006和设在机床的运动轴上的设备温度传感器007；所述温控器005包括主控MCU U2、稳压模块006、温度采集输入端口(参考附图3的J2、J3)、输出驱动模块、用于数码显示温升数据的显示模块(参考附图3的DS1)及设定温控器开/关机和输出精度的拨码开关S1,其中,所述主控MCU U2为PIC16F1933型号的单片机,所述稳压模块006电连接开关电源001,并将开关电源001输出的+24V稳压为+5V输出并为温控器005供电,在本实施例中,所述稳压模块006包括MP1584电源芯片U1,所述MP1584电源芯片U1的输入端(VIN)通过串接稳压二极管D1与开关电源001的+24V电连接,其输出端(SW)串接电感L1与+5V输出端口电连接,该+5V输出端口界定为稳压模块006的输出端口，该+5V为用于提供主控MCU U2工作的电源电压,所述电感L1和+5V输出端口的电连接点还通过由电阻R2和电阻R4组成的采样电路对地,所述电阻R2与电阻R4的电连接点还与MP1584电源芯片U2的反馈端口(FB)电连接,MP1584电源芯片U2基于反馈端口(FB)的电压而控制MP1584电源芯片U2的输出端(SW)的电压,该MP1584电源芯片U2的输出端(SW)与电感L1的电连接点还电连接稳压二极管D2对地,通过该稳压二极管D2对沿MP1584电源芯片U2的输出端(SW)输出的电压消除尖峰脉冲并配合电感L1的滤波而使+5V输出端口输出恒定的电压；所述主控MCU U2通过温度采集输入端口(参考附图3的J2、J3)电连接环境温度传感器006和设备温度传感器007,所述主控MCU U2通过输出驱动模块与PLC数控系统002电连接,所述主控MCU U2能接收环境温度传感器006和设备温度传感器007采集的环境及运动轴的温度并将计算处理的运动轴温升数据传送至PLC数控系统002；所述PLC数控系统002能接收温控器005传送的温升数据并控制伺服驱动器003驱动匹配的驱动电机004进行温升补偿；在本实施例中,所述PLC数控系统002为三菱PLC数控系统或法那科PLC数控系统或西门子PLC数控系统,所述伺服驱动器003为三菱伺服驱动器或或法那科伺服驱动器或西门子伺服驱动器,所述驱动电机004为步进电机；所述显示模块为三位七端数目显示管DS1,所述输出驱动模块包括多条输出驱动支路,每一所述输出驱动支路均包括8050开关三极管(Q1/Q2/Q3),所述8050开关三极管(Q1/Q2/Q3)的基极(b)串接电阻(R10/R11/R12)与主控MCU U2的I/O口(RC3/RC4/RC5)电连接,所述8050开关三极管(Q1/Q2/Q3)的集电极(c)串接电阻(R7/R8/R9)电连接稳压模块的输入端,实际中为电连接稳压二极管D1的阴极,所述8050开关三极管(Q1/Q2/Q3)的集电极(c)还与PLC数控系统002匹配的温升数据输入端口电连接,所述8050开关三极管(Q1/Q2/Q3)的发射极(e)对地；所述拨码开关S1为四位拨码开关。
本实施例还提供一种采用本实施例的数控机床温升补偿系统对机床温升进行补偿的方法,参考附图4,它包括如下步骤:
S1.测量机床各运动轴的轴向温升热伸长单位量Ni,包括：
S11.通过温控器005、环境温度传感器006、设备温度传感器007及千分表获取各运动轴的k个在设定测量时间h内的温升Δti和轴向热伸长量
其中,设定测量时间h内的温升Δti为测量完成时运动轴与环境的温差Δtih与测试初始时刻运动轴与环境的温差Δti0的差值；
S12.对获取的k个温升Δti和多个轴向热伸长量
分别进行加权平均并计算平均温升ΔTi和平均热伸长量ΔLi；
S13.根据
计算温升补偿单位量；其中,Ni表示运动轴温升
℃的热伸长量；
S2.通过温控器005检测并按以下公式计算各运动轴工作状态下单位时间m内的温升数据Ti,
Ti＝ΔTim-ΔTi0
其中,ΔTim表示检测时运动轴与环境的温差,ΔTi0表示运动轴开始工作时与环境的温差；
S3.PLC数控系统002基于温升数据Ti和轴向温升热伸长单位量Ni计算各运动轴的轴向温升补偿量Li并对运动轴进行补偿。
需要说明的是,实际中,步骤S1的执行是实测完成的,也就是对每一台数控机床都进行实测而获得相应且相关的温升单位量数据,因为每一主轴(X/Y/Z)都会因材质、组成装配时的条件及装配方式方法的不同而造成其热伸长单位量不一样,因此需要通过对每一台组装的数控机床进行实测热伸长单位量。
进一步,步骤S1中,获取各运动轴的k个在设定测量时间h内的温升Δti包括：
S11-1.利用设置机床上的环境温度传感器测量运动轴测量开始时的环境温度T0和运动轴以转速M r/min旋转h小时间后的环境温度Th；
S11-2.利用设在运动轴上的设备温度传感器测量运动轴开始运动时的温度Ti0和运动轴以转速M r/min旋转h小时后的温度Tih；
S11-3.利用如下公式计算Δti
其中,h≥3,M≥12000。
进一步,步骤S1中,获取各运动轴的多个在设定测量时间h内的轴向热伸长量
包括:
S11-4.将运动轴移动至与设在机床上的千分表触压并记录运动轴在初始位置时的千分表刻度数Ni0；
S11-5.将运动轴沿其轴向方向远离机床移开,并在运动轴以转速M r/min旋转h小时后移动至初始位置；
S11-6.读取运动轴移回至初始位置时千分表刻度数Nih
SS11-7.利用如下公式计算
其中,Ni0和Nih均为整数,λ为千分表每一刻度对应的长度,单位为mm。
进一步，步骤S11中,获取的温升Δti和轴向热伸长量
的个数k为:k≥4；步骤S13中,n＝10,Ni表示运动轴温升0.1℃的热伸长量。
在可优选实施的实施例中,步骤S2还包括：
S21.利用设在机床上的环境温度传感器006测量运动轴启动工作时的环境温度t0和运动轴以转速S r/min工作单位时间m后的环境温度tm；
S22.利用设在运动轴上的设备温度传感器007测量运动轴启动工作时的环境温度ti0和运动轴以转速S r/min工作单位时间m后的环境温度tim；
S23.由温控器005基于如下公式分别计算ΔTim与ΔTi0：
ΔTim＝tim-ti0；
ΔTi0＝tm-t0；
其中,单位时间m为8-10ms。
进一步，步骤S3中,所述的PLC数控系统002基于温升数据Ti和轴向温升热伸长单位量Ni计算各运动轴的轴向温升补偿量Li并对运动轴进行补偿包括：
S31.PLC数控系统002获取存储的轴向温升热伸长单位量Ni和接收温控器005处理并计算出的温升数据Ti；
S32.PLC数控系统002利用如下公式计算轴向温升补偿量Li
Li＝Ti×Ni
其中,Li的单位为mm；
S33.PLC数据系统002通过伺服驱动器003控制驱动电机004传动匹配的运动轴移动Li而完成补偿。
本实施例列举如下几个测量轴向温升热伸长单位量Ni的具体操作：
例1.把一个千分表放在数控机床的工作台上，移到数控机床的机头,让主轴轴心压到千分表(每一小格0.002MM)，读数为整数,比如表的指针指向20，把数控系统Z轴相对座标清为0，然后把Z轴向上移动100MM,主轴以最高12000r/min转速旋转主轴3小时后,读取环境温度传感器与设备温度传感器的数值,比如读:环境传感器为30.1°,设备温度传感器为32.5°，然后Z轴向下移动100MM之相对座标为0的位置,读取千分表数据,比如为50，50-20＝30,因为是千分表,所是热伸长量为0.03MM,那么这只主轴的每0.1度的补偿量为0.03/(32.5-30.1)/10＝0.00125MM,把这数据补偿到PLC数控系统里,PLC数控系统在工作时会根据设备温度传感器传过来的数据与环境温度传感器传过来的数据计算出实际的温升数据,实时对运动轴进行补偿。
例2.把一个千分表放在数控机床的工作台上,移到数控机床的机头，让主轴沿Y方向侧边千分表,读数为整数,比如表的指针指向20,把数控系统Y轴相对座标清为0,然后通过将Y轴连续来回移动3小时后,停下数控机床读取环境温度传感器与匹配设备温度传感器的数值,比如读数各为30.度各31.0度,然后把Y轴移动到相对座标为0的位置,读对千分表的数值,比如为40，40－20＝20，因为是千分表，所是热伸长量为0.02MM,那么Y轴的每0.1度的补偿量为0.02/(31.0-30.)/10＝0.002MM。
例3.假设设备温度传感器测量的此时的设备温度为30度,环境温度传感器测量的环境温度为29度,千分表测量出的0.1度的补偿量为0.001MM,假设此时PLC数控系统已对Z轴补偿了0.01MM,外部突然断电了,经过几分钟电源正常了,再次开机时,温控器读取设备温度为30.5度,环境温度为30度,温控器会与PLC数控系统通信,PLC数控系统会马上对会对Z轴补偿0.005MM,然后会基于温升变化对Z轴进行后继的补偿。
本实用新型的温升补偿系统通过环境温传感器与设备温度传感器进行比较,基于比对的温升数据进行温升补偿；本实用新型的补充系统考虑环境温度变化因素和每一装配条件造成的热伸长单位量不同而进行温升补偿控制，采用本实用新型的温升补偿系统的数控机床,温升补偿精准,加工的零件误差小。
以上并非对本实用新型的技术范围作任何限制,凡依据本实用新型技术实质对以上的实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本实用新型的技术方案的范围内。
Claims (4)
1.一种数控机床温升补偿系统,包括设在机床上的开关电源、PLC数控系统、与PLC数控系统电连接的伺服驱动器及与伺服驱动器电连接的运动轴的驱动电机,其特征在于，还包括与PLC数控系统和开关电源电连接的至少一个温控器,每一所述温控器还电连接设在机床上的环境温度传感器和设在机床的运动轴上的设备温度传感器；所述温控器包括主控MCU、稳压模块、温度采集输入端口、输出驱动模块、用于数码显示温升数据的显示模块及设定温控器开/关机和输出精度的拨码开关,其中，所述稳压模块电连接开关电源,并将开关电源的+24V稳压为+5V输出并为温控器供电；所述主控MCU通过温度采集输入端口电连接环境温度传感器和设备温度传感器,所述主控MCU通过输出驱动模块与PLC数控系统电连接,所述主控MCU能接收环境温度传感器和设备温度传感器采集的环境及运动轴的温度并将计算处理的运动轴温升数据传送至PLC数控系统；所述PLC数控系统能接收温控器传送的温升数据并控制伺服驱动器驱动匹配的驱动电机进行温升补偿。
2.根据权利要求1所述的一种数控机床温升补偿系统，其特征在于,所述PLC数控系统为三菱PLC数控系统或法那科PLC数控系统或西门子PLC数控系统,所述伺服驱动器为三菱伺服驱动器或法那科伺服驱动器或西门子伺服驱动器,所述驱动电机为步进电机。
3.根据权利要求2所述的一种数控机床温升补偿系统,其特征在于,所述主控MCU为PIC16F1933型号的单片机,所述稳压模块包括MP1584电源芯片,所述MP1584电源芯片的输入端通过串接稳压二极管D1与开关电源的+24V电连接,其输出端串接电感L1与+5V输出端口电连接,所述电感L1和+5V输出端口的电连接点还通过由电阻R2和电阻R4组成的采样电路对地,所述电阻R2与电阻R4的电连接点还与MP1584电源芯片的反馈端口电连接。
4.根据权利要求3所述的一种数控机床温升补偿系统,其特征在于,所述显示模块为三位七端数目显示管,所述输出驱动模块包括多条输出驱动支路,每一所述输出驱动支路均包括8050开关三极管,所述8050开关三极管的基极串接电阻与主控MCU的一I/O口电连接，所述8050开关三极管的集电极串接电阻电连接稳压模块的输入端,所述8050开关三极管的集电极还与PLC数控系统匹配的温升数据输入端口电连接,所述8050开关三极管的发射极对地；所述拨码开关为四位拨码开关。
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| CN201920958386.5U CN210038533U (zh) | 2019-06-25 | 2019-06-25 | 一种数控机床温升补偿系统 |
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|---|---|---|---|---|
| CN110174872A (zh) * | 2019-06-25 | 2019-08-27 | 东莞市福思特科技有限公司 | 一种数控机床温升补偿系统及方法 |
| CN113741343A (zh) * | 2021-11-08 | 2021-12-03 | 东莞市宝科精密机械有限公司 | 一种机床双轴同步控制方法、系统和机床 |
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