基于机床外部坐标系偏置的数控机床误差实时补偿器 【技术领域】
本发明为一种用于数控机床的误差实时补偿装置，具体是一种基于机床外部坐标系偏置的数控机床误差实时补偿器。属于精密加工机床技术领域。
背景技术
目前，中国国产数控机床的国内市场占有率仅30％，而且还有下降趋势。每年要进口大量的数控机床，不仅花费大量外汇，而且往往在先进机床进口时受制于人。与先进国家制造的机床相比，我国的机床主要有两个问题：一是精度低、二是可靠性差。因此，提高我国机床产品的精度和可靠性有着十分巨大的意义。高精度数控机床制造能力不足已成为制约我国制造业升级的一个“瓶颈”。控机床误差实时补偿技术广泛应用于数控机床及数控装备的关键在于制造出实用和性能价格比高的误差实时补偿器。从目前来看，数控机床误差实时补偿技术及其实时补偿器在国外的工厂企业中大批量应用的并不很多，还没达到商业化程度；在国内主要还处于实验室阶段，价廉、易用、有效的机床误差实时补偿器还没有出现，有人提出了基于机床外部坐标系偏置地数控机床热误差实时补偿方法，进行了初步试验，但还没有完全成功地研制出实时补偿器。
经对现有技术的文献检索发现，赵宏林等人在《制造技术与机床》1999年第4期上发表的“NC型误差补偿器的开发”一文，该文献采取的是通过外部电路及其软件与数控系统的系统调试(CAE)接口(特殊系统具有的接口)，将误差量叠加到当前的位置脉冲当量中，以实现机床误差的实时控制。这种补偿器不但需要数控系统具有比较完善和复杂的信号通讯硬件接口，而且需要补偿实施者为数控系统的专业人员，非常了解和热悉所用数控系统的硬件结构和软件编制，另外，该文献中也指出了：该补偿器在国产开放型数控系统上推广应用。而目前国产数控系统在国内市场上应用也不多，开放型数控系统还没普遍使用数量更少，所以，此种补偿器应用实施复杂、适用面窄，不具有普遍性，难以推广实际应用。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种基于机床外部坐标系偏置的数控机床误差实时补偿器，使其方便简单价廉地在应用中达到了提高数控机床加工精度的目的。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：计算处理模块、CNC(数控)接口和运动控制模块、传感器及变送模块。传感器及变送模块与计算处理模块之间通过数据线连接，计算处理模块与CNC接口和运动控制模块之间通过数据线和通讯协议连接。计算处理模块主要由单片机、输入输出接口组成，单片机和输入输出接口通过数据总线连接。
计算处理模块作用为信号的输入输出、储存、计算。另外，计算处理模块也可与微机相连，实现上下位机的命令、数据的传输和储存。CNC接口和运动控制模块主要由机床数控系统中的部分输入输出接口和伺服系统组成，部分输入输出接口(可在机床数控系统全部输入输出接口中任意选择)和伺服系统通过数据总线连接，机床数控系统的这些输入输出接口通过数据总线与计算处理模块的输入输出接口连接。CNC接口和运动控制模块作用为接受从计算处理模块中输出的信号(补偿值)并根据补偿值来偏置机床外部坐标系而通过伺服系统进行机床的附加(补偿)运动。
传感器及变送模块主要由温度传感器、位移传感器、变送器组成，温度传感器和位移传感器分别通过导线与变送器连接。传感器及变送模块作用为多通道采集机床的温度和热误差信号，把信号处理后输入计算处理模块。
本发明既可作为信号采集装置(热误差建模用)，对机床温度和热误差(主轴热飘移)进行手动和自动测量，又可为补偿控制装置(实时补偿用)，对附加的补偿运动进行控制。
本发明的补偿信号通过数控机床的标准输入输出接口进入数控系统，利用数控系统的机床外部坐标系偏置功能来实现误差的实时补偿。不需深入了解数控系统的软硬件结构，不需要修改数控指令及数控系统的软硬件，仅需在PLC(可编程控制器)的原有梯形程序后添加几句程序，对原有系统不产生任何影响，所以，补偿实施非常方便简单。而且，目前在机床上广泛使用的近几年生产的FANUC数控系统都有此机床外部坐标系偏置功能，所以适用性比较强。本发明结构简单、使用方便、成本低廉、实时性强、补偿有效。
【附图说明】
图1是本发明结构框图。
图2是本发明误差补偿信号传输流程图。
图3是原点平移法补偿原理图。
图4是数控机床误差实时补偿过程框图。
【具体实施方式】
如图1所示，本发明包括：计算处理模块、CNC接口和运动控制模块、传感器及变送模块，传感器及变送模块与计算处理模块之间通过数据线连接，计算处理模块与CNC接口和运动控制模块之间通过数据线和通讯协议连接，计算处理模块实现信号的输入输出、储存、计算，CNC接口和运动控制模块接受从计算处理模块中输出的信号并根据补偿值来偏置机床外部坐标系而通过伺服系统进行机床的附加运动，传感器及变送模块实现多通道采集机床的温度和热误差信号，把信号处理后输入计算处理模块，计算处理模块或者与微机相连，实现上下位机的命令、数据的传输和储存。
计算处理模块主要由单片机、输入输出接口组成，单片机和输入输出接口通过数据总线连接。
CNC接口和运动控制模块主要由机床数控系统中的部分输入输出接口和伺服系统组成，部分输入输出接口(可在机床数控系统全部输入输出接口中任意选择)和伺服系统通过数据总线连接，机床数控系统的这些输入输出接口通过数据总线与计算处理模块的输入输出接口连接。
传感器及变送模块主要由温度传感器、位移传感器、变送器组成，温度传感器和位移传感器分别通过导线与变送器连接。
如图2所示，温度信号通过变送装置处理后，经A/D(模/数转换)板进入计算处理模块，再根据有关测点温度与热误差间关系获得的热误差模型(固化于单片机中)获得热误差量，将热误差漂移量及相关的轴号转换为开关量(由开关量来模拟数字量)，经I/O(输入/输出)接口卡，由可编程控制器中的梯形程序将信号读入写到CNC的相关地址中，最后由相应的轴控伺服单元进行实时处理。
实时补偿采用机床外部坐标系偏置即原点平移法，其原理如图3所示。补偿用计算机或单片机计算机床的空间误差，这些误差量作为补偿信号送至CNC控制器，通过I/O口平移或偏置控制系统(机床外部坐标系)的参考原点，并加到伺服环的控制信号中以实现误差量的补偿。这种补偿既不影响坐标值，也不影响CNC控制器上执行的工件程序，因而，对操作者而言，该方法是不可见的。原点平移法不用改变任何CNC机床的硬件，但它需要修改CNC控制器中的可编程控制器的程序，以便在CNC端可以接收补偿值。
图4表示了数控机床误差实时补偿过程。本发明整个工作过程如下：在数据采集过程中，温度传感器和位移传感器、温度传感器和激光测量仪同时采集机床的温度、热误差和几何误差元素。然后，可通过外部计算机进行建模计算分析并将误差模型放入计算处理模块。在实时补偿过程中，温度传感器实时(时间间隔可调)测得机床温度，然后将温度信号经变送器连同数控系统过来的位置坐标通过输入输出进口进入微机或单片机，由预先放置的误差模型计算得补偿值，再将补偿值通过机床数控系统的输入接口进入数控系统，数控系统根据补偿值来偏置机床外部坐标系而进行机床的附加(补偿)运动，以实时修正机床误差。图中的激光测量仪和位移传感器仅在测量和建模中使用，补偿加工过程中不必使用。
在数控车床上用本发明补偿器进行误差实时补偿加工应用，经实时补偿，数控车床径向热误差从补偿前的20μm降低到9μm，降低50％以上，轴向热误差从补偿前的35μm降低到12μm，降低65％以上，大幅度提高了机床的加工精度，从而，保证了被加工高精度零件的质量。