CN111338291B - 一种基于机床定位精度测量的阿贝误差补偿方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机床定位精度测量的阿贝误差补偿方法及系统，将测量装置激光干涉仪布置在机床上，对光调试，使得激光干涉仪处于待测量状态；录入数控系统的测量程序，使得数控系统的程序和激光干涉仪的测量参数设置一致；测量机床的定位误差，生成误差补偿参数表；测量激光干涉仪的发射光与相应传动丝杠中心轴线的距离，记录此数据为阿贝臂长；数控系统根据误差补偿参数表和阿贝误差值做叠加运算，生成补偿后的定位误差补偿值，并依据定位误差补偿值驱动伺服电机作进给运动，进行误差补偿。优点：考虑了测量过程中产生的阿贝误差，其补偿值叠加了阿贝误差作为机床的最终定位精度，大大提高了补偿精度。

Description

一种基于机床定位精度测量的阿贝误差补偿方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于机床定位精度测量的阿贝误差补偿方法及系统，属于机床精度控制技术领域。

背景技术

数控机床加工零部件时，机床的自身精度显得尤为重要。一般来说，数控机床的不精确性有很多因素，为使得被加工零件的精度能够和机床精度相当甚至超越机床的精度，采用的方法是误差补偿的方法。

机床的定位误差是影响机床零件加工精度的关键参数，一般情况下补偿该误差的方法是通过测量机床定位误差然后将测量结果直接填入到补偿模块中进行补偿，该补偿方法在实际工程运用中能够取得一定的效果，但是补偿精度仍然有很大的提升空间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于机床定位精度测量的阿贝误差补偿方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于机床定位精度测量的阿贝误差补偿方法，将测量装置激光干涉仪布置在机床上，对光调试，使得激光干涉仪处于待测量状态，接着录入数控系统的测量程序，使得数控系统的程序和激光干涉仪的测量参数设置一致，完成预设置；

在完成预设置后，测量机床的定位误差，生成误差补偿参数表；

测量激光干涉仪的发射光与相应传动丝杠中心轴线的距离，记录此数据为阿贝臂长；

外置补偿模块根据所述阿贝臂长计算出阿贝误差值，并将计算好所对应的阿贝误差值上传到数控系统中；

数控系统根据误差补偿参数表和阿贝误差值做叠加运算，生成补偿后的定位误差补偿值，并依据定位误差补偿值驱动伺服电机作进给运动，进行误差补偿。

进一步的，所述测量机床的定位误差为：

分别测量机床三个方向的定位误差，先对光然后测量，测量时选定环境温度为测量时外界实际温度，设定起点和终点的位置、采样次数、增量、运行次数、采样停留时间等参数然后开始测量，测量完成后自动保存测量数据，此数据包含机床的各个设置点的定位误差。

进一步的，所述阿贝误差值的计算公式为：

其中，Z表示工作台面到刀尖点的值，L₀表示机床的传动丝杠的中心轴线到工作台面的距离，δ_x、δ_y分别表示工作台沿着X、Y轴移动产生的阿贝误差值，δ_z表示机床主轴箱沿着Z轴移动产生的阿贝误差值，ε_y(x)、ε_x(y)表示工作台分别沿着X、Y轴移动产生的俯仰角，ε_x(z)表示机床主轴箱沿着Z轴移动产生的俯仰角，L_z表示机床主轴箱在Z方向的阿贝臂长。

进一步的，所述叠加运算的公式为：

其中，δ_x(x)、δ_y(y)表示工作台分别沿着X、Y轴移动产生的定位误差，δ_z(z)表示主轴箱沿着Z轴移动产生的定位误差，E_x(x)、E_y(y)、E_z(z)为考虑阿贝误差后的定位误差补偿值。

一种基于机床定位精度测量的阿贝误差补偿系统，包括预设置模块，用于将测量装置激光干涉仪布置在机床上，对光调试，使得激光干涉仪处于待测量状态；录入数控系统的测量程序，使得数控系统的程序和激光干涉仪的测量参数设置一致；

还包括：

生成模块，用于测量机床的定位误差，生成误差补偿参数表；

测量模块，用于测量激光干涉仪的发射光与相应传动丝杠中心轴线的距离，记录此数据为阿贝臂长；

计算模块，用于通过外置补偿模块根据所述阿贝臂长计算出阿贝误差值，并将计算好所对应的阿贝误差值上传到数控系统中；

误差补偿模块，用于通过数控系统根据误差补偿参数表和阿贝误差值做叠加运算，生成补偿后的定位误差补偿值，并依据定位误差补偿值驱动伺服电机作进给运动，进行误差补偿。

进一步的，所述测量模块的处理过程为：

分别测量机床三个方向的定位误差，先对光然后测量，测量时选定环境温度为测量时外界实际温度，设定起点和终点的位置、采样次数、增量、运行次数、采样停留时间等参数然后开始测量，测量完成后自动保存测量数据，此数据包含机床的各个设置点的定位误差。

进一步的，所述计算模块包括阿贝误差值计算模块，用于通过下式计算阿贝误差值：

其中，Z表示工作台面到刀尖点的值，L₀表示机床的传动丝杠的中心轴线到工作台面的距离，δ_x、δ_y分别表示工作台沿着X、Y轴移动产生的阿贝误差值，δ_z表示机床主轴箱沿着Z轴移动产生的阿贝误差值，ε_y(x)、ε_x(y)表示工作台分别沿着X、Y轴移动产生的俯仰角，ε_x(z)表示机床主轴箱沿着Z轴移动产生的俯仰角，L_z表示机床主轴箱在Z方向的阿贝臂长。

进一步的，所述误差补偿模块包括叠加运算模块，用于通过下式确定考虑阿贝误差后的定位误差补偿值，

其中，δ_x(x)、δ_y(y)表示工作台分别沿着X、Y轴移动产生的定位误差，δ_z(z)表示主轴箱沿着Z轴移动产生的定位误差，E_x(x)、E_y(y)、E_z(z)为考虑阿贝误差后的定位误差补偿值。

本发明所达到的有益效果：

传统的方法只补偿δ_x(x)、δ_y(y)、δ_z(z)这三个值作为机床最终定位精度，本发明是考虑了测量过程中产生的阿贝误差，其补偿值叠加了阿贝误差作为机床的最终定位精度，大大提高了补偿精度。

附图说明

图1是测量X轴所产生的阿贝臂长；

图2是工作台沿着X轴移动所产生的俯仰角；

图3是测量Z轴所产生的阿贝臂长。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

一般情况下，机床的定位精度测量采用的装置为激光干涉仪，常规的方法是将所测量的数据直接补偿在数控系统中而没有考虑测量过程中产生的阿贝误差。事实上，测量所产生的阿贝误差在误差补偿中占有很大比例。

本发明对机床定位精度的测量过程进行分析，提供一种基于机床定位精度测量的阿贝误差补偿方法，主要包含以下几个步骤:

步骤1:将测量装置激光干涉仪布置在机床上，对光调试，使得激光干涉仪处于待测量状态。

所述对光调试，依据X轴的对光步骤为例：

1)调整激光干涉仪，使其发生光从远端(在测量的行程范围内，激光头离反射镜最远的位置)垂直进入反射镜的入射孔。

2)移动机床X轴，将干涉仪移动至反射镜处，该处称之为近端，同样确保激光干涉仪的发生光从近端垂直进入反射镜的入射孔。

3)分别在近端和远端调整机床手轮和激光干涉仪的调光旋钮，让激光干涉仪的定位误差控制许可的范围内(一般为±3μm)。

4)重复3)让激光干涉仪的测量行程的定位误差都控制在许可的范围内，完成对光调试。

步骤2:录入数控系统的测量程序，使得数控系统的程序和激光干涉仪的测量参数设置一致。

步骤3:测量机床的定位误差，生成误差补偿参数表。

步骤4:测量激光干涉仪的发射光与相应传动丝杠中心轴线的距离，记录此数据即为阿贝臂长，机床水平方向有两个传动丝杠，分别为X方向和Y方向，驱动工作台沿着X方向和Y方向移动；同理，在Z方向也就是在垂直方向也有一个传动丝杠，驱动机箱主轴箱(机床主轴箱在垂直方向移动时是依靠Z方向的传动丝杠旋转运动拖动主轴箱上下移动)沿着垂直方向移动，这里的相应传动丝杠指的是相应方向的传动丝杠。

步骤5:外置模块根据激光干涉仪测量所产生的俯仰角误差和阿贝臂长计算出阿贝误差值，并将计算好所对应的阿贝误差值上传到数控系统中。该外置补偿模块的意义就是将测量所产生的阿贝误差数据通过外置的模块进行处理，然后将处理后的数据和数控系统进行交互。

步骤6:数控系统根据误差补偿参数表和对于的阿贝误差值做叠加运算，生成补偿后的G代码驱动伺服电机作进给运动，使得刀具和工件之间的相对位在理想位置上，进而达到提高加工精度的目的。

相应的本发明还提供一种基于机床定位精度测量的阿贝误差补偿系统，一种基于机床定位精度测量的阿贝误差补偿系统，包括预设置模块，用于将测量装置激光干涉仪布置在机床上，对光调试，使得激光干涉仪处于待测量状态；录入数控系统的测量程序，使得数控系统的程序和激光干涉仪的测量参数设置一致；

还包括：

生成模块，用于测量机床的定位误差，生成误差补偿参数表；

测量模块，用于测量激光干涉仪的发射光与相应传动丝杠中心轴线的距离，记录此数据为阿贝臂长；

计算模块，用于通过外置补偿模块根据所述阿贝臂长计算出阿贝误差值，并将计算好所对应的阿贝误差值上传到数控系统中；

误差补偿模块，用于通过数控系统根据误差补偿参数表和阿贝误差值做叠加运算，生成补偿后的定位误差补偿值，并依据定位误差补偿值驱动伺服电机作进给运动，进行误差补偿。

本实施例中，所述测量模块的处理过程为：

分别测量机床三个方向的定位误差，先对光然后测量，测量时选定环境温度为测量时外界实际温度，设定起点和终点的位置、采样次数、增量、运行次数、采样停留时间等参数然后开始测量，测量完成后自动保存测量数据，此数据包含机床的各个设置点的定位误差。

具体实施例，如附图1、2和3所示。

工作台的位置设定为机床坐标系零点上，传动丝杠的中心轴线到工作台面的距离为L₀，该值为一个定值，工作台面到刀尖点的值依据实际测量时激光干涉仪的安装为准，取值为Z，此时的阿贝臂长为(Z+L₀)。

依据工作台沿着X轴移动为例，当工作台在机床导轨上移动时，由于导轨的弯曲变形使得工作台与水平面之间产生俯仰角ε_yx，如图2所示。

根据阿贝原则可知测量所产生的误差为：

δ＝(Z+L₀)ε_yx (1)

在机床定位误差补偿中，除了考虑机床本身产生的定位误差外还应考虑由于测量过程中产生的阿贝误差δ。

考虑阿贝误差后所建立的误差补偿模型如下：

上式中δ_x(x)、δ_y(y)表示工作台分别沿着X、Y轴移动产生的定位误差，δ_z(z)表示主轴箱沿着Z轴移动产生的定位误差；ε_y(x)、ε_x(y)表示工作台分别沿着X、Y轴移动产生的俯仰角，ε_x(z)表示主轴箱沿着Z轴移动产生的俯仰角，L_z表示主轴箱在Z方向的阿贝臂长。

传统的方法只补偿δ_x(x)、δ_y(y)、δ_z(z)这三个值作为机床最终定位精度，本发明是考虑了测量过程中产生的阿贝误差，其补偿值叠加了阿贝误差作为机床的最终定位精度，如式(2)所建立的误差模型，E_x(x)、E_y(y)、E_z(z)为考虑阿贝误差后的定位误差补偿值。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的得同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种基于机床定位精度测量的阿贝误差补偿方法，将测量装置激光干涉仪布置在机床上，对光调试，使得激光干涉仪处于待测量状态，接着录入数控系统的测量程序，使得数控系统的程序和激光干涉仪的测量参数设置一致，完成预设置；

其特征在于，

在完成预设置后，测量机床的定位误差，生成误差补偿参数表；

测量激光干涉仪的发射光与相应传动丝杠中心轴线的距离，记录此数据为阿贝臂长；

外置补偿模块根据所述阿贝臂长计算出阿贝误差值，并将计算好所对应的阿贝误差值上传到数控系统中；

数控系统根据误差补偿参数表和阿贝误差值做叠加运算，生成补偿后的定位误差补偿值，并依据定位误差补偿值驱动伺服电机作进给运动，进行误差补偿；

所述阿贝误差值的计算公式为：

其中，Z表示工作台面到刀尖点的值，L₀表示机床的传动丝杠的中心轴线到工作台面的距离，δ_x、δ_y分别表示工作台沿着X、Y轴移动产生的阿贝误差值，δ_z表示机床主轴箱沿着Z轴移动产生的阿贝误差值，ε_y(x)、ε_x(y)表示工作台分别沿着X、Y轴移动产生的俯仰角，ε_x(z)表示机床主轴箱沿着Z轴移动产生的俯仰角，L_z表示机床主轴箱在Z方向的阿贝臂长；

所述叠加运算的公式为：

其中，δ_x(x)、δ_y(y)表示工作台分别沿着X、Y轴移动产生的定位误差，δ_z(z)表示主轴箱沿着Z轴移动产生的定位误差，E_x(x)、E_y(y)、E_z(z)为考虑阿贝误差后的定位误差补偿值。

2.根据权利要求1所述的基于机床定位精度测量的阿贝误差补偿方法，其特征在于，所述测量机床的定位误差为：

分别测量机床三个方向的定位误差，先对光然后测量，测量时选定环境温度为测量时外界实际温度，设定起点和终点的位置、采样次数、增量、运行次数、采样停留时间参数然后开始测量，测量完成后自动保存测量数据，此数据包含机床的各个设置点的定位误差。

3.一种基于机床定位精度测量的阿贝误差补偿系统，包括预设置模块，用于将测量装置激光干涉仪布置在机床上，对光调试，使得激光干涉仪处于待测量状态；录入数控系统的测量程序，使得数控系统的程序和激光干涉仪的测量参数设置一致；

其特征在于，还包括：

生成模块，用于测量机床的定位误差，生成误差补偿参数表；

测量模块，用于测量激光干涉仪的发射光与相应传动丝杠中心轴线的距离，记录此数据为阿贝臂长；

计算模块，用于通过外置补偿模块根据所述阿贝臂长计算出阿贝误差值，并将计算好所对应的阿贝误差值上传到数控系统中；

误差补偿模块，用于通过数控系统根据误差补偿参数表和阿贝误差值做叠加运算，生成补偿后的定位误差补偿值，并依据定位误差补偿值驱动伺服电机作进给运动，进行误差补偿；

所述阿贝误差值的计算公式为：

其中，Z表示工作台面到刀尖点的值，L₀表示机床的传动丝杠的中心轴线到工作台面的距离，δ_x、δ_y分别表示工作台沿着X、Y轴移动产生的阿贝误差值，δ表示机床主轴箱沿着Z轴移动产生的阿贝误差值，ε_y(x)、ε_x(y)表示工作台分别沿着X、Y轴移动产生的俯仰角，ε_x(z)表示机床主轴箱沿着Z轴移动产生的俯仰角，L_z表示机床主轴箱在Z方向的阿贝臂长；

所述叠加运算的公式为：

其中，δ_x(x)、δ_y(y)表示工作台分别沿着X、Y轴移动产生的定位误差，δ_z(z)表示主轴箱沿着Z轴移动产生的定位误差，E_x(x)、E_y(y)、E_z(z)为考虑阿贝误差后的定位误差补偿值。

4.根据权利要求3所述的基于机床定位精度测量的阿贝误差补偿系统，其特征在于，所述测量模块的处理过程为：

分别测量机床三个方向的定位误差，先对光然后测量，测量时选定环境温度为测量时外界实际温度，设定起点和终点的位置、采样次数、增量、运行次数、采样停留时间参数然后开始测量，测量完成后自动保存测量数据，此数据包含机床的各个设置点的定位误差。

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