数控机床误差的轨迹再生补偿方法技术

本发明专利技术公开了一种数控机床误差的轨迹再生补偿方法。首先，在机床上布置温度传感器，对机床的几何误差及热误差进行测量，然后建立机床误差模型；其次，误差补偿控制器将待加工的数控轨迹进行离散，并读取温度传感器的数据；再次，误差补偿控制器将离散后的节点坐标及温度数据代入机床误差模型中获得该坐标所对应的误差，然后将该误差叠加到该节点的坐标上，并根据修正后的坐标点重构出数控轨迹；最后，误差补偿控制器将重构后的轨迹送入数控系统进行加工，从而实现数控机床误差的补偿。和其他补偿方法相比，本发明专利技术具有灵活方便，适应性强，不需要改动数控系统等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及数控机床误差补偿方法，尤其是涉及采用外置补偿控制器补偿的一种 。
技术介绍
数控机床的加工精度是衡量数控机床工作性能的重要指标，影响机床的加工精度 中尤以几何误差及热误差所占的误差比例最大。几何误差是由于机床整体结构变形所造成 的误差，对于大型数控加工机床而言，部件的自重及装配时的工艺都可能导致结构出现较 大的变形。而大量的研究表明，热误差是数控机床等精密加工机械的最大误差源，占总误差 的70%左右，而对于超精密机床而言，甚至达到近90%。由于数控机床在加工过程中不可 避免地存在内外部热源，特别是内部热源，必然导致热变形误差的产生。机床的几何误差及热误差可以优化机床设计、提高数控机床的制造精度、采用全 闭环等硬件提高的方式降低，但该方法会导致数控机床造价大幅上升。而通过误差补偿技 术提升机床的精度是一种经济而有效的方法，该方法在不改变机床结构和制造精度基础上 对数控机床加工中所产生的各种误差进行在线检测、预测并进行误差补偿从而提高机床加 工精度。目前对机床几何误差及热误差的建模已经有较多的研究，也提出诸如神经网络、 最小二乘、支持向量机、多体理论等建模方法。但在具体的误差补偿实现方法上研究的不 多，目前主要有数控系统内嵌误差补偿模块、反馈中断补偿法、原点平移补偿法三种补偿实 现方式。数控系统内嵌误差补偿模块需要由数控系统开发厂商提供，并提供外部的补偿接 口，供用户修改误差补偿模型，数控系统根据修改后的数据在一个粗插补周期内修正误差， 从而最终实现其补偿。该方法的优点是可在一个粗插补周期内补偿所有的误差，补偿精度 高，但在实际应用中有如下问题提供完整的误差补偿接口的数控厂商较少，由于机床的总 体误差是一个空间误差，其计算处理都比较复杂，会耗费大量的运算资源。同时由于机床误 差和具体的机床类型直接相关，其误差补偿接口不具有通用性。目前主流的数控系统厂商 仅提供一些简单的单维补偿功能，如垂直度补偿、轴伸长补偿等，而对整个空间的几何误差 及热误差的补偿还未见有商业化的数控系统问世。反馈中断法将热误差模型的计算数值直接插入到伺服系统的位置反馈环中而实 现的。通过误差补偿控制器获取进给轴伺服电机的编码器反馈信号，同时该补偿控制器还 计算出当前位置机床的误差，然后将误差信号和编码器反馈信号叠加，指令伺服系统据此 实时调节机床的进给位置。该方法的主要问题是实现时需要对数控系统的硬件进行修改， 极容易破坏数控系统的稳定性，因而目前极少见具体应用。原点平移补偿法也是通过误差补偿控制器计算当前时刻机床的误差，和数控系统 通讯，将该误差信号叠加到整个工件加工坐标上，使得加工零件的工件坐标整体偏移以最 终实现其误差 补偿。该方法不需要对数控系统硬件进行修改，实现方便。该方法的缺点是补偿的误差有限，由于是把将要加工的若干段轨迹进行整体偏移，其误差补偿的有效性 是建立在轮廓各处的热误差都相同的基础上的。这时如果轨迹两端的热误差相差比较大， 会导致最终的补偿效果很差，有些情况下还不如未补偿时的效果。
技术实现思路
为了方便可行的进行数控机床的几何误差及热误差补偿，本专利技术的目的在于提供 一种，通过在加工时根据误差重构加工轨迹，实现数控 机床误差的有效补偿。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案的步骤如下1)在机床本体上布置温度传感器，对机床的几何误差及热误差进行测量，然后将 测量数据输入到误差补偿控制器中，建立机床误差模型获得机床的几何误差及热误差和机 床坐标及温度信号间的关系；2)误差补偿控制器将待加工的轨迹进行轨迹离散，并读取温度传感器的数据；3)误差补偿控制器将离散后的每段坐标及温度数据代入机床误差模型中获得该 坐标所对应的误差，并将该坐标对应的误差叠加到该点的坐标上，并根据修正后的坐标点 重构出轨迹；4)误差补偿控制器将重构后的轨迹送入数控系统进行加工，从而实现数控机床误 差的补偿。所述的待加工的轨迹进行轨迹离散，其离散步长要δ满足以下条件，找到一个半 径值，使得以该值为半径的球滚到机床的加工空间内任意位置时，该球内所包含点的坐标 的误差都小于Α，该半径值即为离散步长δ，其中A为根据零件加工精度要求确定系统的误 差补偿精度向量。所述的误差补偿控制器具备如下功能温度采集、轨迹离散、轨迹重构、机床误差 建模、和数控系统通讯，将修正后的轨迹传到数控系统中进行加工。所述的修正后的坐标点重构出轨迹是B样条曲线、非均勻有理B样条曲线或多项 式曲线。所述的误差补偿控制器和数控系统的通讯方式包括串口、并口、网口或光纤。所述的建立机床误差模型的方法包括最小二乘、支持向量机或神经网络。本专利技术具有的有益的效果是本专利技术和其他实现数控机床误差补偿的方法相比具有结构简单、模块化好、和数 控系统无关等优点。通过本方法可以补偿数控机床的几何误差及热误差，从而在机床成本 几乎不变的情况大幅提高机床的加工精度。附图说明图1是机床误差的轨迹再生补偿方法原理。图2是轨迹离散及重构过程示意图。图3是机床误差的轨迹再生补偿方法软件流程图。图4是测得的机床X轴方向的几何误差图。图5是测得的机床Y轴方向的几何误差图。图6是测得的机床Z轴方向的几何误差图。图7是实施例中测得的机床热误差图。图8是实施例中补偿后测得的X方向的机床误差图。图9是实施例中补偿后测得的Y方向的机床误差图。图10是实施例中补偿后测得的Z方向的机床误差图。图中1.原始轨迹，2.离散后获得的节点，3.节点叠加误差后的位置，4.重构的轨 迹。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。如图1所示，误差补偿控制器在加工时采集机床温度，结合轨迹离散后节点的位 置，根据已经建好的误差模型计算出节点位置偏差，然后用修正后的节点重构出轨迹，并将 该轨迹送到数控系统中进行加工。该方法的具体步骤如下1)在机床本体上布置温度传感器，对机床的几何误差及热误差进行测量，然后将 测量数据输入到误差补偿控制器中，建立机床误差模型获得机床的几何误差、热误差和机 床坐标及温度信号间的关系；机床几何误差及热误差的测量采用激光干涉仪进行，而测量 数据的建模目前有很多通用的建模方法，常用的有最小二乘法、神经网络法、支持向量机法寸。机床几何误差是指由制造、安装、运动控制不精确所造成的在机床运动空间内的 一个静态误差，和时间没有关系。其误差模型可描述为Ee = f\(P)，其中P为机床坐标向 量。机床热误差是指机床在加工过程中由于主轴的旋转、伺服电机的运动、刀具的切削等加 工热源的发热造成机床结构空间上的变形所产生的误差，该误差随时间缓慢变化，是一种 准静态误差。该误差方程可描述为Et = f2(P，Τ)，其中P为机床坐标向量，T为一系列传感 器反馈的温度向量。机床误差是指机床几何误差及热误差的和，其误差模型可表示为E = fi (P) +f2 (P, Τ) = f(P，T)。整个详细过程误差测量及建模的详细过程可描述为①通过对机床几何误差进行测量，并建立数控机床的几何误差模型Ee = (P)。②在机床上选择一系列的温度测点，并布置温度传感器，在机床正常加工时，每 隔时间步长△测量一次机床的热误差，一直到机床达到热平衡为止，然后建立机床的热 误差模型Et = f2P, Τ)。将几何误差模型和热误差模型叠加，得到机床本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种数控机床误差的轨迹再生补偿方法，其特征在于，该方法的步骤如下：１）在机床本体上布置温度传感器，对机床的几何误差及热误差进行测量，然后将测量数据输入到误差补偿控制器中，建立机床误差模型获得机床的几何误差及热误差和机床坐标及温度信号间的关系；２）误差补偿控制器将待加工的轨迹进行轨迹离散，并读取温度传感器的数据；３）误差补偿控制器将离散后的每段坐标及温度数据代入机床误差模型中获得该坐标所对应的误差，并将该坐标对应的误差叠加到该点的坐标上，并根据修正后的坐标点重构出轨迹；４）误差补偿控制器将重构后的轨迹送入数控系统进行加工，从而实现数控机床误差的补偿。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：傅建中，贺永，姚鑫骅，沈宏垚，陈子辰，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]