CN109597352B

CN109597352B - 数控机床及其控制系统与方法

Info

Publication number: CN109597352B
Application number: CN201710944310.2A
Authority: CN
Inventors: 佘丰客; 任超
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2017-09-30
Filing date: 2017-09-30
Publication date: 2022-07-08
Anticipated expiration: 2037-09-30
Also published as: CN109597352A; WO2019063830A1

Abstract

本发明提供一种由数控机床的工业主机实现的控制方法，该CNC机床还包括机床控制器，用于切削工件的刀具以及与所述刀具连接的主轴，所述主轴内置电机，所述控制方法包括：从所述机床控制器处获取所述数控机床的至少一个工作参数；根据获取的所述至少一个工作参数确定所述主轴的温度分布信息；根据所确定主轴的温度分布信息，计算所述主轴的变形量；向所述机床控制器发送控制命令以控制所述机床控制器根据所计算的主轴的变形量调整所述刀具的驱动进给量。本发明通过采用仿真主轴的有限元模型分析主轴的变形量，因此提高了计算的准确度。

Description

数控机床及其控制系统与方法

背景技术

随着数控机床(Computer Numerical Control，CNC)技术的发展，数控机床可以加工出越来越精密的部件。而这种精密部件的精度显然对刀具驱动进给量的误差控制提出了更高要求，而数控机床主轴在加工过程中由于发热而引起的主轴变形是造成刀具进给量误差的一个重要因素。因此在数控机床中，通常要消除这种由于主轴变形对刀具的驱动进给量的影响。

在传统技术中，通常使用传感器来实际检测数控机床主轴的发热程度，通常这些传感器安装在数控机床上，从主轴外部对主轴温度进行检测，或者由主轴生产厂家直接在主轴中嵌入温度传感器，由此与数控机床连接的工业主机可在数控机床控制器的加工过程中直接读取该主轴中传感器测量的主轴温度，并根据实测的主轴温度估算出主轴的变形量，从而依据估算得到的主轴的变相量来确定刀具的驱动进给量。

虽然利用温度传感器可以很好地解决主轴变形的校正问题，但是在某些环境下并不适宜于传感器的使用。例如切削碎屑或切削液可能会腐蚀传感器的连线，甚至影响传感器的检测元件，因此常常导致传感器不能够正常工作。

发明内容

本发明期望提出一种改进的数控机床及其控制系统，无需在数控机床加工零件的过程中通过传感器测量数控机床主轴的温度，进而避免了由于传感器异常而导致温度测量不准确、刀具的驱动进给量不精确的问题。

发明人通过大量的实验和研究，发现了数控机床的运行参数和主轴的温度分布之间的关系。从而根据数控机床的运行参数来确定主轴的温度分布参数，进而根据确定的温度分布参数计算得到主轴的变形量，最终确定刀具的驱动进给量。有效地避免了传感器温度测量不准确所造成的刀具驱动进给量不精确的问题。实现了对主轴温度的准确预测，可使得数控机床具有更广泛的应用环境。

按照本发明的一个方面，提供一种数控机床的控制方法，该数控机床还包括一个机床控制器，一个用于切削工件的刀具以及一个与所述刀具连接的主轴，所述主轴内置一个电机，所述主轴在所述电机的驱动下完成所述刀具的切削动作，所述控制方法包括：从所述机床控制器处获取所述数控机床的至少一个工作参数，所述至少一个工作参数用于表示所述数控机床在加工过程中所处的状态；根据获取的所述至少一个工作参数确定所述主轴的第一温度分布信息；根据所确定主轴的第一温度分布信息，计算所述主轴的变形量；根据计算得到的所述主轴的变形量确定所述刀具的驱动进给量。根据该方案，有效地避免了传感器温度测量不准确所造成的刀具驱动进给量不精确的问题。

优选地，根据获取的所述至少一个工作参数确定所述主轴的第一温度分布信息，包括：基于所述主轴的一个有限元模型FEM，根据获取的所述至少一个工作参数确定所述主轴的所述第一温度分布信息；根据确定的所述主轴的所述第一温度分布信息，计算所述主轴的变形量包括：基于所述主轴的所述FEM，以所述主轴的所述第一温度分布信息作为所述FEM的边界条件，计算所述主轴的变形量。利用该方案，通过充分地考虑主轴的结构特征，通过为主轴预先建立有限元模型来实现对主轴温度和主轴变形量的准确估计，从而实现对刀具进给量的更精确控制。

优选地，其中基于所述主轴的一个有限元模型FEM，根据获取的所述至少一个工作参数确定所述主轴的所述第一温度分布信息包括：根据获取的所述至少一个工作参数，确定所述电机的自发热H_rotor以及所述刀具的切削热H_cut；将确定的所述电机的自发热H_rotor以及所述刀具的切削热H_cut作为所述FEM的输入边界条件，计算得到所述主轴的所述第一温度分布信息。优选地，其中，所述至少一个参数包括：所述电机的工作电压U与工作电流I，以及由电机施加于该主轴上的切削力矩T及该主轴的转速V，其中利用如下公式计算所述电机自发热Hrotor以及切削热Hcut，Hcut＝T*V，而Hrotor＝U*I-Hcut。利用该方案可以实现对温度的准确预测。

优选地，在从所述机床控制器处获取所述数控机床的至少一个工作参数之前，还包括校准处理，该校准处理包括：通过预先设置在所述主轴内部或外部的至少一个温度传感器采集运转中的所述主轴的温度信息，并从所述机床控制器处同步获取所述数控机床的所述至少一个工作参数；

根据同步获取的所述数控机床的所述至少一个工作参数，确定所述所述数控机床的第二温度分布信息；根据所采集的温度信息和确定的所述数控机床的所述第二温度分布信息，确定所述主轴的所述FEM。通过校准处理，可以确保所使用的有限元模型预测温度与变形量的准确性。

优选地，所述确定所述主轴的所述FEM包括：根据所采集的所述温度信息和确定的所述数控机床的所述第二温度分布信息，确定至少一个标定因子，所述至少一个标定因子在施加于所述FEM时用于校准所计算的所述主轴的变形量。

优选地，其中所述确定至少一个标定因子包括：基于校准处理中的所述主轴的所述FEM，根据同步获取的所述至少一个工作参数确定所述主轴的所述第二温度分布信息；将所采集的温度信息与确定的所述主轴的所述第二温度分布信息进行比较，以确定所述至少一个标定因子，其中，所述至少一个标定因子用于指示所采集的所述主轴的实际温度与根据同步获取的所述至少一个参数而确定的所述主轴的温度之间的温度偏差。本发明通过使用标定因子对变形量进行修正，进一步提高了刀具驱动进给量的精度控制。

优选地，该控制方法还包括：检测基于所述驱动进给量加工的工件的实际误差；基于该实际误差，对所述FEM执行标定处理，包括：通过预先设置在所述主轴内部或外部的至少一个温度传感器采集运转中的所述主轴的温度信息，并从所述机床控制器处同步获取所述数控机床的所述至少一个工作参数；根据所采集的温度信息和利用所述至少一个工作参数同步确定的第二温度分布信息，确定至少一个标定因子，所述至少一个标定因子用于在施加于所述FEM时校准所计算的所述主轴的变形量。由此，可以在机床使用期间，便于对机床进行维护，保证加工精度。

按照本发明的另一个方面，提供一种数控机床的控制系统，该数控机床包括机床控制器、用于切削工件的刀具以及与所述刀具连接的主轴，其中所述主轴内置一个电机，所述主轴在所述电机的驱动下完成所述刀具的切削动作，所述控制系统包括：一个温度确定单元，用于从所述机床控制器处获取所述数控机床的至少一个工作参数，并根据获取的所述至少一个工作参数确定所述主轴的温度分布信息，所述至少一个工作参数用于表示所述数控机床在加工过程中所处的状态；一个变形计算单元，根据确定的所述主轴的温度分布信息，计算所述主轴的变形量；

一个驱动进给量确定单元，用于根据计算得到的所述主轴的变形量确定所述刀具的驱动进给量。

按照本发明的另一个方面，提供一种数控机床的控制系统，包括：至少一个存储器，用于存储指令；至少一个处理器，用于调用所述指令执行前述的任一种数控机床的控制方法。

按照本发明的另一个方面，提供一种机器可读介质，其上存储有指令，当该指令由机器执行时使该机器执行前述的任一种数控机床的控制方法。

附图说明

图1示出了根据本发明一个实施例的机床控制系统的示意图；

图2示出了根据本发明另一个实施例的机床控制系统的示意图；

图3示出了利用有限元模型仿真主轴温度的示意图；

图4示出了利用有限元模型仿真主轴变形量的示意图；

图5示出了根据本发明的一个实施例的机床控制示意图；

图6示出了根据本发明的一个实施例的机床控制示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图1所示，其示出了根据本发明一个实施例的用于CNC机床的控制系统100的示意图。所述CNC机床包括机床控制器101，例如可以是可编程逻辑控制器(PLC)，用于对待加工工件进行切削的刀具，与刀具连接的主轴，以及内置于该主轴中的驱动电机，所述主轴在所述电机的驱动下完成所述刀具的切削动作。不难理解，CNC机床可以具有多个驱动电机和多个刀具。在以下说明中，以一个刀具及内置的电机为例予以说明，但本发明的控制方法同样适用于多个刀具的情形。

在本例中，该控制系统100可以由机床上安装的工业主机实现。如图1所示，该控制系统100与机床控制器101连接，包括温度确定单元102、变形计算单元103以及驱动进给量计算单元104。对于本领域人员不难理解，控制系统100还包括其它子系统或部件，但为了简化起见，控制系统100中包含的其它子系统或部件在图中未示出。在数控机床上，机床控制器101在工业主机的控制下，根据待加工工件的参数而控制刀具的驱动进给量。由于在加工过程中，(由于各种因素，)从而引起主轴的热变形。而这种主轴的热变形会对原先依据工件的参数而设置的预定的刀具驱动进给量产生不利影响。因此，本发明的控制系统100在控制器101实际输出的刀具的实际进给量时考虑了主轴发热这一影响。

为此，该控制系统100设置了温度确定单元102来确定主轴上的发热程度并输出温度信息。在本例中，温度确定单元102从机床控制器101读取机床的至少一个运行参数。该运行参数可以是指与主轴发热直接或间接相关的任何因素，用于表示所述CNC机床在加工过程中所处的状态。温度确定单元102利用该至少一个运行参数，可确定出主轴的温度分布信息H。变形计算单元103利用所确定的温度分布信息H，就可以计算出主轴的变形量信息D。驱动进给量计算单元104根据所计算的变形量信息D，调整对应于待加工工件的加工参数的所述刀具的驱动进给量，即从驱动进给量中去除所述变形量D作为实际输出的刀具进给量，并生成一个控制命令，该命令指示了经过调整的驱动进给量。驱动进给量计算单元104随后将该控制命令提供给机床控制器101，机床控制器101根据该控制命令，利用经过调整的驱动进给量控制所述刀具切削。

在本发明的一个优选实施例中，温度确定单元102基于为所述主轴事先建立的一个有限元模型FEM，根据获取的所述至少一个工作参数确定所述主轴的温度分布信息H。该有限元模型FEM充分地考虑了主轴的结构特征，利用有限元分析对主轴进行仿真，可以更准确地确定主轴的温度分布，以下将这种有限元分析计算简称为

如前所述，本发明在计算温度分布时所获取的运行参数可以是影响主轴发热的各种可能因素，包括影响主轴运行的各种参数。在本例中，以从机床控制器101读取的电机的工作电压U与工作电流I以及主轴工作时通过刀具施加于工件上的力矩T以及主轴转速V来予以说明。在加工过程中，与主轴连接的刀具切削工件时会产生摩擦热即切削热，并且内置于主轴中的电机也会在工作过程中产生自发热，所有这些切削热与电机自发热会不可避免地传导给主轴，因此，在本例中，温度确定单元102以电机运转产生的自发热H_ROTOR以及刀具切削工件时所产生的切削热H_CUT作为该有限元模型FEM的边界约束条件，用于估算出主轴的温度分布信息H。更具体地说，如图1虚线框所示，温度确定单元102包括第一计算单元1021与第二计算单元1022。温度确定单元102从机床控制器101接收机床的运行参数，包括电机的工作电压U与工作电流I以及主轴工作时通过刀具施加于工件上的力矩T以及主轴转速V。第一计算单元1021利用所接收的机床运行参数来计算出主轴上的电机自发热与切削热。第一计算单元1021利用工作电压U、工作电流I、切削力矩T以及主轴转速V来分别计算电机的自发热H_ROTOR与切削热H_CUT，其中

H_CUT＝T*V

H_ROTOR＝U*I-H_CUT

然后，第二计算单元1022利用H_CUT与H_ROTOR作为主轴的有限元模型FEM的边界条件计算出主轴的温度分布H，即

这里

代表所述有限元模型FEM的计算函数，并将该温度H提供给变形计算单元103。然后，变形计算单元103根据所计算的温度H计算出主轴的变形量D。驱动进给量计算单元104根据所计算的变形量信息D，调整刀具的驱动进给量，并生成一个控制命令。机床控制器101根据该控制命令，利用经过调整的驱动进给量控制所述刀具切削，从而实现对工件的精确加工。

在本发明的另一个实施例中，变形计算单元103在利用从温度确定单元102接收的温度信息H计算主轴的变形量D时同样利用了该主轴的有限元模型FEM。变形计算单元103基于所述主轴的所述FEM，以所述主轴的温度信息作为所述FEM的边界条件，计算所述主轴的变形量D，即

其中H₁,H₂,..Hm表示所确定的主轴的温度分布上的多点的温度。驱动进给量计算单元104根据所计算的变形量信息D，调整刀具的驱动进给量，即从驱动进给量中去除所述变形量D作为实际输出的刀具进给量，并生成一个控制命令，该命令指示了经过调整的驱动进给量。机床控制器101根据该控制命令，利用经过调整的驱动进给量控制所述刀具切削。。由于充分地考虑了主轴的不规则结构特点以及主轴上热度分布不均匀的特征，因此利用该FEM可实现对主轴变形量的准确估算。

本发明采用有限元模型分析的优点在于：通过对真实的主轴结构进行仿真，从而实现了准确的的主轴热分布的求解以及主轴变形的仿真计算。与现有技术中简单公式处理不同，采用有限元模型的计算结果精度更高。需要注意的是，在本发明中，是以主轴作为有限元分析模型的主体，至于针对这样确定的主体建立有限元模型的方式，则可以采用由主轴供应商提供的现有模型，或根据实际产品参数进行自行构建，为简明起见，这里不做更详细的讨论。

图3示出了根据实施例的对主轴建立的有限元模型上主轴温度H分布的示例性示意图。从该图可以看到，主轴上的温度沿着主轴而变化，其中主轴上与刀具的结合部(即图中左侧)具有最大的温度，例如在一定的实验条件下达到了179.86℃，而在远端温度最小为153.17℃。该模型很好地展示了主轴上的各部位的温度分布情况。

图4示出了根据实施例的对主轴建立的有限元模型上主轴变形量D的分布。可以看到，主轴上与刀具的结合部具有最大的变形量，例如在前述相同的实验条件下达到了0.9062mm的变形，而在远端与电机结合部的变形量为零。该模型很好地展示了主轴上的各部部的变形分布情况。

在本发明的上述实例中，是以事先为主轴建立的有限元模型FEM来对主轴的温度分布以及主轴变形量的计算。可选地，在实际中，在从所述机床控制器101处获取所述机床的至少一个工作参数之前，还可以进一步对该有限元模型FEM进一步校准。图2示出了具有校准功能的机床控制系统100的示意图。

如图2所示，该控制系统100除了包含与图1相同的用于估算主轴温度的温度确定单元102、用于计算主轴变形量的变形计算单元103以及驱动进给量计算单元104之外，还包括一个以虚线框示出的校准模块105。如图所示，该校准模块105包括至少一个传感器106以及模型标定单元107。在所述主轴内部或外部预先设置所述至少一个温度传感器106，然后，运行所述机床，并在所述CNC机床运行过程中通过传感器106实时采集运转中的所述主轴的温度信息。

与所述传感器106采集温度信息同步地，所述温度确定单元102从所述机床控制器101处同步获取所述CNC机床的所述至少一个工作参数，并依据为该主轴事先建立的初始有限元模型FEM，利用所述至少一个工作参数确定的所述温度分布信息H。这里的至少一个运行参数可以包括但不限于前面实施例中讨论的电机的工作电压U与工作电流I以及主轴工作时通过刀具施加于工件上的力矩T以及主轴转速V等。

模型标定单元107从所述传感器106接收实际采集的温度，并且从所述温度确定单元102接收利用所述至少一个工作参数确定的所述温度分布信息，根据所采集的温度信息和确定的所述温度分布信息，可以确定所确定的所述温度分布信息相对于主轴的实际温度的误差程度。模型标定单元107可根据该误差程度来调整为所述主轴事先建立的该初始有限元模型FEM。经过一次或多次的调整后，当所述误差满足预定要求后，模型标定单元107将经过校准的FEM分别存储到所述温度确定单元102以及计算单元103中，以更新存储于其中的初始FEM模型。

由于温度确定单元102利用至少一个工作参数确定的温度分布信息与实际的主轴温度会存在着误差，在本发明的另一优选实施例中，还可以为所述变形计算单元103中的有限元模型设定至少一个标定因子λ，，利用该至少一个标定因子λ，对变形计算单元103估算的变形量D进行修正，从而更真实地反映主轴的变形量。如图2所示，模型标定单元107可以根据利用所述至少一个工作参数确定的所述温度分布信息相对于主轴的实际温度的误差来生成所述标定因子λ，该标定因子指示了该误差的程度，该标定因子λ可以存储于变形计算单元103中。与前述类似，温度确定单元102利用更新后的有限元模型，基于从机床控制器获取的至少一个参数计算出主轴温度分布信息H。变形计算单元103利用温度确定单元102计算的主轴温度分布H作为边界约束条件，利用所述更新的有限元模型FEM函数

计算出所述主轴的变形量D，并进而利用所述标定因子λ对所述变形量D进行修正处理或者直接将该标定因子用于调整该有限元函数

从而生成经过校正的变形量D’。驱动进给量计算单元104根据所计算的变形量信息D’，调整所述刀具的驱动进给量，并生成一个控制命令并将该控制命令提供给机床控制器101。机床控制器101根据该控制命令，利用经过调整的驱动进给量控制所述刀具切削。

上面实施例是利用实际温度与计算温度之间的偏差来产生标定因子λ的方案。可选地，还可以通过直接测量主轴的实际变形量并将其与变形计算单元103计算的变形量进行比较，由此生成反映二者之间的偏差的信号，作为所述标定因子λ提供给变形计算单元103。

这里需要指出的是，校准模块105并不是所述CNC机床控制系统的一个必备模块，它可以是作为单独的模块可拆卸地安装于该控制系统100中或在该控制系统100可选择性地激活，用于在机床实际运行或出厂前对机床控制系统进行校准。一旦由校准模块105完成了对所述有限元模型FEM的校准和/或确定了所述标定因子λ，就可以拆除或禁止该标准模块105。以在正常工作期间，温度确定单元102和变形计算单元103可以直接使用经过校准的有限元模型，变形计算单元103可以直接利用该标定因子λ对变形量D进行修正。而在机床使用期间或出厂后，如果机床发生异常，例如当判定加工出来的工件存在较大误差时，则通过再次安装或激活该校准模块105并启动校准模式来重新校准该有限元模型FEM和/或生成新的标定因子λ’，利用重新校准的该有限元模型FEM和该新的标定因子λ’再次更新变形计算单元103与温度确定单元102，从而实现对机床的校准。

可选地，该校准模块105可以仅由模型标定单元107构成，而温度传感器106置于该校准模块105外部。由此，按照本发明的一个实施例，可以将校准模块105与温度确定单元102、变形计算单元103、驱动进给量计算单元104集成在一起。在校准时，可通过激活控制系统100内部的校准模块并同时利用外部的传感器106来实施如上所述的校准过程。

此外，还提供一种数控机床的控制系统，包括：至少一个存储器，用于存储指令；至少一个处理器，用于调用所述指令执行本发明实施例提供的数控机床的控制方法。该控制系统可视为控制系统100的一种可选的实现方式。其中控制系统100中的温度确定单元、变形计算单元、驱动进给量确定单元以及校准单元等可视为指令中的一部分。

图5示出了根据本发明一个实施例的工业主机的控制流程图。如图所示，在机床开始工作后，在步骤501，从机床控制器101接收机床运行参数。在步骤502，温度确定单元102根据获取的运行参数确定所述主轴的温度分布信息。作为示例，这里仍以电机的工作电压U与工作电流I以及通过主轴由刀具施加的切削力矩T以及主轴转速V作为该运行参数，并且温度确定单元102利用为主轴建立的有限元模型FEM，基于所述运行参数计算所述主轴的温度分布信息H。其中，温度确定单元102利用上述运行参数计算电机的自发热Hrotor以及刀具的切削热Hcut，然后对该有限元模型应用作为边界条件的自发热Hrotor以及切削热Hcut，从而计算出主轴的温度H。在步骤503，变形计算单元103以所计算的温度H作为所述有限元模型FEM函数

的边界约束条件，计算主轴的变形量D。在步骤504，驱动进给量计算单元104利用变形计算单元103所计算的变形量D生成一控制命令，并将该控制命令提供给所述机床控制器101，机床控制器101根据该控制命令，利用该变形量D来调整所述刀具的驱动进给量，从而实现进给量的精确控制。

更进一步，在步骤503中，变形计算单元103还可利用内部存储的标定因子λ对所述变形量D进行修正，从而输出经过校正的变形量D’。在步骤504，驱动进给量计算单元104利用所校正的变形量D’生成控制命令。进而机床控制器101根据控制命令，按照调整后的刀具驱动进给量，控制刀具切削。

图6示出了用于校准有限元模型的流程示意图。如图6所示，在步骤601，从机床控制器10接收至少一个机床运行参数。在步骤602，温度确定单元102利用至少一个机床运行参数确定可适合作为所述有限元模型FEM的边界条件，例如计算出该主轴的发热的最大温度Hmax与最小温度Hmin，并进而将该最大温度Hmax与最小温度Hmin作为主轴的有限元模型的输入边界条件来估算出主轴的温度分布H。同时，在步骤603，从预先设置于主轴外部或内部的传感器106接收测量出的主轴的实际温度H’。在步骤604，模型标定单元107比较所述估算的温度H与实际温度H’，并判断估算的温度H与实际温度H’之间的误差程度。在步骤605，当模型标定单元107判定该误差很大，表明所估算的温度H与实际温度H’的拟合效果很差、例如误码差大于某一阈值时，则对所述初始的有限元模型FEM进行校准(例如调整该FEM的内部参数)，并进而返回到步骤601，利用经过校准的FEM重复上述步骤602-605。如果在步骤605确定所述温度误差低于所述阈值时，则意味着当前的有限元模型FEM满足温度仿真计算要求，因此将该校准的FEM存储于变形计算单元103与温度计算单元102中。可选地，在步骤606，还可以产生反映估算的温度H与实际温度H’的温度误差的信号，作为标定因子λ提供给变形计算单元103并存储起来。

根据本发明的方案可以实现如下优点：

由于根据机床的运行参数来估算主轴的温度，因此可避免了对传感器的依赖，从而不但提高了本发明的机床的适应环境，而且由于这种部件的减少也因此提高了整个机床的可靠性。此外，根据本发明的优选方案，通过充分地考虑主轴的结构特征，通过为主轴预先建立有限元模型来实现对主轴变形量的准确估计，从而实现对刀具进给量的更精确控制。而传统技术中利用检测到的主轴温度实现对主轴变形量的计算通常是利用简单的公式来得到，其没有考虑到主轴的构造等特点，因此存在着精度低等问题。而本发明通过仿真主轴的结构特征来计算主轴的温度及主轴的变形量，提高了计算的准确度，实现了对刀具的精准控制，因此也相应地提高了整个机床的加工精度。

以上结合各实例描述了本发明的各优选实施例。不难理解，图1、2中所示的各单元可以采用软件、硬件(例如集成电路、FPGA等)、或软硬件结合的方式实现。此外，虽然所示的温度确定单元与变形计算单元与机床控制器是以分离的形式示出的，但显然也可以将温度确定单元与变形计算单元与机床控制器集成在一起来实现。例如，本发明也可以通过由计算装置执行存储在机器可读介质上指令来实现上述各单元及机床控制器，通过执行所述指令也可以用于实施根据本发明的方法。

本领域技术人员应当理解，上面所公开的各个实施例，可以在不偏离发明实质的情况下做出各种变形和改变。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书来限定。

Claims

1.一种数控机床的控制方法，该数控机床还包括一个机床控制器，一个用于切削工件的刀具以及一个与所述刀具连接的主轴，所述主轴内置一个电机，所述主轴在所述电机的驱动下完成所述刀具的切削动作，所述控制方法包括：

从所述机床控制器处获取所述数控机床的至少一个工作参数，所述至少一个工作参数用于表示所述数控机床在加工过程中所处的状态；

根据获取的所述至少一个工作参数确定所述主轴的第一温度分布信息，包括：基于所述主轴的一个有限元模型FEM，根据获取的所述至少一个工作参数确定所述主轴的所述第一温度分布信息；

根据所确定主轴的第一温度分布信息，计算所述主轴的变形量，包括：基于所述主轴的所述FEM，以所述主轴的所述第一温度分布信息作为所述FEM的边界条件，计算所述主轴的变形量；

根据计算得到的所述主轴的变形量确定所述刀具的驱动进给量；

其中，所述有限元模型FEM通过如下方式确定：

通过预先设置在所述主轴内部或外部的至少一个温度传感器采集运转中的所述主轴的温度信息，并从所述机床控制器处同步获取所述数控机床的所述至少一个工作参数；

根据同步获取的所述数控机床的所述至少一个工作参数，确定所述数控机床的第二温度分布信息；

根据所采集的温度信息和确定的所述数控机床的所述第二温度分布信息，确定所述主轴的所述FEM，包括：根据所采集的所述温度信息和确定的所述数控机床的所述第二温度分布信息，确定至少一个标定因子，所述至少一个标定因子在施加于所述FEM时用于校准所计算的所述主轴的变形量。

2.如权利要求1所述的控制方法，其中基于所述主轴的一个有限元模型FEM，根据获取的所述至少一个工作参数确定所述主轴的所述第一温度分布信息包括：

根据获取的所述至少一个工作参数，确定所述电机的自发热H_rotor以及所述刀具的切削热H_cut；

将确定的所述电机的自发热H_rotor以及所述刀具的切削热H_cut作为所述FEM的输入边界条件，计算得到所述主轴的所述第一温度分布信息。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述确定至少一个标定因子包括：

基于校准处理中的所述主轴的所述FEM，根据同步获取的所述至少一个工作参数确定所述主轴的所述第二温度分布信息；

将所采集的温度信息与确定的所述主轴的所述第二温度分布信息进行比较，以确定所述至少一个标定因子，其中，所述至少一个标定因子用于指示所采集的所述主轴的实际温度与根据同步获取的所述至少一个参数而确定的所述主轴的温度之间的温度偏差。

4.一种数控机床的控制方法，该数控机床还包括一个机床控制器，一个用于切削工件的刀具以及一个与所述刀具连接的主轴，所述主轴内置一个电机，所述主轴在所述电机的驱动下完成所述刀具的切削动作，所述控制方法包括：

检测基于所述驱动进给量加工的工件的实际误差；

基于该实际误差，对所述FEM执行标定处理，包括：

根据所采集的温度信息和利用所述至少一个工作参数同步确定的第二温度分布信息，确定至少一个标定因子，所述至少一个标定因子用于在施加于所述FEM时校准所计算的所述主轴的变形量。

5.一种数控机床的控制系统，该数控机床包括机床控制器、用于切削工件的刀具以及与所述刀具连接的主轴，其中所述主轴内置一个电机，所述主轴在所述电机的驱动下完成所述刀具的切削动作，所述控制系统包括：

一个温度确定单元，用于从所述机床控制器处获取所述数控机床的至少一个工作参数，并基于所述主轴的一个有限元模型FEM，根据获取的所述至少一个工作参数确定所述主轴的第一温度分布信息，所述至少一个工作参数用于表示所述数控机床在加工过程中所处的状态；

一个变形计算单元，基于所述主轴的所述FEM，以所述主轴的所述第一温度分布信息作为所述FEM的边界条件，计算所述主轴的变形量；

一个驱动进给量确定单元，用于根据计算得到的所述主轴的变形量确定所述刀具的驱动进给量；以及

校准单元，包括：

预先设置在所述主轴内部或外部的至少一个温度传感器，用于采集运转中的所述主轴的实际温度信息，

模型标定单元，用于接收所述温度确定单元利用从所述机床控制器处同步获取的所述至少一个工作参数而同步计算的主轴的第二温度分布信息，并根据所采集的实际温度信息与计算的主轴的第二温度分布信息，确定所述FEM；

其中，所述温度确定单元根据所采集的所述温度信息和确定的所述第二温度分布信息，确定至少一个标定因子，所述至少一个标定因子用于在施加于所述FEM时校准所计算的所述主轴的变形量。

6.如权利要求5所述的控制系统，其中所述温度确定单元进一步包括：

第一计算单元，用于根据获取的所述至少一个工作参数，计算所述电机的自发热Hrotor以及所述刀具的切削热Hcut，

第二计算单元，用于基于该有限元模型FEM，利用所述电机自发热Hrotor以及刀具切削热Hcut作为所述有限元模型的输入边界条件，计算得到该主轴的第一温度分布。

7.如权利要求5所述的控制系统，其中所述温度确定单元进一步：

基于校准处理中的所述主轴的所述FEM，根据同步得到的所述至少一个工作参数确定所述主轴的第二温度分布信息；

将所采集的温度信息与根据同步得到的所述至少一个工作参数确定的所述主轴的第二温度分布信息进行比较，以确定所述至少一个标定因子，其中，所述至少一个标定因子用于指示所采集的所述主轴的实际温度与根据同步得到的所述至少一个参数而确定的所述主轴的温度之间的温度偏差。

8.一种数控加工机床，包括如权利要求5-7之一所述的控制系统。

9.一种数控机床的控制系统，包括：

至少一个存储器，用于存储指令；

至少一个处理器，用于调用所述指令执行如权利要求1～4任一项所述的方法。

10.一种机器可读介质，其上存储有指令，当该指令由机器执行时使该机器实施权利要求1-4之一的方法。