[发明专利]数控机床几何与热复合位置误差的智能补偿系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种机床位置误差补偿装置，具体涉及一种数控机床几何与热复合位置误差的智能补偿系统，属于精密数控装备技术领域。

背景技术

现代数控机床主要采用旋转伺服电机+滚珠丝杆的丝杆螺母副传动方式，丝杆采用“双推.支承”装配方式，即一端固定，另一端可以微量地轴向浮动，这样丝杆受热应力时可以自由地向一端伸长。由于丝杆螺母副的制造误差、装配误差及传动间隙的存在，数控机床在工作中不可避免地存在加工误差，从而形成数控机床传动过程的螺距误差，当工作台反向运动时，还存在反向间隙引起的误差。在大多数的数控系统中，为了补偿螺距误差引起的机床定位误差，通常具有螺距误差补偿功能。在进行螺距误差补偿时，通过激光干涉仪预先测量丝杆螺母副传动系统的螺距误差，然后将补偿数据和其对应的位置存储在数控系统中，加工时，数控系统将机床坐标位置对应的补偿数据叠加到控制指令中，从而实现螺距误差的补偿。

在数控系统自带的螺距误差补偿功能中，误差补偿量与机床坐标位置是彼此对应的，但实际上，当机床工作台运动方向不同时，丝杆与螺母的接触面不相同，通过激光干涉仪测量的定位误差也是不同的，即运动方向不同在同一点的定位误差并不相同。因此，现有的螺距误差补偿系统只能进行单向螺距误差补偿，很难实现高精度的误差补偿。

此外，随着实际切削过程中丝杠螺母副温度的升高，丝杆会以固定端为基准向自由端热膨胀，数控机床运动轴的位置误差亦随之变化，因此，运动轴的位置误差是动态误差，其不仅与机床坐标位置有关，而且还与机床温度场信息有关。而且实验研究发现，热误差是影响加工精度的主要因素，占总加工误差的50％-70％，因此有效的检测出机床加工中产生的热误差并对其实施补偿，将有效提高数控机床加工精度。

此外机床厂家普遍反映，通过预设补偿值或数学补偿模型来补偿机床误差，随着季节气候、外界环境温度、加工工况的变化，补偿精度不能长期有效保持，一段时间后就失去了补偿效果。为了保持补偿系统长期有效的补偿精度，就必须对外界环境温度、加工工况进行有效监控，并据此实时调整补偿模型。

经检索发现，学界对机床热误差的研究都主要集中在主轴热漂移方面，如申请号为201110001213.2，名称为《用于高速精密加工的热误差实时补偿系统及补偿方法》的中国专利申请、机械工程学报上刊登的文章《数控机床热误差补偿模型在线修正方法研究》等，但是随着电主轴的应用，主轴热漂移误差已经能够得到有效控制，所以运动轴的位置热误差成了影响最大的热误差。对于机床螺距误差的研究有：中国专利申请号：200410003487.5、专利名称：《数控机床误差补偿方法及其系统》，此外菲迪亚公司还发明了一种用于数控机床上补偿静态误差的方法和系统(中国专利公开号CN 1308741A)。但这些研究都只对数控机床螺距误差提出了静态补偿措施，是运用预设的不变的补偿模型来确定补偿值，无法在实际使用中随着环境温度和切削工况的变化对补偿模型进行实时更新，鲁棒性不强。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种数控机床几何与热复合位置误差的智能补偿系统，对数控机床运动轴的几何与热复合位置误差进行双向补偿，提高机床加工时的定位精度与重复定位精度，同时能够实时监测外界环境温度、加工工况的变化，并据此实时更新补偿模型，提高补偿模型的鲁棒性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种数控机床几何与热复合位置误差的智能补偿系统，其包括数控机床、温度实时监测单元、I/O数据交互单元和中央控制单元，其中，数控机床包括有床身和数控系统，温度实时监测单元与数控机床的床身连接并且对床身及其环境的温度信息进行采集，该温度实时监测单元还与中央控制单元连接并且将温度信息实时反馈给中央控制单元，I/O数据交互单元与数控机床的数控系统连接并且与之进行数据交互，I/O数据交互单元由数控系统读取包括当前的机床坐标位置、伺服电机方向和冷却液工作状态在内的实时状态信息，并且向数控系统输入补偿值，I/O数据交互单元还与中央控制单元连接并且与之进行数据交互，I/O数据交互单元将当前的实时状态信息输入中央控制单元，中央控制单元根据来自温度实时监测单元的温度信息和来自I/O数据交互单元的实时状态信息，自动实时建立和更新补偿模型，并且将由补偿模型获得的补偿值传输给I/O数据交互单元。