專利名稱：工具機(jī)熱誤差補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種工具機(jī)熱誤差補(bǔ)償方法，尤其是涉及一種考慮工具機(jī)結(jié)構(gòu)幾何設(shè)
計(jì)與材料性質(zhì)，通過結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱運(yùn)算單元及誤差補(bǔ)償運(yùn)算單元補(bǔ)償工具機(jī)熱誤差的方法。
背景技術(shù)：
熱誤差的問題是精密機(jī)械研發(fā)過程中永遠(yuǎn)必須面對的課題；自1960年代起，相關(guān) 研究便未曾間斷過，其主要目的乃是發(fā)展系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)邏輯或是補(bǔ)償方法，借此來抑制或 改善工具機(jī)因溫度變異所產(chǎn)生的誤差，進(jìn)而提升工具機(jī)的精度與穩(wěn)定性。雖然全球?qū)＜覍W(xué) 者于工具機(jī)熱誤差相關(guān)的研究投入已近半個世紀(jì)，但對于近來精密模具、生醫(yī)應(yīng)用、消費(fèi)性 電子等產(chǎn)業(yè)的精微加工需求，溫度變異對于機(jī)臺精度的影響更是不容忽視，發(fā)展有效且可 靠的熱誤差因應(yīng)技術(shù)，已是近年來工具機(jī)技術(shù)發(fā)展必要投入的重點(diǎn)項(xiàng)目。 工具機(jī)種類繁多，例如綜合加工中心機(jī)、攻牙加工中心機(jī)、鋸床、車床、放電加工 機(jī)、銑床、磨床、鉆床、攻牙機(jī)、焊接切割設(shè)備、沖床、折床、金屬加工機(jī)等機(jī)械及其外圍設(shè)備； 通常，工具機(jī)熱源種類可分為外部與內(nèi)部熱源；外部熱源主要包括外在環(huán)境與人為影響所 造成的溫度變異，內(nèi)部熱源則是包括機(jī)械本體運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的熱，機(jī)械本體熱源主要有 各軸向馬達(dá)、主軸、冷卻系統(tǒng)、導(dǎo)軌或螺桿等運(yùn)動接口所產(chǎn)生的熱量。不管是外部或是內(nèi)部 熱源，上述各種熱源會以傳導(dǎo)、對流、或是輻射的方式來改變機(jī)械結(jié)構(gòu)的熱狀態(tài)，致使刀具 尖點(diǎn)產(chǎn)生位移而造成所謂的熱誤差。根據(jù)研究文獻(xiàn)記載，工具機(jī)加工總誤差量約有40-70% 是由熱誤差所貢獻(xiàn)，可見其對于工具機(jī)加工精度的影響，扮演著絕對關(guān)鍵的角色。 一般而 言，針對工具機(jī)熱誤差的因應(yīng)策略主要可分為兩種方式， 一種是采用被動補(bǔ)償方式，通過建 構(gòu)工具機(jī)熱誤差預(yù)測模型，以軟件方式來進(jìn)行誤差量的補(bǔ)償；另一種策略則是采用主動抑 制方式，于設(shè)計(jì)階段即設(shè)法讓誤差產(chǎn)生量降低，其目的在于控制或避免熱誤差的生成。相較 于主動熱抑制的設(shè)計(jì)方式，采取熱誤差軟件補(bǔ)償?shù)氖侄胃哂斜憷郧曳辖?jīng)濟(jì)效益，它 并非直接移除或減少工具機(jī)產(chǎn)生的熱誤差，而是利用實(shí)驗(yàn)量測結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算分析，通過軟 件方式來彌補(bǔ)誤差的影響，此種方法也廣受國外工具機(jī)廠使用，例如日本Mazak與Okuma、 瑞士Mikron等。因此，如何改善現(xiàn)有補(bǔ)償技術(shù)，研發(fā)更精確、更可靠的熱誤差補(bǔ)償方法，乃 是工具機(jī)業(yè)者長期以來持續(xù)投入的目標(biāo)。 關(guān)于熱誤差補(bǔ)償方法架構(gòu)的研究與以往技術(shù)，概述如下。 例如公開文獻(xiàn)，C. H. Lo， J. Yuan, J. Ni， An application of real-timeerror compensation on a turning centre, International Journal ofMachine Tools and Manufacture 35 (12) (1995) 1669-1682。該文獻(xiàn)主要公開一種關(guān)于工具機(jī)實(shí)時誤差補(bǔ)償方 法，通過工具機(jī)本體的溫度感測、軸向位置、以及刀具信息，利用預(yù)建的誤差模型計(jì)算出位 置誤差預(yù)測值，進(jìn)而傳送至控制器完成補(bǔ)償動作。文中說明為清楚了解整機(jī)結(jié)構(gòu)可能的熱 誤差行為，于工具機(jī)上布建了 80個溫度傳感器，之后利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，以減少實(shí)際 應(yīng)用時的傳感器數(shù)目。該研究說明了熱誤差補(bǔ)償技術(shù)的開發(fā)，必須仰賴完整的工具機(jī)溫度 感測信息，方能提供充分信息以建構(gòu)誤差模型；然而，在工具機(jī)上布建高達(dá)80個溫度傳感
3器的方法，不僅布置困難度極高，同時增加了技術(shù)發(fā)展的成本、限制了實(shí)用性。 例如中國臺灣新型專利公告M290082號"工具機(jī)的熱補(bǔ)償裝置"，主要針對熱誤差
補(bǔ)償方法建構(gòu)一套裝置，包括將若干溫度傳感器設(shè)置于工具機(jī)的熱量產(chǎn)生位置或熱集中位
置、一用以獲取溫度傳感器所測得的溫度數(shù)據(jù)的溫度卡，以及一用以作系統(tǒng)監(jiān)控、運(yùn)算數(shù)據(jù)
及控制補(bǔ)償系統(tǒng)的控制器，該控制器包含有宏程序單元與可程序邏輯控制單元，借此對工
具機(jī)的主軸與進(jìn)給系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)所造成的熱量進(jìn)行監(jiān)控，并通過控制器系統(tǒng)運(yùn)算補(bǔ)償主軸的熱
誤差，以達(dá)成工具機(jī)加工精度準(zhǔn)確性。該案主張的專利申請范圍為誤差補(bǔ)償所需相關(guān)組件
與裝置，運(yùn)作原理主要是利用感測組件所測得的信號，通過其自制的程序語言，運(yùn)算出熱誤
差量進(jìn)行補(bǔ)償，與上述文獻(xiàn)采用的手段相似，因此，該裝置對于溫度感測信息的全面掌握程
度(即傳感器的布局)，同樣具有高度的依賴性，換言之，由于過度依賴溫度傳感器，因此未
設(shè)置溫度傳感器的部位則無法進(jìn)行檢測分析。 例如中國臺灣專利公開200812746號"工具機(jī)的高解析智能型熱補(bǔ)償方法"，該案 揭露一種控制器系統(tǒng)，其包含宏程序單元，利用內(nèi)部的程序獲取工具機(jī)主軸轉(zhuǎn)速區(qū)段作為 補(bǔ)償依據(jù)，判斷出主軸轉(zhuǎn)速的范圍區(qū)段，并施以具智慧判斷的方式得出合適的補(bǔ)償方程式 以計(jì)算出補(bǔ)償量，將補(bǔ)償量以控制器的最小移動單位為基礎(chǔ)，提升成為一高解析補(bǔ)償量；借 此補(bǔ)償方法，使熱誤差量更容易控制，有效提升工具機(jī)精密補(bǔ)償?shù)囊苿?，增進(jìn)工具機(jī)的熱補(bǔ) 償功能。為獲得更多利于建立補(bǔ)償模型的參考信息，該專利主要將主軸各種不同的轉(zhuǎn)速條 件納入考慮，并以最小移動單位進(jìn)行補(bǔ)償；但，對于結(jié)構(gòu)其它內(nèi)部熱源在不同位置與不同進(jìn) 給條件時，其交互作用下產(chǎn)生的影響則無從得知。 例如美國發(fā)明專利6167634號"Measurement and compensation systemfor thermal errors in machine tools",該專利主要針對工具機(jī)主軸與進(jìn)給系統(tǒng)的熱誤差， 提出一種工具機(jī)的熱誤差量測與補(bǔ)償模塊系統(tǒng)，該補(bǔ)償系統(tǒng)由若干個溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換 器、位置檢知、誤差運(yùn)算、以及模型數(shù)據(jù)庫等構(gòu)成。在主軸說明方面，主要利用九個溫度傳感 器與五個電容式位移計(jì)，來量測主軸的溫升與誤差量，并利用量測結(jié)果來建構(gòu)誤差預(yù)測模 型。在進(jìn)給系統(tǒng)方面，則是利用十二個溫度傳感器與雷射干涉儀來量測，并建立在不同進(jìn)給 速率條件下的誤差模型數(shù)據(jù)庫。該專利除考慮主軸不同轉(zhuǎn)速外，也考慮了不同進(jìn)給速率對 于熱誤差的影響，借此強(qiáng)化誤差模型的準(zhǔn)確性；然而，如同先前專利技術(shù)，此法高度依賴溫 度傳感器的布建方式，對于整體結(jié)構(gòu)幾何、構(gòu)件相對位置、熱源交互作用等因素都無考慮， 如此使得此法較適用于與實(shí)驗(yàn)條件相同的加工場合，對于實(shí)驗(yàn)條件外的應(yīng)用狀況，補(bǔ)償模 型的可靠度便降低許多。 根據(jù)上述公開文獻(xiàn)及以往專利可知，以往技術(shù)采取的熱誤差補(bǔ)償方法主要包括三 步驟 (1)利用溫度傳感器量測工具機(jī)熱量發(fā)生位置或最聚集位置，并獲??； (2)利用以數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法建構(gòu)的誤差補(bǔ)償模型，將感測到各點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為熱
誤差補(bǔ)償量值； (3)將補(bǔ)償量值傳送至控制器進(jìn)行補(bǔ)償。
而上述以往熱誤差補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)，可歸納如下 1)缺乏結(jié)構(gòu)整體物理信息由于熱誤差的產(chǎn)生主要來自于溫度變異對于整體結(jié) 構(gòu)的影響，以往技術(shù)對于誤差模型的建立僅參考各個單點(diǎn)溫度的感測信息，無法反應(yīng)出結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)相關(guān)的物理信息，如幾何形狀與材料性質(zhì)。 2)熱源交叉效應(yīng)不易判斷對于工具機(jī)而言，當(dāng)各軸向在不同位置時，各種熱源 彼此相對的位置隨之改變，其交互作用所導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的熱誤差則變得不易判斷。換言之，即使 在相同的感測溫度條件下，也可能產(chǎn)生不同的熱誤差；因此，對于以往技術(shù)而言，便需要仰 賴大量的實(shí)驗(yàn)決定感測布局方式，以降低此種情形發(fā)生的機(jī)率。
3)有限的溫度信息供模型使用由于熱誤差運(yùn)算的參數(shù)依據(jù)，主要來自于傳感器
所測得的溫度值，因此，傳感器的布局方式大幅影響補(bǔ)償模型的正確性與可靠性，然而，欲
了解加工機(jī)整體結(jié)構(gòu)的溫度行為，必須使用大量的感測組件，增加了技術(shù)發(fā)展成本。
4)模型準(zhǔn)確性與可靠度低因?yàn)樯鲜鋈齻€因素，導(dǎo)致了補(bǔ)償模型的準(zhǔn)確性及可靠
度不佳。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于以往技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提出一種工具機(jī)熱誤差補(bǔ)償 方法，將工具機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型、材料信息導(dǎo)入熱誤差補(bǔ)償?shù)牧鞒?，通過熱源溫度的感測， 便可計(jì)算、掌握整體結(jié)構(gòu)溫度行為信息，提供了補(bǔ)償模型所需要的充分信息，增加其正確性 與可靠性，進(jìn)而提高工具機(jī)的加工精度表現(xiàn)。 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種工具機(jī)熱誤差補(bǔ)償方法，于一工具機(jī)的 至少一熱源位置設(shè)置溫度傳感器；驅(qū)動該工具機(jī)于一運(yùn)轉(zhuǎn)條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，使熱源位置發(fā)熱； 由該溫度傳感器感測熱源位置的溫度，并產(chǎn)生溫度感測信號；由一結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱運(yùn)算單元讀取 該溫度感測信號，以及該工具機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件信息，計(jì)算并輸出至少一節(jié)點(diǎn)溫度；以及，由一 誤差補(bǔ)償運(yùn)算單元讀取該節(jié)點(diǎn)溫度，并計(jì)算出該工具機(jī)的熱誤差補(bǔ)償量。
上述工具機(jī)熱誤差補(bǔ)償方法，其特點(diǎn)在于，該溫度傳感器所產(chǎn)生的溫度感測信號 為模擬信號，將該模擬信號先送入一模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，通過該模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器將模擬信 號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，再將該數(shù)字信號送入該結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱運(yùn)算單元。 上述工具機(jī)熱誤差補(bǔ)償方法，其特點(diǎn)在于，該結(jié)構(gòu)熱傳運(yùn)算單元中儲存有該工具 機(jī)的結(jié)構(gòu)有限元素分析模型信息。 上述工具機(jī)熱誤差補(bǔ)償方法，其特點(diǎn)在于，該結(jié)構(gòu)熱傳運(yùn)算單元計(jì)算節(jié)點(diǎn)溫度的 步驟包含讀取溫度感測信號以及該工具機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件信息；針對模型信息設(shè)定熱源溫度 與位置；計(jì)算結(jié)構(gòu)熱傳溫度分布；輸出該工具機(jī)的熱集中處與特殊幾何特征的節(jié)點(diǎn)溫度。
上述工具機(jī)熱誤差補(bǔ)償方法，其特點(diǎn)在于，該結(jié)構(gòu)有限元素分析模型信息包括該 工具機(jī)的幾何與材料性質(zhì)等參數(shù)。 上述工具機(jī)熱誤差補(bǔ)償方法，其特點(diǎn)在于，該誤差補(bǔ)償運(yùn)算單元包含一補(bǔ)償模型 數(shù)據(jù)庫，該補(bǔ)償模型數(shù)據(jù)庫通過進(jìn)行各種不同實(shí)驗(yàn)所建立，其儲存不同運(yùn)轉(zhuǎn)條件下、描述溫 度信息與熱誤差關(guān)系的函數(shù)數(shù)據(jù)庫。 上述工具機(jī)熱誤差補(bǔ)償方法，其特點(diǎn)在于，該誤差補(bǔ)償運(yùn)算單元計(jì)算熱誤差補(bǔ)償 量的步驟包含讀取節(jié)點(diǎn)溫度；根據(jù)該工具機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件，于該補(bǔ)償模型數(shù)據(jù)庫搜尋適當(dāng) 的誤差模型；以及，將節(jié)點(diǎn)溫度代入誤差模型，計(jì)算出該工具機(jī)的熱誤差補(bǔ)償量。
上述工具機(jī)熱誤差補(bǔ)償方法，其特點(diǎn)在于，通過多變量回歸、類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等統(tǒng)計(jì)方 法描述溫度信息與熱誤差關(guān)系。
5
上述工具機(jī)熱誤差補(bǔ)償方法，其特點(diǎn)在于，該工具機(jī)的熱源包括外部環(huán)境、主軸、 伺服馬達(dá)、軸承、螺帽及滑塊位置。 上述工具機(jī)熱誤差補(bǔ)償方法，其特點(diǎn)在于，該工具機(jī)具有一控制器，由該控制器接 收該熱誤差補(bǔ)償量，以對工具機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償。 以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對本發(fā)明的限定。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的流程圖； 圖2為本發(fā)明于工具機(jī)熱源設(shè)置溫度傳感器的示意圖； 圖3為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱運(yùn)算單元的運(yùn)作流程圖； 圖4為應(yīng)用本發(fā)明的工具機(jī)結(jié)構(gòu)熱傳運(yùn)算的節(jié)點(diǎn)分布示意圖； 圖5為本發(fā)明的誤差補(bǔ)償運(yùn)算單元的運(yùn)作流程圖。 100-工具機(jī)熱誤差補(bǔ)償方法流程101 ' 105-步驟200-工具機(jī)201-底座202-立柱203-主軸頭座204-鞍座205-工作臺206-軸向伺服馬達(dá)207-馬達(dá)軸承端208-尾座軸承端209-螺帽 210、211-滑±央 30A 30G-溫度傳感器 300-結(jié)構(gòu)熱傳運(yùn)算單元計(jì)算節(jié)點(diǎn)溫度流程 301 304-步驟 40-節(jié)點(diǎn) 500-誤差補(bǔ)償運(yùn)算單元計(jì)算熱誤差補(bǔ)償量流程 501 503-步驟
具體實(shí)施例方式
以下將參照附圖來描述本發(fā)明為達(dá)成目的所使用的技術(shù)手段與功效，而以下附圖 所列舉的實(shí)施例僅為輔助說明。 請參閱圖1所示本發(fā)明所提供的工具機(jī)熱誤差補(bǔ)償方法的流程100，其包含以下 步驟 步驟101 :于一工具機(jī)的至少一熱源位置設(shè)置溫度傳感器； 請參閱圖2所示于工具機(jī)熱源設(shè)置溫度傳感器的示意圖，該工具機(jī)200主要由
6一底座201、一立柱202、一主軸頭座203、一鞍座204及一工作臺205構(gòu)成，將溫度傳感器 30A 30G安裝于該工具機(jī)200的熱源或其附近位置，關(guān)于該工具機(jī)200的熱源位置并無 限定，一般工具機(jī)熱源包括主軸、伺服馬達(dá)、軸承、螺帽、滑塊等位置，也即工具機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn) 生摩擦的部位，除了工具機(jī)本身發(fā)熱的因素，同時考慮外部環(huán)境溫度對于工具機(jī)的影響，因 此，以圖2所示該實(shí)施例而言，其中該溫度傳感器30A安裝于該工具機(jī)200的外部環(huán)境中， 該溫度傳感器30B安裝于該工具機(jī)200的軸向伺服馬達(dá)206，該溫度傳感器30C安裝于該工 具機(jī)200的馬達(dá)軸承端207，該溫度傳感器30D安裝于該工具機(jī)200的尾座軸承端208，該 溫度傳感器30E安裝于該工具機(jī)200的螺帽209，該溫度傳感器30F、30G安裝于兩個相對 直線運(yùn)動結(jié)構(gòu)件間的滑塊，如該鞍座204與該底座201間的滑塊210、211。將溫度傳感器 30A 30G于該工具機(jī)200設(shè)置定位后，再執(zhí)行以下步驟102。 步驟102 :驅(qū)動該工具機(jī)200于一運(yùn)轉(zhuǎn)條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，使熱源位置發(fā)熱；該運(yùn)轉(zhuǎn)條件 包括該工具機(jī)200的各軸向位置、進(jìn)給速率等，于不同運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，該工具機(jī)200的發(fā)熱量 也會不同； 步驟103 :由溫度傳感器30A 30G感測熱源位置的溫度，并產(chǎn)生溫度感測信號；
步驟104 :由一結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱運(yùn)算單元讀取該溫度感測信號，以及該工具機(jī)200的運(yùn)轉(zhuǎn) 條件，計(jì)算并輸出至少一節(jié)點(diǎn)溫度；于該結(jié)構(gòu)熱傳運(yùn)算單元中儲存有該工具機(jī)200的結(jié)構(gòu) 有限元素分析模型信息，該結(jié)構(gòu)有限元素分析模型信息包括該工具機(jī)200的幾何與材料性 質(zhì)等參數(shù)； 請參閱圖3所示，該結(jié)構(gòu)熱傳運(yùn)算單元計(jì)算節(jié)點(diǎn)溫度的流程300，包含以下步驟
步驟301 :讀取溫度感測信號以及該工具機(jī)200的運(yùn)轉(zhuǎn)條件；
步驟302 :針對模型信息設(shè)定熱源溫度與位置；
步驟303 :計(jì)算結(jié)構(gòu)熱傳溫度分布； 步驟304 :輸出該工具機(jī)200的熱集中處與特殊幾何特征的節(jié)點(diǎn)溫度。 由以上步驟可知，該結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱運(yùn)算單元綜合溫度感測信號、工具機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件及模
型信息，進(jìn)行結(jié)構(gòu)熱傳運(yùn)算，以掌握工具機(jī)200各構(gòu)件的溫度分布信息，進(jìn)而運(yùn)算出該工具
機(jī)200的節(jié)點(diǎn)溫度，如圖4所示，結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱運(yùn)算單元運(yùn)算出該工具機(jī)200的熱集中處與特殊
幾何特征的節(jié)點(diǎn)40的溫度(圖中圓圈標(biāo)示處均為節(jié)點(diǎn)位置)，必須說明的是，當(dāng)該工具機(jī)
200的運(yùn)轉(zhuǎn)條件不同時，溫度感測信號及模型信息也隨之不同，因此該結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱運(yùn)算單元所
運(yùn)算出的節(jié)點(diǎn)位置、節(jié)點(diǎn)數(shù)量及節(jié)點(diǎn)溫度也會不同，圖4儀為示意圖而已。 此外，前述該溫度傳感器30A 30G(顯示于圖2)所產(chǎn)生的溫度感測信號為模擬
信號，因此先將該模擬信號送入一模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(圖中未示出)，通過該模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)
換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，再將該數(shù)字信號送入該結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱運(yùn)算單元進(jìn)行運(yùn)算。 步驟105 :由一誤差補(bǔ)償運(yùn)算單元讀取該節(jié)點(diǎn)溫度，并計(jì)算出該工具機(jī)的熱誤差
補(bǔ)償量；該誤差補(bǔ)償運(yùn)算單元包含一補(bǔ)償模型數(shù)據(jù)庫，該補(bǔ)償模型數(shù)據(jù)庫通過進(jìn)行各種不
同實(shí)驗(yàn)所建立，其儲存不同運(yùn)轉(zhuǎn)條件下、描述溫度信息與熱誤差關(guān)系的函數(shù)數(shù)據(jù)庫，描述工
具可為一般現(xiàn)有的多變量回歸、類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或其它統(tǒng)計(jì)方法。 請參閱圖5所示，該誤差補(bǔ)償運(yùn)算單元計(jì)算熱誤差補(bǔ)償量的流程500，包含以下步 驟 步驟501 :讀取節(jié)點(diǎn)溫度；
步驟502 :根據(jù)該工具機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件，于該補(bǔ)償模型數(shù)據(jù)庫搜尋適當(dāng)?shù)恼`差模型； 步驟503 ;將節(jié)點(diǎn)溫度代入誤差模型，計(jì)算出該工具機(jī)的熱誤差補(bǔ)償量。
將所計(jì)算得出的熱誤差補(bǔ)償量傳送至工具機(jī)的控制器(圖中未示出)，即可由控
制器對工具機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償。 綜上所述，本發(fā)明提供的工具機(jī)熱誤差補(bǔ)償方法，將工具機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型、材料 信息導(dǎo)入熱誤差補(bǔ)償?shù)牧鞒蹋ㄟ^熱源溫度的感測，便可計(jì)算、掌握整體結(jié)構(gòu)溫度行為信 息，提供了補(bǔ)償模型所需要的充分信息，增加其正確性與可靠性，進(jìn)而提高工具機(jī)的加工精 度表現(xiàn)，此外，本實(shí)施例所適用的工具機(jī)種類并無限定，例如綜合加工中心機(jī)、攻牙加工中 心機(jī)、鋸床、車床、放電加工機(jī)、銑床、磨床、鉆床、攻牙機(jī)、焊接切割設(shè)備、沖床、折床、金屬加 工機(jī)等機(jī)械及其外圍設(shè)備均可。
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)所提出的熱誤差補(bǔ)償方法，主要具有以下優(yōu)點(diǎn)
1)應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等物理信息利用工具機(jī)開發(fā)階段所產(chǎn)生的CAD模型，導(dǎo)入結(jié)構(gòu) 幾何設(shè)計(jì)與材料熱傳相關(guān)性質(zhì)參數(shù)并建構(gòu)其有限元素模型，強(qiáng)化誤差運(yùn)算所需的信息來 源。 2)僅需熱源溫度感測對于傳感器的布局，僅需感測熱源或其附近位置即可，不 需要通過大量實(shí)驗(yàn)來選擇傳感器的數(shù)目與最佳位置。 3)考慮結(jié)構(gòu)熱傳現(xiàn)象利用建構(gòu)的有限元素模型，通過熱源溫度感測的條件輸 入，可快速計(jì)算出結(jié)構(gòu)整體的熱傳溫度分布。 4)提供充足溫度信息供模型使用通過結(jié)構(gòu)熱傳的運(yùn)算功能，可獲取整體結(jié)構(gòu)特 殊幾何特征處或熱源交互影響集中處的溫度信息，提供完整且充足的信息供誤差模型建立 與運(yùn)算使用。 5)提高模型準(zhǔn)確度與可靠度因?yàn)槌浞终莆照麢C(jī)結(jié)構(gòu)的溫度行為，提高了誤差模 型的準(zhǔn)確性與可靠度。 當(dāng)然，本發(fā)明還可有其他多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟 悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形 都應(yīng)屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
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權(quán)利要求
一種工具機(jī)熱誤差補(bǔ)償方法，其特征在于，包含下列步驟設(shè)置溫度傳感器于一工具機(jī)的至少一熱源位置；驅(qū)動該工具機(jī)于一運(yùn)轉(zhuǎn)條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，使熱源位置發(fā)熱；通過該溫度傳感器感測熱源位置的溫度，并產(chǎn)生溫度感測信號；通過一結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱運(yùn)算單元讀取該溫度感測信號，以及該工具機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件信息，計(jì)算并輸出至少一節(jié)點(diǎn)溫度；以及通過一誤差補(bǔ)償運(yùn)算單元讀取該節(jié)點(diǎn)溫度，并計(jì)算出該工具機(jī)的熱誤差補(bǔ)償量。
2. 如權(quán)利要求1所述的工具機(jī)熱誤差補(bǔ)償方法，其特征在于，該溫度傳感器所產(chǎn)生的 溫度感測信號為模擬信號，將該模擬信號先送入一模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，通過該模擬/數(shù)字轉(zhuǎn) 換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，再將該數(shù)字信號送入該結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱運(yùn)算單元。
3. 如權(quán)利要求1所述的工具機(jī)熱誤差補(bǔ)償方法，其特征在于，該結(jié)構(gòu)熱傳運(yùn)算單元中 儲存有該工具機(jī)的結(jié)構(gòu)有限元素分析模型信息。
4. 如權(quán)利要求3所述的工具機(jī)熱誤差補(bǔ)償方法，其特征在于，該結(jié)構(gòu)熱傳運(yùn)算單元計(jì) 算節(jié)點(diǎn)溫度的步驟包含讀取溫度感測信號以及該工具機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件信息； 針對模型信息設(shè)定熱源溫度與位置； 計(jì)算結(jié)構(gòu)熱傳溫度分布；輸出該工具機(jī)的熱集中處與特殊幾何特征的節(jié)點(diǎn)溫度。
5. 如權(quán)利要求3所述的工具機(jī)熱誤差補(bǔ)償方法，其特征在于，該結(jié)構(gòu)有限元素分析模 型信息包括該工具機(jī)的幾何與材料性質(zhì)等參數(shù)。
6. 如權(quán)利要求1所述的工具機(jī)熱誤差補(bǔ)償方法，其特征在于，該誤差補(bǔ)償運(yùn)算單元包 含一補(bǔ)償模型數(shù)據(jù)庫，該補(bǔ)償模型數(shù)據(jù)庫通過進(jìn)行各種不同實(shí)驗(yàn)所建立，其儲存不同運(yùn)轉(zhuǎn) 條件下、描述溫度信息與熱誤差關(guān)系的函數(shù)數(shù)據(jù)庫。
7. 如權(quán)利要求6所述的工具機(jī)熱誤差補(bǔ)償方法，其特征在于，該誤差補(bǔ)償運(yùn)算單元計(jì) 算熱誤差補(bǔ)償量的步驟包含讀取節(jié)點(diǎn)溫度；根據(jù)該工具機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件，于該補(bǔ)償模型數(shù)據(jù)庫搜尋適當(dāng)?shù)恼`差模型；以及 將節(jié)點(diǎn)溫度代入誤差模型，計(jì)算出該工具機(jī)的熱誤差補(bǔ)償量。
8. 如權(quán)利要求6所述的工具機(jī)熱誤差補(bǔ)償方法，其特征在于，通過多變量回歸、類神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)等統(tǒng)計(jì)方法描述溫度信息與熱誤差關(guān)系。
9. 如權(quán)利要求1所述的工具機(jī)熱誤差補(bǔ)償方法，其特征在于，該工具機(jī)的熱源包括外 部環(huán)境、主軸、伺服馬達(dá)、軸承、螺帽及滑塊位置。
10. 如權(quán)利要求1所述的工具機(jī)熱誤差補(bǔ)償方法，其特征在于，該工具機(jī)具有一控制 器，由該控制器接收該熱誤差補(bǔ)償量，以對工具機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種工具機(jī)熱誤差補(bǔ)償方法，于一工具機(jī)的至少一熱源位置設(shè)置溫度傳感器；驅(qū)動該工具機(jī)于一運(yùn)轉(zhuǎn)條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，使熱源位置發(fā)熱；由該溫度傳感器感測熱源位置的溫度，并產(chǎn)生溫度感測信號；由一結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱運(yùn)算單元讀取該溫度感測信號，以及該工具機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件信息，計(jì)算并輸出至少一節(jié)點(diǎn)溫度；以及，由一誤差補(bǔ)償運(yùn)算單元讀取該節(jié)點(diǎn)溫度，并計(jì)算出該工具機(jī)的熱誤差補(bǔ)償量。
文檔編號G05B19/404GK101751001SQ20081018667
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月16日
發(fā)明者歐峰銘, 鄔詩賢 申請人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院