專利名稱：數(shù)控機床定位誤差實時補償裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)控機床定位誤差實時補償裝置，能實時調(diào)整刀具與被加 工零件的相對位置，使數(shù)控機床獲得更高的加工精度。屬于精密機床技術(shù)或精 密加工領(lǐng)域。
技術(shù)背景經(jīng)過多年發(fā)展，我國機床生產(chǎn)取得了很大成績，己躋身機床生產(chǎn)大國行列， 但就技術(shù)水平和整體實力而言，在世界上僅處于第二梯隊的中前位置。目前， 我國生產(chǎn)的數(shù)控機床約占國內(nèi)市場份額的31%，其余從境外進(jìn)口。時下我國中高 端數(shù)控機床市場的絕大部分被境外產(chǎn)品占領(lǐng)，其中高端數(shù)控機床國內(nèi)產(chǎn)品的市 場占有率僅4%左右。隨著現(xiàn)代制造業(yè)對精密加工零件的要求越來越高，對高精 度的數(shù)控機床的需求將越來越大，如果單純依賴進(jìn)口，不僅花費大量外匯，而 且往往在先進(jìn)機床進(jìn)口時受制于人，因此提高我國機床產(chǎn)品的精度和可靠性有 著十分巨大的意義。提高機床精度有兩種基本方法誤差防止法和誤差補償法。誤差防止法是 試圖通過設(shè)計和制造途徑消除或減少可能的誤差源。誤差防止法采用的是"硬 技術(shù)"，它雖能減少原始誤差，但靠提高機床制造和安裝精度來滿足機床的精度 有著很大的局限性，經(jīng)濟上的代價往往很昂貴，特別是需要進(jìn)口更精密的機床 作為生產(chǎn)機床的工作母機。誤差補償是指人為地造出一種新的誤差去抵消或大 大減弱當(dāng)前成為問題的原始誤差，通過分析、統(tǒng)計、歸納及掌握原始誤差的特 點和規(guī)律，建立誤差數(shù)學(xué)模型，盡量使人為造出的誤差和原始誤差兩者的數(shù)值 相等、方向相反，從而減少加工誤差，提高零件尺寸精度。誤差補償采用的是 "軟技術(shù)"，其投入的費用與提高機床本身精度或新購買高精度機床相比較，價 格要低得多。誤差補償技術(shù)是一項具有顯著經(jīng)濟價值并十分有效的提高機床精 度的手段。目前，數(shù)控機床的定位誤差補償?shù)姆椒ㄖ饕懈鶕?jù)測量得到的誤差數(shù)據(jù)對
數(shù)控程序進(jìn)行修改，在開放式數(shù)控系統(tǒng)中則可以作為后置處理的參數(shù)進(jìn)行處理; 還有一種方法也是最常用的方法就是利用數(shù)控系統(tǒng)具有的誤差補償功能，將誤 差數(shù)據(jù)以表格的形式輸入數(shù)控系統(tǒng)對螺距誤差和背隙誤差等進(jìn)行補償。但是， 這些補償方法最大的缺點在于，機床在使用過程中，隨著機床溫度場的變化， 這些機床的定位誤差會隨著溫度的變化而變化，如果溫度變化造成的定位誤差 過大，將很大程度上影響工件的加工精度。因此，必須設(shè)計出一種實用和性能 價格比高可以對數(shù)控機床定位誤差進(jìn)行實時補償?shù)难a償裝置。目前，數(shù)控機床 誤差實時補償技術(shù)及其實時補償器在國外的工廠企業(yè)中大批量應(yīng)用的并不很 多，還沒達(dá)到商業(yè)化程度；在國內(nèi)則主要還處于實驗室階段，雖然也有文獻(xiàn)提 到研制了補償裝置，但是應(yīng)用實施復(fù)雜、適用面窄，不具有普遍性，難以推廣 實際應(yīng)用。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種數(shù)控機床定位誤差實時 補償裝置，可以根據(jù)溫度和位置參數(shù)對數(shù)控機床定位誤差進(jìn)行實時補償，提高 數(shù)控機床的加工精度，而裝置結(jié)構(gòu)簡單，使用方便、成本較低。為實現(xiàn)這一目的，本發(fā)明采用數(shù)控系統(tǒng)中機床外部坐標(biāo)系偏置功能，根據(jù) 數(shù)控機床的坐標(biāo)位置和溫度來調(diào)整數(shù)控機床上的刀具與被加工零件的相對位 置，以使得被加工零件獲得更精確的尺寸或使得數(shù)控機床獲得更高的加工精度。本發(fā)明的數(shù)控機床定位誤差實時補償裝置主要包括計算處理模塊、溫度傳 感器采集變送模塊、數(shù)控接口控制模塊。計算處理模塊包括計算處理系統(tǒng)和外 部I/O擴展子模塊；溫度傳感器采集變送模塊包括A/D轉(zhuǎn)化子模塊、溫度變送 器子模塊和溫度傳感器；數(shù)控接口控制模塊包括補償器側(cè)接口和數(shù)控機床側(cè)接 !□。計算處理模塊中，計算處理系統(tǒng)與溫度傳感器采集變送模塊中的A/D轉(zhuǎn)化 子模塊相連，外部I/0擴展子模塊通過數(shù)控接口控制模塊與數(shù)控機床相連，將機 床的位置信號傳送到計算處理系統(tǒng)。溫度傳感器采集變送模塊中，若干溫度傳感器分別置于數(shù)控機床的各個測 量點，溫度傳感器的輸出經(jīng)溫度變送器子模塊連接到A/D轉(zhuǎn)化子模塊，計算處
理系統(tǒng)與A/D轉(zhuǎn)化子模塊相連，獲得機床的溫度信號。計算處理系統(tǒng)根據(jù)機床的位置信號和溫度信號，利用預(yù)設(shè)的定位誤差數(shù)學(xué) 模型，產(chǎn)生補償信號并將補償信號通過數(shù)控接口控制模塊傳輸?shù)綑C床，利用數(shù) 控機床外部坐標(biāo)系偏置功能，完成補償過程。溫度傳感器采集變送模塊主要由溫度傳感器、溫度變送器子模塊和A/D轉(zhuǎn) 化子模塊組成。溫度傳感器置于數(shù)控機床的床身，通過導(dǎo)線與溫度變送器子模 塊連接，溫度變送器子模塊對傳感器信號進(jìn)行調(diào)理轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓹z測的電壓或電流 信號后，A/D轉(zhuǎn)化子模塊將由溫度變送器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒┯嬎闾幚砗?存儲的數(shù)字信號，計算處理系統(tǒng)根據(jù)編制的程序，依次讀入每個傳感器通道所 對應(yīng)數(shù)據(jù)地址的數(shù)值并保存在存儲器的對應(yīng)地址中。數(shù)控接口控制模塊是本發(fā) 明實現(xiàn)數(shù)控機床定位誤差補償?shù)年P(guān)鍵。計算處理模塊通過數(shù)控接口控制模塊與 數(shù)控機床相連，外部I/0擴展子模塊通過總線和計算處理系統(tǒng)相連，并通過數(shù)控 接口控制模塊的補償器側(cè)接口轉(zhuǎn)化為可以和數(shù)控機床相連的數(shù)控機床側(cè)接口 。 計算處理系統(tǒng)一方面將機床位置信號讀入，另一方面，將數(shù)控機床的定位誤差 補償控制信號，包括信號觸發(fā)、補償軸和補償值等輸出到數(shù)控機床，由數(shù)控系 統(tǒng)根據(jù)機床外部坐標(biāo)系偏置功能所需的這些輸入?yún)?shù)，對數(shù)控機床進(jìn)行外部坐 標(biāo)的偏置運動。本發(fā)明的補償信號通過數(shù)控機床的標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出接口進(jìn)入數(shù)控系統(tǒng)，利用 數(shù)控系統(tǒng)的機床外部坐標(biāo)系偏置功能來實現(xiàn)誤差的實時補償。在使用中不需要 對加工程序和數(shù)控系統(tǒng)本身運行指令進(jìn)行修改，主要是通過接口技術(shù)和計算處 理模塊的程序，并只需對機床PMC (可編程序機床控制器)的原有梯形程序添 加相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸入輸出程序等軟技術(shù)改動即可實現(xiàn)補償功能。因此，本發(fā)明裝置對原有數(shù)控系統(tǒng)和加工程序不產(chǎn)生任何影響，而且硬件 相對比較簡單，大大降低補償裝置的成本，軟件修改靈活，通用性強，這可以 為本裝置在數(shù)控系統(tǒng)定位誤差領(lǐng)域進(jìn)行推廣應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。


圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本發(fā)明裝置的工作傳輸流程圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由計算處理模塊、溫度傳感器采集變送模塊、數(shù)控接口控制模塊構(gòu)成。計算處理模塊包括計算處理系統(tǒng)和外部i/o擴展子模塊；溫度傳感器采集變送模塊包括A/D轉(zhuǎn)化子模塊、溫度變送器子模塊和若 干溫度傳感器；數(shù)控接口控制模塊可以包括補償器側(cè)接口和數(shù)控機床側(cè)接口。計算處理模塊中，計算處理系統(tǒng)通過總線與溫度傳感器采集變送模塊中的 A/D轉(zhuǎn)化子模塊相連，外部I/0擴展子模塊與計算處理系統(tǒng)相連，并通過數(shù)控接 口控制模塊與數(shù)控機床相連，將機床的位置信號傳送到計算處理系統(tǒng)。同時外 部I/O擴展子模塊將計算處理系統(tǒng)產(chǎn)生的補償信號通過數(shù)控接口控制模塊傳輸 到機床。本發(fā)明中的數(shù)控接口控制模塊可以包括補償器側(cè)接口和數(shù)控機床側(cè)接口， 外部I/O擴展子模塊與數(shù)控接口控制模塊中的補償器側(cè)接口連接，然后通過轉(zhuǎn)化 后的數(shù)控機床側(cè)接口與數(shù)控機床相連。本發(fā)明裝置中提供了和數(shù)控機床相連的 接口，在數(shù)控機床側(cè)只需在PMC (可編程機床控制器)的梯形圖中增加數(shù)據(jù)輸 入輸出的程序即可，只有當(dāng)數(shù)控機床的輸入輸出接口不夠時，才需在數(shù)控機床 處進(jìn)行接口擴展。溫度傳感器采集變送模塊中，若干溫度傳感器分別置于數(shù)控機床的各個測 量點，溫度傳感器的輸出經(jīng)溫度變送器子模塊連接到A/D轉(zhuǎn)化子模塊，溫度傳 感器的輸出信號接入溫度變送器子模塊，通過變送器調(diào)理后輸出為符合要求的 電壓或者電流信號，這些信號通過A/D轉(zhuǎn)化子模塊轉(zhuǎn)化為可進(jìn)行計算處理的數(shù) 字信號。計算處理系統(tǒng)與A/D轉(zhuǎn)化子模塊通過數(shù)據(jù)總線相連，獲得機床的溫度 信號。計算處理系統(tǒng)根據(jù)編制的程序和通訊協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)控機床位置信號和溫度 信號的讀取，并一起作為數(shù)控機床定位誤差數(shù)學(xué)模型的輸入，預(yù)測出誤差補償 所需的機床外部坐標(biāo)系的偏置量，通過數(shù)控接口控制模塊向機床PMC發(fā)出觸發(fā) 信號，同時輸出補償所需的坐標(biāo)軸及對應(yīng)的補償數(shù)值等參數(shù)，PMC得到觸發(fā)后 將這些數(shù)值讀入并由相應(yīng)的軸控伺服單元進(jìn)行實時處理，利用數(shù)控機床外部坐 標(biāo)系偏置功能對機床進(jìn)行偏移運動，完成定位誤差補償過程。本發(fā)明的工作流程如圖2所示，當(dāng)啟動補償裝置后，裝置首先要進(jìn)行初始 化， 一切正常之后，則由計算處理系統(tǒng)發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令，從溫度傳感器所對 應(yīng)的數(shù)據(jù)地址處依次讀入機床上各測量點的溫度數(shù)值到計算處理系統(tǒng)的存儲 器，同時向PMC發(fā)送讀入位置參數(shù)的觸發(fā)信號，并將機床所對應(yīng)的位置信號參數(shù)讀入存儲器。當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成之后，則根據(jù)定位誤差的數(shù)學(xué)模型計算當(dāng)前溫 度條件當(dāng)前位置處的誤差值。為了防止機床坐標(biāo)原點偏置的誤操作，造成加工 誤差，還要對這個誤差值進(jìn)行判定，如果過大則取消偏置操作，如果較大則以 預(yù)定的上限值進(jìn)行補償，這一預(yù)定上限值一般為機床可能出現(xiàn)的最大誤差值。 當(dāng)誤差數(shù)據(jù)完成判定并調(diào)整為正確的補償值之后，由計算處理系統(tǒng)生成補償參 數(shù)，這些補償參數(shù)包括補償功能代碼、補償軸、補償值，補償方向(以補償值的正負(fù)表示)。有了這些補償參數(shù)之后，再次向PMC發(fā)出觸發(fā)信號，要求讀入 這些補償參數(shù)，當(dāng)PMC接收完這些補償信號之后， 一次補償工作完成，系統(tǒng)重 新進(jìn)入數(shù)據(jù)采集過程。機床補償?shù)目刂浦饕ㄟ^補償裝置和數(shù)控機床的PMC的信息交換完成。機 床進(jìn)入正常工作之后，讀入零件的加工程序，PMC按照原有的梯形圖程序進(jìn)行 工作，也就是新加入的梯形圖程序?qū)υ袡C床工作沒有任何影響。在工作過程 中，PMC接收到觸發(fā)信號則進(jìn)入補償工作流程，如果得到的是要求發(fā)送位置參 數(shù)的觸發(fā)信號，則PMC將數(shù)控系統(tǒng)CNC中位置寄存器的位置參數(shù)輸出，輸出 信號包括坐標(biāo)軸的軸號和位置參數(shù)，當(dāng)所有軸的位置信號都輸出完畢時，繼續(xù) 進(jìn)入PMC的原有程序，如果得到的是請求輸入補償值的觸發(fā)信號，則PMC將 補償裝置發(fā)送的補償信號，包括軸號和補償值讀入CNC系統(tǒng)，并由軸控伺服單 元進(jìn)行軸的偏移操作。同樣，完成操作后，PMC繼續(xù)運行原有程序。很顯然， 添加的補償程序梯形圖對原有的機床工作沒有任何影響，只有得到觸發(fā)時才會 進(jìn)行補償工作?？梢钥吹奖景l(fā)明裝置的最大優(yōu)點在于這種補償方式既不影響CNC中的坐標(biāo) 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，這種方法 可以說是不可見的，不影響原來的正常操作。
權(quán)利要求
1、 一種數(shù)控機床定位誤差實時補償裝置，其特征在于由計算處理模塊、溫 度傳感器采集變送模塊、數(shù)控接口控制模塊構(gòu)成；計算處理模塊包括計算處理 系統(tǒng)和外部I/O擴展子模塊；溫度傳感器采集變送模塊包括A/D轉(zhuǎn)化子模塊、 溫度變送器子模塊和若干溫度傳感器；數(shù)控接口控制模塊包括補償器側(cè)接口和 數(shù)控機床側(cè)接口；計算處理模塊中，計算處理系統(tǒng)與溫度傳感器采集變送模塊中的A/D轉(zhuǎn)化 子模塊相連，外部I/0擴展子模塊通過數(shù)控接口控制模塊與數(shù)控機床相連，將機 床的位置信號傳送到計算處理系統(tǒng)；溫度傳感器采集變送模塊中，若干溫度傳感器分別置于數(shù)控機床的各個測 量點，溫度傳感器的輸出經(jīng)溫度變送器子模塊連接到A/D轉(zhuǎn)化子模塊，計算處 理系統(tǒng)與A/D轉(zhuǎn)化子模塊相連，獲得機床的溫度信號；計算處理系統(tǒng)根據(jù)機床的位置信號和溫度信號，利用預(yù)設(shè)的定位誤差數(shù)學(xué) 模型，產(chǎn)生補償信號并將補償信號通過數(shù)控接口控制模塊傳輸?shù)綑C床，利用數(shù) 控機床外部坐標(biāo)系偏置功能，完成補償過程。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種數(shù)控機床定位誤差實時補償裝置，基于機床外部坐標(biāo)系偏置的數(shù)控機床定位誤差實時補償器，包括計算處理模塊、溫度傳感器采集變送模塊和數(shù)控接口控制模塊。計算處理模塊中的計算處理系統(tǒng)在采集數(shù)控機床溫度信號的同時，還接收來自數(shù)控系統(tǒng)的機床坐標(biāo)位置信號，并將這兩種信號輸入預(yù)先設(shè)置的定位誤差數(shù)學(xué)模型中計算得到補償值，并通過數(shù)控系統(tǒng)的接口將補償值送入數(shù)控機床，利用機床數(shù)控系統(tǒng)中的外部坐標(biāo)系偏置功能實時調(diào)整機床的運動位置，完成補償過程。本發(fā)明主要通過接口和軟件的設(shè)計完成補償操作，對原有數(shù)控系統(tǒng)和加工程序不產(chǎn)生任何影響，硬件相對比較簡單，軟件修改靈活，通用性強。
文檔編號G05B19/404GK101122791SQ20071004590
公開日2008年2月13日 申請日期2007年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月13日
發(fā)明者劉國良, 張宏韜, 楊建國, 沈金華, 郭前建 申請人:上海交通大學(xué)