[发明专利]数控机床几何/热误差在线测量与补偿系统

摘要

本发明提供了数控机床几何/热误差在线测量与补偿系统，属于数控机床误差测试与补偿技术领域。该数控机床几何/热误差在线测量与补偿系统包含硬件平台和测量与补偿软件两部分。硬件平台包括单向加速度传感器、数字IC式高精度温度传感器、多通道温度数据采集器和几何/热误差测量与补偿主机。测量与补偿软件在几何/热误差测量与补偿主机中运行，实现机床几何与热误差的测试与补偿，以及与FANUC数控系统通讯。本发明的优点在于通过加速度传感器实现了几何误差的快速高效测试，而不需要昂贵的专业仪器，并可以同时对几何和热误差进行在线实时补偿。

主权项

1.一种数控机床几何/热误差在线测量与补偿系统，主要由测量与补偿系统硬件和测量与补偿系统软件两部分构成；测量与补偿系统硬件包括单向加速度传感器、数字IC式高精度温度传感器、多通道温度数据采集器和几何/热误差测量与补偿主机；测量与补偿系统软件在几何/热误差测量与补偿主机中运行，实现几何/热误差数据处理与补偿，以及与数控系统的通讯与数据读写；其特征在于，单向加速度传感器通过同轴屏蔽电缆与几何/热误差测量与补偿主机连接，将加速度信号以模拟量形式发送给几何/热误差测量与补偿主机；数字IC式高精度温度传感器通过四芯屏蔽电缆与多通道温度数据采集器连接，将温度数据基于单线双向通信协议发送给多通道温度数据采集器；一个多通道温度数据采集器最多连接十个温度传感器；多通道温度数据采集器通过三芯屏蔽电缆与几何/热误差测量与补偿主机连接，基于Modbus RTU通讯协议将各通道温度数据通过RS485通讯接口发送给几何/热误差测量与补偿主机；几何/热误差测量与补偿主机通过双绞线交叉电缆与FANUC数控系统连接，基于FOCAS II网络通讯协议进行通讯；测量与补偿系统软件：(1)基于加速度信号，应用进给轴几何误差辨识算法得出机床进给轴的直线度误差；进给轴几何误差辨识算法具体如下所示：式中，s(t)为实时位移，为垂直方向的初始位移，为垂直于轴向的初始速度，a₀为加速度信号直流分量，a(t)为实时加速度，v^||为沿轴向匀速运行的速度，x(t)为轴向实时长度；对式(1)求解，得到实时位移s(t)随轴向测试行程x的关系：然后，应用两端点连线法，根据s(x)计算进给轴的直线度误差；具体计算方法如下：式中，E_s(x)为直线度误差，L为测试总行程，x为测试行程，s(end)为在测试终点的位移，s(0)为在测试起点的位移；(2)基于位置和温度信号，应用进给轴热误差模型，对热误差进行实时预测；进给轴热误差模型将丝杠等分为N段，每段长度为l，热误差计算方法为：式中，E_f(m,t)为当前时刻第m段丝杠的热误差计算值，T_i(t)为第i段丝杠当前时刻的温度，Q为螺母经过每段丝杠产生的热量，T_i(t‑Δt)为第i段丝杠前一时刻的温度，T_f(t‑Δt)为前一时刻与丝杠表面接触的空气温度，Δt为采样周期，k、α、β和γ均为系数；(3)基于FOCAS II协议与FANUC数控系统进行通讯，实现机床机械坐标的读取和误差补偿值的写入，基于扩展的外部机械坐标原点偏移功能实现补偿；步骤如下：1)在FANUC数控系统中设置内嵌/PCMCIA为有效的以太网设备；2)设置扩展的外部机械坐标原点偏移功能相关参数，并开启该功能；3)测量与补偿系统软件通过FANUC数控系统的IP地址和端口号与其建立连接；连接成功后，读取进给轴机械坐标，并同时采集单向加速度传感器、温度传感器的数据，计算几何/热综合误差补偿值，向数控系统写入误差补偿值；当前几何/热综合误差补偿值的计算如下：C(x，t)＝‑[E_s(x)+E_f(m，t)]  (5)。