TWI556075B - The system and method of thermal deformation correction for CNC machine - Google Patents

Description

CNC工具機之熱變位補正系統及方法

本發明係關於一種CNC工具機，由指一種CNC工具機之熱變位補正系統及方法。

工具機是一種用於精密切削金屬以生產其他機器或加工金屬零件的動力機械製造裝置，工具機於配置一電腦數值控制（Computer Numerical Control, CNC）系統後即成為一CNC工具機，與傳統工具機、大量生產專用機相比，CNC工具機較適合少量或中量高品質精密零件生產，也較能適應多樣不同產品的生產，而隨著CNC工具機於高速加工應用的普遍性，其機台運作效率、精度的穩定性與加工紋路細緻化的要求日益嚴苛，特別是機台應用在環境溫度變化大或高溫作業環境之下。

影響CNC工具機加工精度的主要原因為機台溫度變化而引起熱變形所造成的熱誤差，以及由機台切削力引起力變形而造成的切削力誤差，對於該些原因所引起的誤差，僅通過對機台結構進行優化設計來提高機台精度，不止成本高而且通常比較困難，因此現有技術中通常利用一主軸熱變位補正系統應付上述的誤差問題，該主軸熱變位補正系統主要係於一機台上佈設有一溫度傳感器，並通過一微處理器或一小型的PLC將量測數據收集後透過補正計算出一數據，再透過一信號輸出埠與CNC工具機的一信號輸入埠連接並單向的傳送該數據，再對其軸向外部機械原點進行偏移，從而修正加工誤差。

而現有技術中又以該CNC工具機執行以下方法，該方法包括以下步驟：第一步，讀入溫度、補正開關和各軸補正倍率；第二步，即時擷取主軸、床身的溫度數據；第三步，透過系統PLC（Programmable Logic Controller）計算熱誤差位移的數據；第四步，將數據發送給CNC工具機，使機械外部原點發生偏移以實現補正；當所有步驟完成後，該方法會再返回到第二步繼續執行，如此循環往復以不斷地對加工中心主軸的熱誤差進行計算和補正。

由現有技術可知，目前的主軸熱變位補正系統必須單向的持續傳送補正計算之數據給CNC工具機，因此即時性以及計算效能係相當地重要，然而透過上述步驟（第一至第四步）循環往復不斷地對加工中心主軸的熱誤差進行計算和補正確實相當地耗費時間，尤其是當加工型態是以高速定位鑽孔為主，並且又長時間的對連續曲面模具進行加工時，若即時性不佳或計算效能差，很容易造成紋路不良或段差現象，甚至引起機台軸向走不動或移動量太大，如此會造成加工件上表面出現斷斷續續刀痕使得加工精度與紋路不良等問題發生，因此以目前的現有技術而言，確實有待進一步的提出更佳改良方案的必要性。

本發明的主要目的係提供一種CNC工具機之熱變位補正系統及方法，其藉由軟體、硬體的重新規劃與設計，使信號傳送速度快又即時，並且透過更有效率的運算、補正方式，同時提升工具機的加工品質以及運作效率。

欲達成前述目的所採取的技術手段係令前述CNC工具機之熱變位補正方法，其透過一熱補償處理模組分別連接一機台、一個以上的感測器，且該感測器又與該機台連接，並由該熱補償處理模組執行以下步驟： 接收該感測器感測取得的一熱誤差量測資料； 將接收到的資料載入一預先建立的誤差補正模型中進行即時計算； 送出一即時補正量及一組執行指令，該組執行指令包括一變轉速指令、一線性插補指令； 使得該機台直接以一快速等距的方式進行補正，該快速等距的方式包括一變轉速補正、一線性插補補正。

前述方法主要係透過該感測器對該運作中的機台進行熱誤差量測，以取得該機台之溫度變化或位移變化等狀態資料，並由該熱補償處理模組接收該等狀態資料，再將收到的資料載入一個已預先建立好的誤差補正模型中進行即時計算，且該誤差補正模型係利用一迴歸分析法所建立，當該熱補償處理模組計算完成則送出一即時補正量及一組含變轉速指令、線性插補指令的執行指令至該機台，使得該機台根據收到的組執行指令、即時補正量直接以快速等距的方式進行變轉速補正、線性插補補正，以達到提升工具機加工品質與效率之目的。

欲達成前述目的所採取的又一技術手段係令前述CNC工具機之熱變位補正系統包括： 一機台，其具有一第一網路通訊埠、一床身控制模組及一主軸裝置； 一感測模組，係具有一個以上的感測器及一第一串列通訊埠，該感測器係分別對該機台的床身控制模組、主軸裝置進行熱誤差量測，並擷取其狀態資料； 一熱補償處理模組，其包括一處理器、一第二串列通訊埠及一第二網路通訊埠，該處理器分別與該第二串列通訊埠及該第二網路通訊埠連接，該第二網路通訊埠係與該機台的第一網路通訊埠連接，該第二串列通訊埠係與該感測模組的第一串列通訊埠連接以接收狀態資料； 其中，該處理器透過該第二網路通訊埠接收該感測器擷取的狀態資料，並將接收到的資料載入一預先建立的誤差補正模型中進行即時計算，當該處理器計算完成，則透過該第二網路通訊埠送出一即時補正量及一組執行指令至該機台的第一網路通訊埠，該組執行指令包括一變轉速指令、一線性插補指令，使得該機台直接以一快速等距的方式進行補正運算處理，該快速等距的方式包括一變轉速補正、一線性插補補正。

上述的機台於運作時，該床身控制模組、主軸裝置係產生溫度變化或位移變化，透過該感測模組的感測器進行即時的熱誤差量測並擷取其狀態資料，再將該狀態資料以第一串列通訊埠提供給該熱補償處理模組的處理器進行計算，而且該處理器已利用一迴歸分析法預先建立好一誤差補正模型，當處理器將該狀態資料直接載入該誤差補正模型中並快速地計算完成，並由該第二網路通訊埠送出一即時補正量及一組含變轉速指令、線性插補指令的執行指令至該機台的第一網路通訊埠，使得該機台直接以快速等距的方式進行變轉速補正、線性插補補正運算處理，以控制該機台的床身控制模組以及該主軸裝置動作，能達到提升工具機加工品質與效率之目的。

關於本發明CNC工具機之熱變位補正系統之一較佳實施例，請參考圖1所示，其包括一機台10、一感測模組20以及一熱補償處理模組30，該機台10係具有一第一網路通訊埠11、一床身控制模組12及一主軸裝置13，且該床身控制模組12與該主軸裝置13連接；本實施例中，該機台10進一步包括一可程式邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）14連接一電腦數值控制（Computer Numerical Control, CNC）單元15，且該可程式邏輯控制器14與該第一網路通訊埠11連接、該電腦數值控制單元15與該床身控制模組12連接。

該感測模組20係具有一個以上的感測器21及一第一串列通訊埠22，該感測器21可藉由感測取得一熱誤差量測資料，於本實施例中該感測器21係分別對該機台10的床身控制模組12以及該主軸裝置13進行熱誤差量測，並根據該床身控制模組、主軸裝置係產生溫度變化或位移變化以擷取其狀態資料；本實施例中，該感測模組20進一步包括一訊號轉換單元23，該訊號轉換單元23分別與該感測器21及該第一串列通訊埠22連接，當該感測器21所輸出的訊號為類比訊號時，可透過該訊號轉換單元23轉換成數位訊號，再由該第一串列通訊埠22送至該熱補償處理模組30。

本實施例中該感測器21可為一溫度感測器或一位移感測器，該溫度感測器係專門用於量測熱源之溫度變化，該位移感測器係透過量測渦電流，並經轉換後以提供位移數據，並且該溫度感測器更可以是型號為PT100的溫度感測器。

該熱補償處理模組30包括一處理器31、一第二串列通訊埠32及一第二網路通訊埠33，該處理器31係分別與該第二串列通訊埠32及該第二網路通訊埠33連接，且該熱補償處理模組30的第二網路通訊埠33係與該機台10的第一網路通訊埠11連接，該熱補償處理模組30的第二串列通訊埠32係與該感測模組20的第一串列通訊埠22連接以接收狀態資料，該處理器31透過該第二網路通訊埠33接收該感測模組20的感測器21所擷取到的狀態資料，並由該處理器31將接收到的狀態資料載入一預先建立的誤差補正模型中進行即時計算，而且該處理器31係已利用一迴歸分析法預先建立好一誤差補正模型，當該處理器31將狀態資料載入該誤差補正模型並計算完成，則透過該熱補償處理模組30的第二網路通訊埠33送出一即時補正量及一組預設的執行指令至該機台10的第一網路通訊埠11，使得該機台10直接以一快速等距的方式進行補正運算處理，並驅動該機台10的床身控制模組12以及主軸裝置13。

於本實施例中，該熱補償處理模組30進一步包括一人機介面34，該人機介面34係與該處理器31連結，使用者可透過該人機介面34進行操作或觀看目前機台10的運作狀態、溫度資料等，並可直接輸入執行指令或設定其他相關參數，例如：使用者可在人機介面34輸入一變轉速指令、一線性插補指令或一參數化等差指令，使機台10以一快速等距的方式進行相對應的補正，該快速等距的方式可包括一變轉速補正、一線性插補補正或一參數化等差補正。

於機台10運作的過程中，若機台10收到預設或使用者輸入的執行指令包含該變轉速指令，並對應該變轉速補正，即在主軸裝置13旋轉時進行一旋轉離心力的誤差量補正處理；若未考慮補正時間所造成一工作物表面粗糙度不均勻的情形，則前述即時補正量會大於一預設的極限參數，因此當機台10收到的執行指令包含該參數化等差指令，並對應該參數化等差補正，即根據一次即時補正量的相對關係進行等差數列補正，並將其補正周期細緻化、補正量也平均分割得更小，使其補正量在機台10加工時的精密度更趨於穩定，易於控制品質，讓產品在生產良率上及效率上更加提升；為要讓計算出來的即時補正量更適於均勻分布在工件物表面，當機台10收到的執行指令更包含該線性插補指令，並對應該線性插補補正，則根據線性插補周期的補正時間搭配每一次的即時補正量以進行調變，即能夠達到使工件物紋路均勻的效果。

再者，該機台10的第一網路通訊埠11及該熱補償處理模組30的第二網路通訊埠33分別可為一乙太網路介面埠，該感測模組20的第一串列通訊埠22及該熱補償處理模組30的第二串列通訊埠32分別可為一RS485介面埠；因此，當本實施例中透過將型號為PT100的溫度感測器安裝於該機台10的主軸裝置13與床身控制模組12進行溫度量測，並將各個量測點的溫度資料藉由具有半雙工多點通信標準（38400 bps）的RS485介面埠，並透過一Modbus通訊協議傳送至該熱補償處理模組30；

該熱補償處理模組30接收到經由該RS485介面埠所傳送的溫度資料，再由該處理器31計內建的巨集語言進行計算，並產生一代表誤差補正值的即時補正量，同時記錄溫度及補正量，該熱補償處理模組30透過該乙太網路介面埠（10Mbps）即時將即時補正量及執行指令傳送到該機台10的可程式邏輯控制器14進行補正運算處理，並藉由該電腦數值控制單元15驅動機台10的床身控制模組12以及主軸裝置13，使其軸向外部機械原點進行修正偏移而補正加工的誤差，達到提升工具機加工品質與效率之目的。

關於本發明CNC工具機之熱變位補正系統之另一較佳實施例，請參閱圖2與圖3所示，其主要的技術內容係與前一實施例大致相同，惟感測模組20與熱補償處理模組30有所不同，於本實施例中，該感測模組20包括多數的感測器21及多數的訊號轉換單元23，且該等訊號轉換單元23分別與一感測器21連接，該感測模組20的第一串列通訊埠22係分別與該等訊號轉換單元23連接，利用此方式擴充感測器21的數量，並設置在機台10上進行熱誤差量測；該熱補償處理模組30的人機介面34主要係由一輸入單元341、一顯示單元342所組成，該輸入單元341與該顯示單元342係分別與該處理器31連接，使用者可透過該輸入單元341直接輸入執行指令或設定其他相關參數，並於該顯示單元342觀看目前機台10的運作狀態、溫度資料等；

如圖4所示，該處理器31包括一溫度訊號擷取單元311、一參數設定單元312、一補正計算單元313，該參數設定單元312分別與該溫度訊號擷取單元311、該補正計算單元313連接，該溫度訊號擷取單元311、該補正計算單元313又分別與該第二串列通訊埠32、該第二網路通訊埠33連接；其中，藉由該溫度訊號擷取單元311接收感測器21所擷取到的狀態資料，並於參數設定單元312將接收到的狀態資料、執行指令或使用者設定的其他相關參數等傳送給該補正計算單元313，由該補正計算單元313載入一透過迴歸分析法所預先建立的誤差補正模型，並進行即時計算，當計算完成則透過該熱補償處理模組30的第二網路通訊埠33送出一即時補正量及一組預設的執行指令至該機台10，讓該機台10直接以快速等距的方式進行補正運算處理。

由上述本發明之各個較佳實施例的具體應用方式以及說明，可進一步的歸納出CNC工具機之熱變位補正方法，如圖5所示，其透過一熱補償處理模組30分別連接一機台10、一個以上的感測器21，且該感測器21又與該機台10連接，並由該熱補償處理模組30執行以下步驟： 接收該感測器21對該機台10進行熱誤差量測所取得的狀態資料（S51）； 將接收到的狀態資料載入一預先建立的誤差補正模型中進行即時計算（S52），以產生一即時補正量及一組執行指令，該組執行指令包括一變轉速指令、一線性插補指令； 對該機台10送出該即時補正量及該組執行指令（S53），本實施例中，該組執行指令更可包括一參數化等差指令； 使得當該機台10收到該即時補正量及該組執行指令時，並根據執行指令直接以一快速等距的方式進行相對應的補正（S54），該快速等距的方式包括一變轉速補正、一線性插補補正，本實施例中，該快速等距的方式更可包括一參數化等差補正。

再者，在上述步驟中的「將接收到的狀態資料載入一預先建立的誤差補正模型中進行即時計算（S52）」步驟，其進一步於本實施例中提供一預先建立誤差補正模型流程，如圖6所示，該方法更包括以下步驟： 接收該感測器21對該機台10進行熱誤差量測所取得的狀態資訊（S61）； 對該機台10發送一驅動訊號以驅動該主軸裝置13進行高速運轉（S62）； 當該主軸裝置13於高速運轉的同時，透過該感測器21擷取狀態資料（S63）； 根據擷取到的狀態資料執行一迴歸分析法建立該誤差補正模型（S64）； 對該誤差補正模型進行進行最佳化調整並取得驗證分析結果（S65）。

當上述該熱補償處理模組30利用迴歸分析法預先建立好誤差補正模型，並將該狀態資料直接載入該誤差補正模型中並快速地計算完成，使該機台10以快速等距的方式進行補正運算處理，不僅達到提升工具機加工品質與效率之目的，更基於捨棄傳統機台10之間係以I/O數位信號或A/D類比信號進行傳輸較費時，改用串列通訊埠、網路通訊埠提升傳輸速度，並即時運算、補正，系統的軟、硬體架構相對於現有技術而言，確實具有效能更高、運算速度與傳送資料更快速、軟體修改及調校參數容易等優點。

10 機台 11 第一網路通訊埠                         12 床身控制模組 13 主軸裝置                                     14 可程式邏輯控制器 15 電腦數值控制單元 20 感測模組 21 感測器                                         22 第一串列通訊埠 23 訊號轉換單元 30 熱補償處理模組 31 處理器 311 溫度訊號擷取單元                    312 參數設定單元 313 補正計算單元 32 第二串列通訊埠                         33 第二網路通訊埠 34 人機介面 341 輸入單元                                   342 顯示單元

圖1 係本發明一較佳實施例之系統架構圖。 圖2 係本發明另一較佳實施例之感測模組方塊圖。 圖3 係本發明另一較佳實施例之熱補償處理模組方塊圖。 圖4 係本發明另一較佳實施例之處理器方塊圖。 圖5 係本發明一較佳實施例之熱變位補正方法流程圖。 圖6 係本發明一較佳實施例之建立誤差補正模型流程圖。

10 機台                                               11 第一網路通訊埠 12 床身控制模組                               13 主軸裝置 14 可程式邏輯控制器                        15 電腦數值控制單元 20 感測模組                                       21 感測器 22 第一串列通訊埠                           23 訊號轉換單元 30 熱補償處理模組                           31 處理器 32 第二串列通訊埠                           33 第二網路通訊埠 34 人機介面

Claims (8)

1. 一種CNC工具機之熱變位補正方法，其透過一熱補償處理模組分別連接一機台、一個以上的感測器，且該感測器又與該機台連接，並由該熱補償處理模組執行以下步驟：接收該感測器感測取得的一熱誤差量測資料；將接收到的資料載入一預先建立的誤差補正模型中進行即時計算；送出一即時補正量及一組執行指令，該組執行指令包括一變轉速指令、一線性插補指令或一參數化等差指令；使得該機台直接以一快速等距的方式進行補正，該快速等距的方式包括一變轉速補正、一線性插補補正或一參數化等差補正。
2. 如請求項1所述之CNC工具機之熱變位補正方法，在上述步驟中的將接收到的資料載入一預先建立的誤差補正模型中進行即時計算步驟，其中提供一預先建立誤差補正模型流程，該方法更包括以下步驟：接收該感測器進行熱誤差量測的資訊；對機台發送一驅動訊號以驅動主軸運轉；當運轉的同時擷取狀態資料；執行一迴歸分析法建立該誤差補正模型；驗證分析結果。
3. 一種CNC工具機之熱變位補正系統，其包括：一機台，其具有一第一網路通訊埠、一床身控制模組及一主軸裝置；一感測模組，係具有一個以上的感測器及一第一串列通訊埠，該感測器係分別對該機台的床身控制模組、主軸裝置進行熱誤差量測，並擷取其狀態資料； 一熱補償處理模組，其包括一處理器、一第二串列通訊埠及一第二網路通訊埠，該處理器分別與該第二串列通訊埠及該第二網路通訊埠連接，該第二網路通訊埠係與該機台的第一網路通訊埠連接，該第二串列通訊埠係與該感測模組的第一串列通訊埠連接以接收狀態資料；其中，該處理器透過該第二網路通訊埠接收該感測器擷取的狀態資料，並將接收到的資料載入一預先建立的誤差補正模型中進行即時計算，當該處理器計算完成，則透過該第二網路通訊埠送出一即時補正量及一組執行指令至該機台的第一網路通訊埠，該組執行指令包括一變轉速指令、一線性插補指令或一參數化等差指令，使得該機台直接以一快速等距的方式進行補正運算處理，該快速等距的方式包括一變轉速補正、一線性插補補正或一參數化等差補正。
4. 如請求項3所述之CNC工具機之熱變位補正系統，該處理器包括一溫度訊號擷取單元、一參數設定單元、一補正計算單元，該參數設定單元分別與該溫度訊號擷取單元、該補正計算單元連接，該溫度訊號擷取單元、該補正計算單元又分別與該第二串列通訊埠、該第二網路通訊埠連接；其中，藉由該溫度訊號擷取單元接收感測器所擷取到的狀態資料，並於參數設定單元將接收到的狀態資料、執行指令或使用者設定的其他相關參數等傳送給該補正計算單元，由該補正計算單元載入一透過迴歸分析法所預先建立的誤差補正模型，並進行即時計算。
5. 如請求項4所述之CNC工具機之熱變位補正系統，該感測模組進一步包括一訊號轉換單元，該訊號轉換單元分別與該感測器及該第一串列通訊埠連接，當該感測器所輸出的訊號為類比訊號時，可透過該訊號轉換單元轉換成數位訊號。
6. 如請求項5所述之CNC工具機之熱變位補正系統，該感測器可為一溫度感測器或一位移感測器，該溫度感測器係用於量測溫度變化，該位移感測器係提供位移數據。
7. 如請求項6所述之CNC工具機之熱變位補正系統，該熱補償處理模組進一步包括一人機介面，其主要係由一輸入單元、一顯示單元所組成，該輸入單元與該顯示單元係分別與該處理器連接，透過該輸入單元直接輸入執行指令或設定其他相關參數，並於該顯示單元觀看目前機台的運作狀態、溫度資料。
8. 如請求項7所述之CNC工具機之熱變位補正系統，進一步的該感測模組更包括多數的感測器及多數的訊號轉換單元，且該等訊號轉換單元分別與一感測器連接，該感測模組的第一串列通訊埠係分別與該等訊號轉換單元連接，利用此方式擴充感測器的數量。