專利名稱：數(shù)控機(jī)床中的誤差補(bǔ)償設(shè)備的制作方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種誤差補(bǔ)償設(shè)備，它用于校準(zhǔn)數(shù)控機(jī)床中的可移動(dòng)單元的移動(dòng)精度，并在其移動(dòng)過(guò)程中連續(xù)地補(bǔ)償誤差。
已有技術(shù)的描述對(duì)目前的數(shù)控機(jī)床來(lái)講，需要很高的工作精確度，許多新技術(shù)已被開(kāi)發(fā)和利用。這些新技術(shù)是基于這樣的概念，即數(shù)控機(jī)床具有高度剛性，這是為了防止在高速移動(dòng)時(shí)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)移動(dòng)擾動(dòng)，并利用高度可重復(fù)性移動(dòng)機(jī)制以在移動(dòng)重復(fù)時(shí)總呈現(xiàn)相似的動(dòng)作。盡管采用了這種設(shè)計(jì)防范措施，但由于機(jī)床結(jié)構(gòu)的熱變形等類似原因，而無(wú)法完全除去移動(dòng)誤差。所以，在數(shù)控機(jī)床完成后，一般根據(jù)需要在特定時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行稱為校準(zhǔn)的校準(zhǔn)操作以測(cè)定機(jī)械移動(dòng)誤差，并將測(cè)量結(jié)果保存在數(shù)控設(shè)備內(nèi)。在實(shí)際對(duì)機(jī)床的操作和控制時(shí)，這些誤差被反映在控制信息中用以補(bǔ)償操作命令，這樣實(shí)際的移動(dòng)可能不會(huì)產(chǎn)生誤差。
在通常的校準(zhǔn)方法中，特殊設(shè)備，如激光干擾儀、測(cè)微儀、或類似的設(shè)備被安裝在機(jī)床上。但是，很難全面地、自動(dòng)地測(cè)量多個(gè)移動(dòng)誤差，如旋轉(zhuǎn)、斜度、偏角、或其他移動(dòng)軸向的類似變量、移動(dòng)平行度、移動(dòng)垂直性或其他，以及在多個(gè)移動(dòng)坐標(biāo)軸系中的準(zhǔn)確角度或其他移動(dòng)誤差。所以，除每個(gè)誤差測(cè)量外安裝設(shè)備的操作只能進(jìn)行手工操作，并且在這種情況下對(duì)誤差的測(cè)定和校驗(yàn)過(guò)程要進(jìn)行相對(duì)很長(zhǎng)的時(shí)間(至少幾個(gè)小時(shí))。
在準(zhǔn)確校準(zhǔn)操作中，當(dāng)使用光測(cè)量作為一種測(cè)量方法時(shí)，原理上距離一般可根據(jù)光波長(zhǎng)測(cè)得。
在上述的校準(zhǔn)方法中，進(jìn)行每一種校準(zhǔn)操作過(guò)程中機(jī)床都被占用，而在正常工作操作過(guò)程中這種方法無(wú)法被使用，從而機(jī)器利用率降低。所以，不能經(jīng)常進(jìn)行校準(zhǔn)操作。而且，為了避免由于外部干擾，如在校準(zhǔn)操作時(shí)測(cè)量環(huán)境中溫度變化，或產(chǎn)生振動(dòng)，而影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，需要確保有一個(gè)非常穩(wěn)定的測(cè)量環(huán)境。
而且，甚至根據(jù)上述最新設(shè)計(jì)思想而開(kāi)發(fā)出的機(jī)床也無(wú)法避免地存在著誤差，這些誤差象由熱變形導(dǎo)致的誤差一樣無(wú)法被完全去除。我們知道隨時(shí)間流逝，這些誤差一般具有無(wú)規(guī)則的和復(fù)雜的行為。我們也知道這一行為變化在一個(gè)相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，從幾十分鐘到幾個(gè)小時(shí)逐漸產(chǎn)生。所以，在從幾十分鐘到幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間間隙中執(zhí)行傳統(tǒng)方法中的校正操作時(shí)，可有效地補(bǔ)償機(jī)械移動(dòng)誤差。然而，在考慮到機(jī)床的安全操作率的情況下，這實(shí)際是不可能的。
而且，由于基于光波測(cè)量的準(zhǔn)確度很容易被溫度、空氣振動(dòng)、濕度或其他類似的因素所影響，所以存在著一個(gè)問(wèn)題，就是在機(jī)床操作的一般工廠環(huán)境中不能容易地實(shí)現(xiàn)測(cè)量。
另一方面，因?yàn)楦倪M(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的要求一年一年地變得越來(lái)越迫切，所以需要對(duì)解決傳統(tǒng)校正方法缺陷的新技術(shù)的開(kāi)發(fā)。
本發(fā)明的一個(gè)目的就是要解決上述的問(wèn)題，以檢測(cè)機(jī)床的空間移動(dòng)誤差，該誤差由機(jī)床的熱變形產(chǎn)生，并隨流逝的時(shí)間而變化，并檢測(cè)正常操作環(huán)境下，包括未被一般工廠環(huán)境所影響的工作操作的移動(dòng)裝置的磨損程度或裝配準(zhǔn)確度的損耗程度，以在根據(jù)檢測(cè)結(jié)果補(bǔ)償機(jī)械移動(dòng)誤差時(shí)控制機(jī)床的移動(dòng)，并高度準(zhǔn)確地操作機(jī)床。
發(fā)明概述開(kāi)發(fā)本發(fā)明的目的是為了解決上述的問(wèn)題。
本發(fā)明的首要方面是致力于數(shù)控機(jī)床中的誤差補(bǔ)償設(shè)備，它包括用于檢測(cè)沿軸線控制的可移動(dòng)單元的預(yù)定控制軸線上的位置的可移動(dòng)單元位置檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)可移動(dòng)單元移動(dòng)狀態(tài)的移動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)裝置，用于使用移動(dòng)狀態(tài)而計(jì)算機(jī)械移動(dòng)誤差的移動(dòng)誤差計(jì)算裝置，和用于在移動(dòng)誤差基礎(chǔ)上補(bǔ)償移動(dòng)誤差的移動(dòng)誤差補(bǔ)償裝置。
本發(fā)明的第二個(gè)方面致力于具有第一移動(dòng)狀態(tài)存儲(chǔ)器裝置的誤差補(bǔ)償設(shè)備，該第一存儲(chǔ)裝置用于預(yù)先存儲(chǔ)由移動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)裝置檢測(cè)出的移動(dòng)狀態(tài)，且其中的移動(dòng)誤差計(jì)算裝置具有由存儲(chǔ)在第一移動(dòng)狀態(tài)存儲(chǔ)器裝置的移動(dòng)狀態(tài)和當(dāng)前移動(dòng)狀態(tài)間的差值計(jì)算出移動(dòng)誤差的功能。
本發(fā)明的第三個(gè)方面致力于具有第二移動(dòng)狀態(tài)存儲(chǔ)器裝置的誤差補(bǔ)償設(shè)備，它用于在需要時(shí)存儲(chǔ)由移動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)裝置檢測(cè)出的移動(dòng)狀態(tài)，且其中的移動(dòng)誤差計(jì)算裝置具有由存儲(chǔ)在第二移動(dòng)狀態(tài)存儲(chǔ)器裝置的移動(dòng)狀態(tài)和當(dāng)前移動(dòng)狀態(tài)的差值計(jì)算出移動(dòng)誤差的功能。
本發(fā)明的第四個(gè)方面致力于一種誤差補(bǔ)償設(shè)備，其中移動(dòng)誤差補(bǔ)償裝置具有通過(guò)增加一個(gè)誤差補(bǔ)償值到位置控制值上而進(jìn)行機(jī)械移動(dòng)誤差的連續(xù)補(bǔ)償?shù)墓δ堋?br> 本發(fā)明的第五個(gè)方面致力于一種誤差補(bǔ)償設(shè)備，其中移動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)裝置檢測(cè)可移動(dòng)單元在移動(dòng)軸線方向一個(gè)特殊點(diǎn)上偏離不同于移動(dòng)軸的坐標(biāo)軸位移基準(zhǔn)的位移，且移動(dòng)誤差計(jì)算裝置在檢測(cè)到的位移的基礎(chǔ)上計(jì)算移動(dòng)誤差。
本發(fā)明的第六個(gè)方面致力于一種誤差補(bǔ)償設(shè)備，其中為了移動(dòng)狀態(tài)的檢測(cè)，使用了參照位置光束發(fā)生器，以產(chǎn)生平行于移動(dòng)軸方向的參照位置光束，并且使用一個(gè)安裝在可移動(dòng)單元上的可移動(dòng)單元二維檢測(cè)設(shè)備，以便通過(guò)使用由參照位置光束發(fā)生器產(chǎn)生的參照位置光束來(lái)檢測(cè)偏離不同于移動(dòng)軸的坐標(biāo)軸的位移基準(zhǔn)的位移。
本發(fā)明的第七個(gè)方面致力于一種誤差補(bǔ)償設(shè)備，其中移動(dòng)狀態(tài)的檢測(cè)包括在偏離移動(dòng)基準(zhǔn)的位移的基礎(chǔ)上對(duì)在移動(dòng)軸上可移動(dòng)單元的轉(zhuǎn)矩的檢測(cè)，這些位移分別在安裝在一個(gè)可移動(dòng)單元上的兩個(gè)可移動(dòng)單元二維檢測(cè)設(shè)備內(nèi)被檢測(cè)出。
本發(fā)明的第八個(gè)方面致力于一種誤差補(bǔ)償設(shè)備，其中用于設(shè)置和調(diào)整參照位置光束的移動(dòng)端二維檢測(cè)設(shè)備被裝配在移動(dòng)端，這樣它與參照光束發(fā)生器位置相對(duì)。
本發(fā)明的第九個(gè)方面致力于一種誤差補(bǔ)償設(shè)備，其中可移動(dòng)單元二維檢測(cè)設(shè)備具有允許參照位置光束通過(guò)并根據(jù)光束通過(guò)的位置來(lái)檢測(cè)二維位置的功能。
本發(fā)明的第十個(gè)方面致力于一種誤差補(bǔ)償設(shè)備，其中對(duì)于可移動(dòng)單元二維檢測(cè)設(shè)備來(lái)說(shuō)，采用了二維CCD和光束分離器。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的數(shù)控設(shè)備中的誤差補(bǔ)償設(shè)備的第一個(gè)實(shí)施例框圖。
圖2所示的是根據(jù)本發(fā)明的用于單軸的移動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)部分的例子。
圖3所示的是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)光束通過(guò)類型的二維檢測(cè)設(shè)備的實(shí)施例。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的數(shù)控設(shè)備中的誤差補(bǔ)償設(shè)備的第二個(gè)實(shí)施例框圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的數(shù)控設(shè)備中的誤差補(bǔ)償設(shè)備的第三個(gè)實(shí)施例框6所示的是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)光束通過(guò)類型的二維檢測(cè)設(shè)備的實(shí)施例。
優(yōu)選實(shí)施例的說(shuō)明下面，將要說(shuō)明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。
數(shù)控機(jī)床一般由多個(gè)移動(dòng)軸的合成所組成，為的是在指定操作空間內(nèi)是三維可操作的。在根據(jù)本發(fā)明的誤差補(bǔ)償設(shè)備中，作為一個(gè)原則，每次都會(huì)對(duì)應(yīng)于每個(gè)移動(dòng)軸產(chǎn)生一個(gè)移動(dòng)，對(duì)每個(gè)移動(dòng)軸檢測(cè)從參照點(diǎn)移動(dòng)偏移到什么程度。從每個(gè)軸得到的檢測(cè)結(jié)果被空間合成化，每個(gè)軸的補(bǔ)償被連續(xù)地計(jì)算，以保證在該時(shí)刻機(jī)床的移動(dòng)準(zhǔn)確性，并且利用補(bǔ)償方法補(bǔ)償和控制機(jī)械移動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明的誤差補(bǔ)償設(shè)備，如圖1所示，由以下部分構(gòu)成一個(gè)用于檢測(cè)沿軸線控制的可移動(dòng)單元的每個(gè)軸線上的位置的可移動(dòng)單元位置檢測(cè)設(shè)備1，一個(gè)用于檢測(cè)移動(dòng)狀態(tài)(即，可移動(dòng)單元如何移動(dòng))的移動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備2，一個(gè)由移動(dòng)狀態(tài)來(lái)計(jì)算出機(jī)械移動(dòng)誤差的移動(dòng)誤差計(jì)算設(shè)備3，和一個(gè)由用于補(bǔ)償?shù)囊苿?dòng)誤差來(lái)計(jì)算誤差補(bǔ)償?shù)囊苿?dòng)誤差補(bǔ)償設(shè)備4。
可移動(dòng)單元位置檢測(cè)設(shè)備1被構(gòu)成以便測(cè)沿一個(gè)移動(dòng)軸移動(dòng)的機(jī)械元件(滑塊)沿每個(gè)移動(dòng)軸上的移動(dòng)位置。例如，為了檢測(cè)沿X軸的移動(dòng)狀態(tài)，如圖2所示，則使用安裝在直線標(biāo)尺上的一個(gè)旋轉(zhuǎn)類型位置檢測(cè)器或類似的裝置、一個(gè)X軸球形螺釘或一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)、來(lái)檢測(cè)X軸方向上的移動(dòng)位置。每個(gè)軸上滑塊的當(dāng)前位置被傳送給移動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備2。
此外，圖2示出了一個(gè)例子，其中用于檢測(cè)可移動(dòng)單元的位置的作為標(biāo)尺的線性標(biāo)尺被附著在一個(gè)固定邊上，可移動(dòng)單元位置檢測(cè)頭附著在滑塊邊上以檢測(cè)移動(dòng)位置。
移動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備2接收來(lái)自可移動(dòng)單元位置檢測(cè)設(shè)備1的每個(gè)軸滑塊的當(dāng)前位置作為輸入，同時(shí)檢測(cè)在每個(gè)移動(dòng)軸上沿移動(dòng)軸移動(dòng)的每個(gè)機(jī)械元件(滑塊)是如何移動(dòng)的，這通過(guò)檢測(cè)在某一特定時(shí)刻在滑塊上某一特定點(diǎn)的三個(gè)軸(X、Y、Z)的軸坐標(biāo)值中的二個(gè)軸坐標(biāo)值的位移。該二個(gè)坐標(biāo)值的位移是通過(guò)檢測(cè)從移動(dòng)參考位置的每個(gè)移動(dòng)軸的偏移來(lái)檢測(cè)的，它被定義為移動(dòng)狀態(tài)的檢測(cè)。
在圖2的示例中，當(dāng)一移動(dòng)滑塊在X一軸方向上移動(dòng)時(shí)，一個(gè)二維檢測(cè)設(shè)備(光束位置檢測(cè)設(shè)備)作為一個(gè)光通過(guò)位置檢測(cè)器被安裝在滑塊的特定點(diǎn)上，這是為了在移動(dòng)過(guò)程中或移動(dòng)過(guò)程后檢測(cè)移動(dòng)滑塊上特定點(diǎn)在Y軸和Z軸方向上空間位置和參照位置間的差值。利用光束產(chǎn)生參照位置。具體地，安裝一個(gè)參照位置光束發(fā)生器，使得產(chǎn)生與引導(dǎo)X軸移動(dòng)板的移動(dòng)方向平行的參照位置光束。
同樣，移動(dòng)端位置檢測(cè)器被安裝在與參照位置光束發(fā)生器相對(duì)的位置，它用于調(diào)整參照位置光束的設(shè)定。光通過(guò)位置檢測(cè)器和移動(dòng)端光束位置檢測(cè)器具有指明在二維平面內(nèi)光束被發(fā)射出的位置的功能。這些檢測(cè)器可以用多種方法實(shí)現(xiàn)。
例如，如圖3中所示，使用二維CCD(電荷耦合類型固態(tài)反射設(shè)備)。因?yàn)楫?dāng)前沒(méi)有CCD，當(dāng)光束被檢測(cè)到以后，光束可以通過(guò)檢測(cè)表面，所以圖3的例子中用一個(gè)光束分離器(一種光束分離設(shè)備，它用以通過(guò)在光束前進(jìn)方向上的部分入射光，并且在通過(guò)光束以前對(duì)入射方向和垂直方向上剩余部分光束進(jìn)行折射)來(lái)構(gòu)成光通過(guò)位置檢測(cè)器。
這里，直線前進(jìn)且與X軸平行的入射光束在入射方向和垂直方向上被光束分離器所折射，并且被折射的入射光束被CCD接收以檢測(cè)光束的位置。所以，當(dāng)圖2中的滑塊偏向于Y軸方向時(shí)，如圖3中所示，入射光束偏離于初始光束，并且可由CCD最初應(yīng)接收光束的參照位置和CCD實(shí)際檢測(cè)到光束的光束接收位置來(lái)確定偏移量?？梢岳斫猓褂糜糜跈C(jī)床的X軸移動(dòng)的上述可移動(dòng)單元位置檢測(cè)設(shè)備1和移動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備2，作為移動(dòng)狀態(tài)，偏移量Dy(xc)、Dz(xc)可以被檢測(cè)出來(lái)，它們指明在某一特定時(shí)刻參照光束的通過(guò)位置(ybc,zbc)遠(yuǎn)離滑塊位置xc上預(yù)定參照位置(ybr,zbr)的程度。在這里，Dy(xc)和Dz(xc)分別用如下公式表達(dá)。
Dy(xc)=ybc(xc)-ybr(xc)Dz(xc)=zbc(xc)-zbr(xc)在計(jì)算中使用的參照位置ybr、zbr可以對(duì)應(yīng)于xc預(yù)先以參照表或數(shù)學(xué)函數(shù)的形式在移動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備2中設(shè)定和存儲(chǔ)。而且，當(dāng)由于某些原因參照位置光束的設(shè)定偏離于初始設(shè)定位置，移動(dòng)端光束位置檢測(cè)器通過(guò)使用上述相同方式的簡(jiǎn)單計(jì)算可以檢測(cè)出光束位置的偏移量。對(duì)于參照光束位置的設(shè)定，參照位置光束發(fā)生器和移動(dòng)端光束位置檢測(cè)器可以按受到擾動(dòng)或其他類似因素影響最少的空間布局被安裝。
如上所述，移動(dòng)位置xc被移動(dòng)位置檢測(cè)設(shè)備1檢測(cè)到，并被傳送到移動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備2，這樣被用于在移動(dòng)狀態(tài)和移動(dòng)位置之間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。移動(dòng)位置xc和相應(yīng)的位移Dy(xc)與Dz(xc)從移動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備2傳送到移動(dòng)誤差計(jì)算設(shè)備3。而且，由移動(dòng)端光束位置檢測(cè)器在移動(dòng)端檢測(cè)到的位移量Dye(x)和Dze(x)也被傳送到移動(dòng)誤差計(jì)算設(shè)備3。
移動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備2和可移動(dòng)單元位置檢測(cè)設(shè)備1的操作已根據(jù)只沿X軸移動(dòng)的例子被描述過(guò)了，但甚至當(dāng)機(jī)床是由多個(gè)移動(dòng)軸組成時(shí)，也可實(shí)現(xiàn)這一操作。例如，在具有移動(dòng)軸(X,Y,Z)的三軸機(jī)床的情況中，每個(gè)移動(dòng)軸(X,Y,Z)的構(gòu)成如圖2所示，且移動(dòng)的當(dāng)前位置xc,yc,zc由可移動(dòng)單元位置檢測(cè)設(shè)備1傳送到移動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備2。接收這些數(shù)據(jù)的移動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備2然后檢測(cè)在當(dāng)前位置xc,yc,zc相對(duì)于X軸，Y軸，和Z軸的偏移，以及在每個(gè)軸的移動(dòng)端的偏移。
特別地，偏移量Dy(xc)和Dz(xc)作為相對(duì)于X軸移動(dòng)的移動(dòng)狀態(tài)，以及偏移量Dye(x)和Dze(x)作為在X軸移動(dòng)端的光束位置誤差都被檢測(cè)出。用同樣的方法，偏移量Dx(yc)和Dz(yc)作為相對(duì)于Y軸的移動(dòng)狀態(tài)，偏移量Dxe(y)和Dze(y)作為在Y軸移動(dòng)端的光束位置誤差，偏移量Dx(zc)和Dy(zc)作為相對(duì)于Z軸的移動(dòng)狀態(tài)，以及偏移量Dxe(z)和Dye(z)作為在Z軸軸向移動(dòng)端的光束位置誤差，都分別被檢測(cè)出。
Dy(xc)=ybc(xc)-ybr(xc)Dz(xc)=zbc(xc)-zbr(xc)Dye(x)=yce(x)-yre(x)Dze(x)=Zce(x)-zre(x)Dx(yc)=xbc(yc)-xbr(yc)Dz(yc)=zbc(yc)-zbr(yc)Dxe(y)=xce(y)-xre(y)Dze(y)=zce(y)-zre(y)Dx(zc)=xbc(zc)-xbr(zc)Dy(zc)=ybc(zc)-ybr(zc)Dxe(z)=xce(z)-xre(z)Dye(z)=yce(z)-zre(z)上面等式中每個(gè)分量定義如下xc:X軸的可移動(dòng)單元位置檢測(cè)設(shè)備中檢測(cè)到的在X軸上移動(dòng)的滑塊(X軸滑塊)上的一個(gè)特定點(diǎn)的當(dāng)前位置；yc:Y軸的可移動(dòng)單元位置檢測(cè)設(shè)備中檢測(cè)到的在Y軸上移動(dòng)的滑塊(Y軸滑塊)上的一個(gè)特定點(diǎn)的當(dāng)前位置；zc:Z軸的可移動(dòng)單元位置檢測(cè)設(shè)備中檢測(cè)到的在Z軸上移動(dòng)的滑塊(Z軸滑塊)上的一個(gè)特定點(diǎn)的當(dāng)前位置；ybc(xc)當(dāng)X軸參照光束在X軸滑塊位置xc通過(guò)X軸光通過(guò)位置檢測(cè)器時(shí)在檢測(cè)器上的y方向光束通過(guò)位置坐標(biāo)值；zbc(xc)當(dāng)X軸參照光束在X軸滑塊位置xc通過(guò)X軸光通過(guò)位置檢測(cè)器時(shí)在檢測(cè)器上的z方向光束通過(guò)位置坐標(biāo)值；xbc(yc)當(dāng)Y軸參照光束在Y軸滑塊位置yc通過(guò)Y軸光通過(guò)位置檢測(cè)器時(shí)在檢測(cè)器上的x方向光束通過(guò)位置坐標(biāo)值；zbc(yc)當(dāng)Y軸參照光束在Y軸滑塊位置yc通過(guò)Y軸光通過(guò)位置檢測(cè)器時(shí)在檢測(cè)器上的z方向光束通過(guò)位置坐標(biāo)值；xbc(zc)當(dāng)Z軸參照光束在Z軸滑塊位置zc通過(guò)Z軸光通過(guò)位置檢測(cè)器時(shí)在檢測(cè)器上的x方向光束通過(guò)位置坐標(biāo)值；ybc(zc)當(dāng)Z軸參照光束在Z軸滑塊位置zc通過(guò)Z軸光通過(guò)位置檢測(cè)器時(shí)在檢測(cè)器上的y方向光束通過(guò)位置坐標(biāo)值；ybr(xc)當(dāng)X軸參照光束在X軸滑塊位置xc應(yīng)通過(guò)X軸光通過(guò)位置檢測(cè)器時(shí)在檢測(cè)器上的y方向光束通過(guò)的參照位置坐標(biāo)值；zbr(xc)當(dāng)X軸參照光束在X軸滑塊位置xc應(yīng)通過(guò)X軸光通過(guò)位置檢測(cè)器時(shí)在檢測(cè)器上的z方向光束通過(guò)的參照位置坐標(biāo)值；xbr(yc)當(dāng)Y軸參照光束在Y軸滑塊位置yc應(yīng)通過(guò)Y軸光通過(guò)位置檢測(cè)器時(shí)在檢測(cè)器上的x方向光束通過(guò)的參照位置坐標(biāo)值；zbr(yc)當(dāng)Y軸參照光束在Y軸滑塊位置yc應(yīng)通過(guò)Y軸光通過(guò)位置檢測(cè)器時(shí)在檢測(cè)器上的z方向光束通過(guò)的參照位置坐標(biāo)值；xbr(zc)當(dāng)Z軸參照光束在Z軸滑塊位置zc應(yīng)通過(guò)Z軸光通過(guò)位置檢測(cè)器時(shí)在檢測(cè)器上的x方向光束通過(guò)的參照位置坐標(biāo)值；ybr(zc)當(dāng)Z軸參照光束在Z軸滑塊位置zc應(yīng)通過(guò)Z軸光通過(guò)位置檢測(cè)器時(shí)在檢測(cè)器上的y方向光束通過(guò)的參照位置坐標(biāo)值；yce(x)當(dāng)X軸移動(dòng)端光束檢測(cè)器檢測(cè)出X軸參照位置光束時(shí)在光束檢測(cè)器上y方向坐標(biāo)值；zce(x)當(dāng)X軸移動(dòng)端光束檢測(cè)器檢測(cè)出X軸參照位置光束時(shí)在光束檢測(cè)器上z方向坐標(biāo)值；xce(y)當(dāng)Y軸移動(dòng)端光束檢測(cè)器檢測(cè)出Y軸參照位置光束時(shí)在光束檢測(cè)器上x(chóng)方向坐標(biāo)值；zce(y)當(dāng)Y軸移動(dòng)端光束檢測(cè)器檢測(cè)出Y軸參照位置光束時(shí)在光束檢測(cè)器上z方向坐標(biāo)值；xce(z)當(dāng)Z軸移動(dòng)端光束檢測(cè)器檢測(cè)出Z軸參照位置光束時(shí)在光束檢測(cè)器上x(chóng)方向坐標(biāo)值；yce(z)當(dāng)Z軸移動(dòng)端光束檢測(cè)器檢測(cè)出Z軸參照位置光束時(shí)在光束檢測(cè)器上y方向坐標(biāo)值；yre(x)在X軸移動(dòng)端光束檢測(cè)器應(yīng)檢測(cè)出X軸參照位置光束時(shí)光束在光束檢測(cè)器上y方向坐標(biāo)值；zre(x)在X軸移動(dòng)端光束檢測(cè)器應(yīng)檢測(cè)出X軸參照位置光束時(shí)光束在光束檢測(cè)器上z方向坐標(biāo)值；xre(y)在Y軸移動(dòng)端光束檢測(cè)器應(yīng)檢測(cè)出Y軸參照位置光束時(shí)光束在光束檢測(cè)器上x(chóng)方向坐標(biāo)值；zre(y)在Y軸移動(dòng)端光束檢測(cè)器應(yīng)檢測(cè)出Y軸參照位置光束時(shí)光束在光束檢測(cè)器上z方向坐標(biāo)值；xre(z)在Z軸移動(dòng)端光束檢測(cè)器應(yīng)檢測(cè)出Z軸參照位置光束時(shí)光束在光束檢測(cè)器上x(chóng)方向坐標(biāo)值；yre(z)在Z軸移動(dòng)端光束檢測(cè)器應(yīng)檢測(cè)出Z軸參照位置光束時(shí)光束在光束檢測(cè)器上y方向坐標(biāo)值。
移動(dòng)誤差計(jì)算設(shè)備3通過(guò)合成從另外兩個(gè)軸的移動(dòng)參照位置檢測(cè)到的作為每個(gè)移動(dòng)軸的移動(dòng)位置偏移的三維坐標(biāo)位置的移動(dòng)狀態(tài)來(lái)計(jì)算三維坐標(biāo)位置中的移動(dòng)誤差。當(dāng)三維坐標(biāo)位置被設(shè)定為P(xc,yc,zc)，則在位置P上X方向移動(dòng)誤差Ex是Dx(yc)和Dx(zc)的函數(shù)，且表達(dá)如下Ex=Fxy(xc,yc,zc)Dx(yc)+Fxz(xc,yc,zc)Dx(zc)這里，F(xiàn)xy(xc,yc,zc)是一個(gè)表明X方向偏移Dx(yc)對(duì)取決于位置(xc,yc,zc)中Y軸位置(yc)的合成的x方向移動(dòng)誤差產(chǎn)生影響的程度的函數(shù)。同樣，F(xiàn)xz(xc,yc,zc)是一個(gè)表明X軸方向偏移Dx(zc)對(duì)取決于位置(xc,yc,zc)中Z軸位置(zc)的合成的x方向移動(dòng)誤差產(chǎn)生影響的程度的函數(shù)。考慮到滑塊移動(dòng)機(jī)制、移動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備2的設(shè)置位置和進(jìn)一步包括移動(dòng)機(jī)制的機(jī)械空間結(jié)構(gòu)(幾何結(jié)構(gòu))，從而決定這些函數(shù)。為了簡(jiǎn)化說(shuō)明，此后位置產(chǎn)生的影響程度一般被假定為1。在這種情況下，合成的x方向移動(dòng)誤差Ex被表達(dá)為一個(gè)簡(jiǎn)單的算術(shù)和。
Ex=Dx(yc)+Dx(zc)同樣，y方向和z方向移動(dòng)誤差可以被如下方式表達(dá)Ey=Dy(zc)+Dy(xc)Ez=Dz(xc)+Dz(yc)計(jì)算出的移動(dòng)誤差被傳送給移動(dòng)誤差補(bǔ)償設(shè)備4。
移動(dòng)誤差補(bǔ)償設(shè)備4將計(jì)算出的移動(dòng)誤差Ex,Ey和Ez轉(zhuǎn)換成位置上的誤差補(bǔ)償量，它被傳送到位置控制設(shè)備。位置控制設(shè)備在連續(xù)補(bǔ)償機(jī)械移動(dòng)誤差時(shí)可以通過(guò)連續(xù)地增加位置上的誤差補(bǔ)償量到位置控制值上來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。
上述中，本發(fā)明的基本操作過(guò)程已被描述。然而，通過(guò)額外地提供一個(gè)存儲(chǔ)移動(dòng)狀態(tài)的裝置，下面的應(yīng)用就成為可能。
可制造某些類型的機(jī)床以具有相對(duì)于參照光束的位置誤差。在這種情況下，如圖4所示，故意產(chǎn)生的移動(dòng)狀態(tài)被預(yù)先存放在第一移動(dòng)狀態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備5中。在機(jī)械移動(dòng)的時(shí)候，存放在第一移動(dòng)狀態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備5中的移動(dòng)狀態(tài)和連續(xù)檢測(cè)到的移動(dòng)狀態(tài)被一起傳送到移動(dòng)誤差計(jì)算設(shè)備3。移動(dòng)誤差計(jì)算設(shè)備3從移動(dòng)狀態(tài)中計(jì)算出移動(dòng)誤差，且移動(dòng)誤差補(bǔ)償設(shè)備4進(jìn)行位置補(bǔ)償。在這種情況下，機(jī)械移動(dòng)誤差連續(xù)被補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)被控制使得在制造時(shí)產(chǎn)生的位置誤差得以維持。
在圖5中所示的方法中，由移動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備2傳送來(lái)的移動(dòng)位置和移動(dòng)狀態(tài)需要時(shí)被存儲(chǔ)在第二移動(dòng)狀態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備6中。移動(dòng)誤差計(jì)算設(shè)備3根據(jù)從移動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備2傳送的連續(xù)檢測(cè)到的移動(dòng)狀態(tài)和存儲(chǔ)在第二移動(dòng)狀態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備6中的移動(dòng)狀態(tài)計(jì)算出移動(dòng)誤差，且移動(dòng)誤差補(bǔ)償設(shè)備4進(jìn)行位置補(bǔ)償。
用這種方法，當(dāng)具有同樣配置的許多部分被加工時(shí)，移動(dòng)狀態(tài)在加工第一部分時(shí)被存儲(chǔ)在第二移動(dòng)狀態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備6中，且在加工后續(xù)部分時(shí)利用預(yù)先存儲(chǔ)在第二移動(dòng)狀態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備6中的移動(dòng)狀態(tài)和連續(xù)檢測(cè)到的移動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行控制以連續(xù)補(bǔ)償機(jī)械移動(dòng)誤差，從而保持在第一個(gè)部分處理時(shí)的位置誤差。
進(jìn)一步，結(jié)合使用用于存儲(chǔ)預(yù)定移動(dòng)狀態(tài)的第一移動(dòng)狀態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備5和需要時(shí)用于存儲(chǔ)移動(dòng)狀態(tài)的第二移動(dòng)狀態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備6這一方法成為可能。
同樣，檢測(cè)從每個(gè)移動(dòng)軸的移動(dòng)參照位置偏移的實(shí)施例已用圖3進(jìn)行說(shuō)明。進(jìn)一步，如圖6所示，通過(guò)安裝兩個(gè)二維CCD，可以從相對(duì)于移動(dòng)軸的移動(dòng)參照軸檢測(cè)出轉(zhuǎn)矩。也就是說(shuō)，移動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備2根據(jù)由CCD1和CCD2檢測(cè)到的x1,x2通過(guò)使用下列等式(1),(2)和(3)計(jì)算出轉(zhuǎn)矩α和偏移y1和y2，并且將轉(zhuǎn)矩和偏移作為移動(dòng)狀態(tài)傳送到移動(dòng)誤差計(jì)算設(shè)備3。等式(1)…tanα=(y1+y2)/(L+(y1+y2)tanφ)等式(2)…y1=(h tanα-x1)/(tanφ-tanα)等式(3)…y2=(h tanα-x2)/(tanφ-tanα)移動(dòng)誤差計(jì)算設(shè)備3根據(jù)檢測(cè)到的轉(zhuǎn)矩和偏移計(jì)算出移動(dòng)誤差。例如，利用上述α,y1和y2作為參數(shù)用于計(jì)算y方向移動(dòng)誤差Ey的算術(shù)函數(shù)被設(shè)定和存儲(chǔ)，以便根據(jù)被按X軸移動(dòng)的移動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備2連續(xù)檢測(cè)到的α,y1和y2計(jì)算出y方向移動(dòng)誤差。這種方法也可運(yùn)用到沿X軸移動(dòng)的z方向移動(dòng)誤差Ez，沿Y軸移動(dòng)的x方向和z方向移動(dòng)誤差Ex和Ez，以及在Z方向上移動(dòng)的x方向和y方向移動(dòng)誤差Ex和Ey。
工業(yè)實(shí)現(xiàn)的可行性如上所述，根據(jù)本發(fā)明，由于在正常機(jī)械運(yùn)行期間內(nèi)進(jìn)行校正，所以在機(jī)械運(yùn)行期間可以捕獲到最新的移動(dòng)誤差?；谶@個(gè)誤差，移動(dòng)誤差可以被補(bǔ)償，從而減小機(jī)械運(yùn)行誤差。
同樣，由于正常機(jī)械運(yùn)行不需要停下來(lái)以進(jìn)行校正和校驗(yàn)操作，所以機(jī)械運(yùn)行效率與以前技術(shù)相比可以被顯著提高。
進(jìn)一步，由于測(cè)量設(shè)備被嵌入數(shù)控機(jī)床內(nèi)部并且可一直被使用而不需要進(jìn)行安裝操作，所以不需要每次需要校正時(shí)去在機(jī)床上安裝測(cè)量設(shè)備且在完成測(cè)量操作時(shí)從機(jī)床上卸下測(cè)量設(shè)備。
更進(jìn)一步地是，光傳播作為測(cè)量的主要方法被使用，而基于光波長(zhǎng)的距離測(cè)量方法不再被用作主要方法。所以，測(cè)量準(zhǔn)確度不再受溫度、空氣振動(dòng)、濕度或類似因素的影響。這種測(cè)量方法甚至在一般工廠環(huán)境中也可非常容易地在機(jī)床正常運(yùn)行期間被使用。
權(quán)利要求
1．一種數(shù)控機(jī)床中的誤差補(bǔ)償設(shè)備，包括可移動(dòng)單元位置檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)沿軸線控制的可移動(dòng)單元的預(yù)定控制軸線上的一個(gè)位置，移動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)可移動(dòng)單元的移動(dòng)狀態(tài)，移動(dòng)誤差計(jì)算裝置，用于通過(guò)使用移動(dòng)狀態(tài)來(lái)計(jì)算機(jī)械移動(dòng)誤差，和移動(dòng)誤差補(bǔ)償裝置，用于在移動(dòng)誤差的基礎(chǔ)上補(bǔ)償移動(dòng)誤差。
2．如權(quán)利要求1中所述的誤差補(bǔ)償設(shè)備，它具有第一移動(dòng)狀態(tài)存儲(chǔ)裝置，用于預(yù)先存儲(chǔ)將被移動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)裝置檢測(cè)的移動(dòng)狀態(tài)，且其中的移動(dòng)誤差計(jì)算裝置具有從存儲(chǔ)在第一移動(dòng)狀態(tài)存儲(chǔ)器裝置的移動(dòng)狀態(tài)和當(dāng)前移動(dòng)狀態(tài)間的差值計(jì)算出移動(dòng)誤差的功能。
3．如權(quán)利要求2中所述的誤差補(bǔ)償設(shè)備，它具有第二移動(dòng)狀態(tài)存儲(chǔ)器裝置，需要時(shí)用于存儲(chǔ)由移動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)裝置檢測(cè)出的移動(dòng)狀態(tài)，且其中的移動(dòng)誤差計(jì)算裝置具有從存儲(chǔ)在第二移動(dòng)狀態(tài)存儲(chǔ)器裝置的移動(dòng)狀態(tài)和當(dāng)前移動(dòng)狀態(tài)間的差值計(jì)算出移動(dòng)誤差的功能。
4．如權(quán)利要求1中所述的誤差補(bǔ)償設(shè)備，其中移動(dòng)誤差補(bǔ)償裝置具有通過(guò)增加一個(gè)誤差補(bǔ)償值到位置控制量上而進(jìn)行機(jī)械移動(dòng)誤差的連續(xù)補(bǔ)償?shù)墓δ堋?br> 5．如權(quán)利要求1中所述的誤差補(bǔ)償設(shè)備，其中移動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)裝置檢測(cè)可移動(dòng)單元在移動(dòng)軸線方向一個(gè)特定點(diǎn)上偏離不同于移動(dòng)軸的坐標(biāo)軸位移基準(zhǔn)點(diǎn)的位移，且移動(dòng)誤差計(jì)算裝置在檢測(cè)到的位移的基礎(chǔ)上計(jì)算移動(dòng)誤差。
6．如權(quán)利要求5中所述的誤差補(bǔ)償設(shè)備，其中為了移動(dòng)狀態(tài)的檢測(cè)，使用了一個(gè)參照位置光束發(fā)生器，以產(chǎn)生平行于移動(dòng)軸方向的參照位置光束，并且一個(gè)可移動(dòng)單元二維檢測(cè)元件，它安裝在可移動(dòng)單元上，以便通過(guò)使用由參照位置光束發(fā)生器產(chǎn)生的參照位置光束來(lái)檢測(cè)偏離不同于移動(dòng)軸的坐標(biāo)軸的位移基準(zhǔn)的位移。
7．如權(quán)利要求6中所述的誤差補(bǔ)償設(shè)備，其中移動(dòng)狀態(tài)的檢測(cè)包括在偏離移動(dòng)基準(zhǔn)的位移的基礎(chǔ)上對(duì)在移動(dòng)軸上可移動(dòng)單元的轉(zhuǎn)矩的檢測(cè)，這些位移分別在安裝在一個(gè)可移動(dòng)單元上的兩個(gè)可移動(dòng)單元二維檢測(cè)設(shè)備內(nèi)被檢測(cè)出。
8．如權(quán)利要求6中所述的誤差補(bǔ)償設(shè)備，其中用于設(shè)置和調(diào)整參照位置光束的移動(dòng)端二維檢測(cè)元件被裝配在移動(dòng)端，這樣它與參照光束發(fā)生器位置相對(duì)。
9．如權(quán)利要求6中所述的誤差補(bǔ)償設(shè)備，其中可移動(dòng)單元二維檢測(cè)元件具有允許參照位置光束通過(guò)的功能并具有檢測(cè)光束通過(guò)的二維位置的功能。
10．如權(quán)利要求9中所述的誤差補(bǔ)償設(shè)備，其中對(duì)于可移動(dòng)單元二維檢測(cè)元件來(lái)說(shuō)，采用了二維CCD和光束分離器。
全文摘要
這里公布的是在數(shù)控機(jī)床上用于可移動(dòng)單元(如滑塊)的移動(dòng)誤差補(bǔ)償設(shè)備。由安裝在固定基上的一個(gè)參照位置光束發(fā)生器按滑塊移動(dòng)方向發(fā)射出一激光束?；瑝K具有光通過(guò)位置檢測(cè)器,它可檢測(cè)出激光束在YZ平面上的偏轉(zhuǎn)。為了正確地檢測(cè)出激光束的發(fā)射方向,那個(gè)固定基被安裝了一個(gè)移動(dòng)端光束位置檢測(cè)器。
文檔編號(hào)B23Q23/00GK1214003SQ9618019
公開(kāi)日1999年4月14日 申請(qǐng)日期1996年11月7日 優(yōu)先權(quán)日1996年11月7日
發(fā)明者山崎和雄, 深谷安司, 森田尚起, 松宮貞行 申請(qǐng)人:大隈株式會(huì)社, 三豐株式會(huì)社, 株式會(huì)社森精機(jī)制作所, 山崎和雄