專利名稱：基于機床外部坐標系偏置的數(shù)控機床誤差實時補償器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明為一種用于數(shù)控機床的誤差實時補償裝置，具體是一種基于機床外部坐標系偏置的數(shù)控機床誤差實時補償器。屬于精密加工機床技術領域。
背景技術：
目前，中國國產數(shù)控機床的國內市場占有率僅30％，而且還有下降趨勢。每年要進口大量的數(shù)控機床，不僅花費大量外匯，而且往往在先進機床進口時受制于人。與先進國家制造的機床相比，我國的機床主要有兩個問題一是精度低、二是可靠性差。因此，提高我國機床產品的精度和可靠性有著十分巨大的意義。高精度數(shù)控機床制造能力不足已成為制約我國制造業(yè)升級的一個“瓶頸”?？貦C床誤差實時補償技術廣泛應用于數(shù)控機床及數(shù)控裝備的關鍵在于制造出實用和性能價格比高的誤差實時補償器。從目前來看，數(shù)控機床誤差實時補償技術及其實時補償器在國外的工廠企業(yè)中大批量應用的并不很多，還沒達到商業(yè)化程度；在國內主要還處于實驗室階段，價廉、易用、有效的機床誤差實時補償器還沒有出現(xiàn)，有人提出了基于機床外部坐標系偏置的數(shù)控機床熱誤差實時補償方法，進行了初步試驗，但還沒有完全成功地研制出實時補償器。
經對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，趙宏林等人在《制造技術與機床》1999年第4期上發(fā)表的“NC型誤差補償器的開發(fā)”一文，該文獻采取的是通過外部電路及其軟件與數(shù)控系統(tǒng)的系統(tǒng)調試(CAE)接口(特殊系統(tǒng)具有的接口)，將誤差量疊加到當前的位置脈沖當量中，以實現(xiàn)機床誤差的實時控制。這種補償器不但需要數(shù)控系統(tǒng)具有比較完善和復雜的信號通訊硬件接口，而且需要補償實施者為數(shù)控系統(tǒng)的專業(yè)人員，非常了解和熱悉所用數(shù)控系統(tǒng)的硬件結構和軟件編制，另外，該文獻中也指出了該補償器在國產開放型數(shù)控系統(tǒng)上推廣應用。而目前國產數(shù)控系統(tǒng)在國內市場上應用也不多，開放型數(shù)控系統(tǒng)還沒普遍使用數(shù)量更少，所以，此種補償器應用實施復雜、適用面窄，不具有普遍性，難以推廣實際應用。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中的不足，提供了一種基于機床外部坐標系偏置的數(shù)控機床誤差實時補償器，使其方便簡單價廉地在應用中達到了提高數(shù)控機床加工精度的目的。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括計算處理模塊、CNC(數(shù)控)接口和運動控制模塊、傳感器及變送模塊。傳感器及變送模塊與計算處理模塊之間通過數(shù)據(jù)線連接，計算處理模塊與CNC接口和運動控制模塊之間通過數(shù)據(jù)線和通訊協(xié)議連接。計算處理模塊主要由單片機、輸入輸出接口組成，單片機和輸入輸出接口通過數(shù)據(jù)總線連接。
計算處理模塊作用為信號的輸入輸出、儲存、計算。另外，計算處理模塊也可與微機相連，實現(xiàn)上下位機的命令、數(shù)據(jù)的傳輸和儲存。CNC接口和運動控制模塊主要由機床數(shù)控系統(tǒng)中的部分輸入輸出接口和伺服系統(tǒng)組成，部分輸入輸出接口(可在機床數(shù)控系統(tǒng)全部輸入輸出接口中任意選擇)和伺服系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)總線連接，機床數(shù)控系統(tǒng)的這些輸入輸出接口通過數(shù)據(jù)總線與計算處理模塊的輸入輸出接口連接。CNC接口和運動控制模塊作用為接受從計算處理模塊中輸出的信號(補償值)并根據(jù)補償值來偏置機床外部坐標系而通過伺服系統(tǒng)進行機床的附加(補償)運動。
傳感器及變送模塊主要由溫度傳感器、位移傳感器、變送器組成，溫度傳感器和位移傳感器分別通過導線與變送器連接。傳感器及變送模塊作用為多通道采集機床的溫度和熱誤差信號，把信號處理后輸入計算處理模塊。
本發(fā)明既可作為信號采集裝置(熱誤差建模用)，對機床溫度和熱誤差(主軸熱飄移)進行手動和自動測量，又可為補償控制裝置(實時補償用)，對附加的補償運動進行控制。
本發(fā)明的補償信號通過數(shù)控機床的標準輸入輸出接口進入數(shù)控系統(tǒng)，利用數(shù)控系統(tǒng)的機床外部坐標系偏置功能來實現(xiàn)誤差的實時補償。不需深入了解數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件結構，不需要修改數(shù)控指令及數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件，僅需在PLC(可編程控制器)的原有梯形程序后添加幾句程序，對原有系統(tǒng)不產生任何影響，所以，補償實施非常方便簡單。而且，目前在機床上廣泛使用的近幾年生產的FANUC數(shù)控系統(tǒng)都有此機床外部坐標系偏置功能，所以適用性比較強。本發(fā)明結構簡單、使用方便、成本低廉、實時性強、補償有效。


圖1是本發(fā)明結構框圖。
圖2是本發(fā)明誤差補償信號傳輸流程圖。
圖3是原點平移法補償原理圖。
圖4是數(shù)控機床誤差實時補償過程框圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括計算處理模塊、CNC接口和運動控制模塊、傳感器及變送模塊，傳感器及變送模塊與計算處理模塊之間通過數(shù)據(jù)線連接，計算處理模塊與CNC接口和運動控制模塊之間通過數(shù)據(jù)線和通訊協(xié)議連接，計算處理模塊實現(xiàn)信號的輸入輸出、儲存、計算，CNC接口和運動控制模塊接受從計算處理模塊中輸出的信號并根據(jù)補償值來偏置機床外部坐標系而通過伺服系統(tǒng)進行機床的附加運動，傳感器及變送模塊實現(xiàn)多通道采集機床的溫度和熱誤差信號，把信號處理后輸入計算處理模塊，計算處理模塊或者與微機相連，實現(xiàn)上下位機的命令、數(shù)據(jù)的傳輸和儲存。
計算處理模塊主要由單片機、輸入輸出接口組成，單片機和輸入輸出接口通過數(shù)據(jù)總線連接。
CNC接口和運動控制模塊主要由機床數(shù)控系統(tǒng)中的部分輸入輸出接口和伺服系統(tǒng)組成，部分輸入輸出接口(可在機床數(shù)控系統(tǒng)全部輸入輸出接口中任意選擇)和伺服系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)總線連接，機床數(shù)控系統(tǒng)的這些輸入輸出接口通過數(shù)據(jù)總線與計算處理模塊的輸入輸出接口連接。
傳感器及變送模塊主要由溫度傳感器、位移傳感器、變送器組成，溫度傳感器和位移傳感器分別通過導線與變送器連接。
如圖2所示，溫度信號通過變送裝置處理后，經A/D(模/數(shù)轉換)板進入計算處理模塊，再根據(jù)有關測點溫度與熱誤差間關系獲得的熱誤差模型(固化于單片機中)獲得熱誤差量，將熱誤差漂移量及相關的軸號轉換為開關量(由開關量來模擬數(shù)字量)，經I/O(輸入/輸出)接口卡，由可編程控制器中的梯形程序將信號讀入寫到CNC的相關地址中，最后由相應的軸控伺服單元進行實時處理。
實時補償采用機床外部坐標系偏置即原點平移法，其原理如圖3所示。補償用計算機或單片機計算機床的空間誤差，這些誤差量作為補償信號送至CNC控制器，通過I/O口平移或偏置控制系統(tǒng)(機床外部坐標系)的參考原點，并加到伺服環(huán)的控制信號中以實現(xiàn)誤差量的補償。這種補償既不影響坐標值，也不影響CNC控制器上執(zhí)行的工件程序，因而，對操作者而言，該方法是不可見的。原點平移法不用改變任何CNC機床的硬件，但它需要修改CNC控制器中的可編程控制器的程序，以便在CNC端可以接收補償值。
圖4表示了數(shù)控機床誤差實時補償過程。本發(fā)明整個工作過程如下在數(shù)據(jù)采集過程中，溫度傳感器和位移傳感器、溫度傳感器和激光測量儀同時采集機床的溫度、熱誤差和幾何誤差元素。然后，可通過外部計算機進行建模計算分析并將誤差模型放入計算處理模塊。在實時補償過程中，溫度傳感器實時(時間間隔可調)測得機床溫度，然后將溫度信號經變送器連同數(shù)控系統(tǒng)過來的位置坐標通過輸入輸出進口進入微機或單片機，由預先放置的誤差模型計算得補償值，再將補償值通過機床數(shù)控系統(tǒng)的輸入接口進入數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)補償值來偏置機床外部坐標系而進行機床的附加(補償)運動，以實時修正機床誤差。圖中的激光測量儀和位移傳感器僅在測量和建模中使用，補償加工過程中不必使用。
在數(shù)控車床上用本發(fā)明補償器進行誤差實時補償加工應用，經實時補償，數(shù)控車床徑向熱誤差從補償前的20μm降低到9μm，降低50％以上，軸向熱誤差從補償前的35μm降低到12μm，降低65％以上，大幅度提高了機床的加工精度，從而，保證了被加工高精度零件的質量。
權利要求
1.一種基于機床外部坐標系偏置的數(shù)控機床誤差實時補償器，其特征在于，包括計算處理模塊、CNC接口和運動控制模塊、傳感器及變送模塊，傳感器及變送模塊與計算處理模塊之間通過數(shù)據(jù)線連接，計算處理模塊與CNC接口和運動控制模塊之間通過數(shù)據(jù)線和通訊協(xié)議連接，計算處理模塊實現(xiàn)信號的輸入輸出、儲存、計算，CNC接口和運動控制模塊接受從計算處理模塊中輸出的信號并根據(jù)補償值來偏置機床外部坐標系而通過伺服系統(tǒng)進行機床的附加運動，傳感器及變送模塊實現(xiàn)多通道采集機床的溫度和熱誤差信號，把信號處理后輸入計算處理模塊，計算處理模塊或者與微機相連，實現(xiàn)上下位機的命令、數(shù)據(jù)的傳輸和儲存。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于機床外部坐標系偏置的數(shù)控機床誤差實時補償器，其特征是，計算處理模塊主要由單片機、輸入輸出接口組成，單片機和輸入輸出接口通過數(shù)據(jù)總線連接。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于機床外部坐標系偏置的數(shù)控機床誤差實時補償器，其特征是，CNC接口和運動控制模塊主要由機床數(shù)控系統(tǒng)中的部分輸入輸出接口和伺服系統(tǒng)組成，部分輸入輸出接口和伺服系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)總線連接。
4.根據(jù)權利要求3所述的基于機床外部坐標系偏置的數(shù)控機床誤差實時補償器，其特征是，機床數(shù)控系統(tǒng)中的部分輸入輸出接口是指在機床數(shù)控系統(tǒng)全部輸入輸出接口中任意選擇的接口，機床數(shù)控系統(tǒng)的這些輸入輸出接口通過數(shù)據(jù)總線與計算處理模塊的輸入輸出接口連接。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于機床外部坐標系偏置的數(shù)控機床誤差實時補償器，其特征是，傳感器及變送模塊主要由溫度傳感器、位移傳感器、變送器組成，溫度傳感器和位移傳感器分別通過導線與變送器連接。
全文摘要
一種基于機床外部坐標系偏置的數(shù)控機床誤差實時補償器，包括計算處理模塊、CNC接口和運動控制模塊、傳感器及變送模塊，傳感器及變送模塊與計算處理模塊通過數(shù)據(jù)線連接，計算處理模塊與CNC接口和運動控制模塊通過數(shù)據(jù)線和通訊協(xié)議連接，計算處理模塊實現(xiàn)信號的輸入輸出、儲存、計算，CNC接口和運動控制模塊接受從計算處理模塊中輸出的信號并根據(jù)補償值來偏置機床外部坐標系而通過伺服系統(tǒng)進行機床的附加運動，傳感器及變送模塊采集機床的溫度和熱誤差信號，把信號處理后輸入計算處理模塊，計算處理模塊或者與微機相連，實現(xiàn)上下位機的命令、數(shù)據(jù)的傳輸和儲存。本發(fā)明結構簡單、使用方便、成本低廉、實時性強、補償更有效，產業(yè)化前景光明。
文檔編號B23Q15/007GK1631614SQ200410093428
公開日2005年6月29日 申請日期2004年12月23日 優(yōu)先權日2004年12月23日
發(fā)明者楊建國, 任永強, 劉國良, 張宏韜, 曹洪濤 申請人:上海交通大學