專利名稱：一種用于大型數(shù)控機(jī)床的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)及補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種溫度補(bǔ)償系統(tǒng)及補(bǔ)償方法，尤其涉及一種用于大型數(shù)控機(jī)床的溫
度補(bǔ)償系統(tǒng)及補(bǔ)償方法。
背景技術(shù)：
金屬材料具有"熱脹冷縮"的性質(zhì)，該特性在物理學(xué)上通常用熱膨脹系數(shù)描述。目
前，數(shù)控機(jī)床的床身、立柱、拖板等導(dǎo)軌基礎(chǔ)件和滾珠絲杠等傳動(dòng)部件都是由金屬材料制
成，由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)熱、運(yùn)動(dòng)部件摩擦發(fā)熱以及環(huán)境溫度等的變化，均會(huì)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸位
置產(chǎn)生附加誤差，這將直接影響機(jī)床的定位精度，從而影響工件的加工精度。 對(duì)于在普通車間環(huán)境條件下使用的數(shù)控機(jī)床尤其是行程比較長(zhǎng)的大型機(jī)床，熱
膨脹系數(shù)的影響更不容忽視。比如對(duì)行程5米的進(jìn)給軸來(lái)說(shuō)，金屬材料的熱膨脹系數(shù)為
10卯m(10 y m/每lm每1度)，理論上溫度每上升1度，5m的行程的X軸就"脹長(zhǎng)"50 y m。
日溫差和冬夏季節(jié)溫差的影響便可想而知。因此高精度機(jī)床要求在規(guī)定的恒溫條件下制造
或使用，普通條件下使用的數(shù)控機(jī)床為保證較高定位精度和加工精度，必須采取措施消除
其誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，而提供一種用于大型數(shù)控機(jī)床的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)
及補(bǔ)償方法，它能夠進(jìn)行有效的溫度補(bǔ)償，提高數(shù)控機(jī)床的定位精度和加工精度。 實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案是 本發(fā)明之一的一種用于大型數(shù)控機(jī)床的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，大型數(shù)控機(jī)床包括機(jī)床、 伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，其中，包括若干安裝于所述的機(jī)床上的溫度傳感器、與 所述的溫度傳感器依次相連的變送器、PLC模塊、軸模塊，所述的軸模塊的一端與一進(jìn)行溫 度補(bǔ)償?shù)臄?shù)控單元相連，另一端與所述的驅(qū)動(dòng)器相連，其中 所述的數(shù)控單元包括依次相連的輸出理想位置的數(shù)控機(jī)床插補(bǔ)模塊、輸出實(shí)際位 置的修正模塊以及輸出位置信號(hào)的數(shù)控機(jī)床位置控制模塊，還包括相連的采集溫度的溫度 采集模塊和輸出補(bǔ)償數(shù)據(jù)給修正模塊的溫度補(bǔ)償計(jì)算模塊。 上述的用于大型數(shù)控機(jī)床的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，其中，所述的溫度補(bǔ)償計(jì)算模塊根據(jù) 采集到的當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)計(jì)算該溫度時(shí)刻的機(jī)床相應(yīng)的軸的溫度補(bǔ)償值，若溫度補(bǔ)償值為正 值就通過(guò)數(shù)控機(jī)床位置控制模塊控制軸負(fù)向移動(dòng)，否則就正向移動(dòng)。 上述的用于大型數(shù)控機(jī)床的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，其中，所述的PLC模塊包括一A/D接 口 ，該A/D接口與所述的變送器相連以進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。 上述的用于大型數(shù)控機(jī)床的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，其中，所述的PLC模塊和數(shù)控單元均 通過(guò)總線接口與所述的軸模塊相連以傳輸數(shù)據(jù)。 上述的用于大型數(shù)控機(jī)床的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，其中，所述的軸模塊包括有一輸出模 擬量信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器的D/A轉(zhuǎn)換模塊和一接受驅(qū)動(dòng)器位置反饋信號(hào)的位置反饋模塊。
3
本發(fā)明之二的一種用于大型數(shù)控機(jī)床的溫度補(bǔ)償方法，其中，它包括以下步驟
采集步驟，采集當(dāng)前的溫度數(shù)據(jù)，以某個(gè)溫度為基準(zhǔn)，測(cè)量相應(yīng)軸的各個(gè)位置誤 差，得到這個(gè)溫度誤差曲線； 計(jì)算溫度補(bǔ)償值步驟，計(jì)算該溫度時(shí)刻的補(bǔ)償值，計(jì)算時(shí)，采用以下公式進(jìn)行計(jì) 算 A Kx (T) = Ko (T) +tan P (T) * (Px-Po) 其中A Kx (T)為軸Px位置的定位誤差溫度偏差補(bǔ)償值；
Ko(T)是與軸位置不相關(guān)的溫度偏差；
Px為軸的實(shí)際位置
Po為軸的參考點(diǎn)位置； tanP (T)為與軸位置相關(guān)的溫度補(bǔ)償系數(shù)，該溫度補(bǔ)償系數(shù)為定位誤差曲線的角 度； 修正步驟，將計(jì)算溫度補(bǔ)償值步驟中得到的補(bǔ)償數(shù)據(jù)與理想位置數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算修 正軸的運(yùn)動(dòng)； 輸出步驟，若定位誤差溫度偏差補(bǔ)償值A(chǔ)Kx(T)為正值就控制軸負(fù)向移動(dòng)進(jìn)行位 置補(bǔ)償，以消除熱效應(yīng)帶來(lái)的誤差，否則就正向移動(dòng)。 本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明通過(guò)溫度傳感器獲取機(jī)床各位置的實(shí)際溫度曲線， 通過(guò)溫度補(bǔ)償將補(bǔ)償量輸出給驅(qū)動(dòng)器，帶動(dòng)伺服電機(jī)進(jìn)行位置補(bǔ)償，采用溫度補(bǔ)償計(jì)算模 塊和插補(bǔ)模塊進(jìn)行修正，輸出實(shí)際位置的補(bǔ)償量，該系統(tǒng)克服了在普通車間環(huán)境條件下使 用的數(shù)控機(jī)床易產(chǎn)生誤差的缺點(diǎn)，提高了加工精度及定位精度。


圖1是本發(fā)明之一的用于大型數(shù)控機(jī)床的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明之一的用于大型數(shù)控機(jī)床的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的數(shù)控單元的結(jié)構(gòu)示意
圖； 圖3是本發(fā)明之二的用于大型數(shù)控機(jī)床的溫度補(bǔ)償方法的流程圖；
圖4是本發(fā)明之二的誤差曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。 請(qǐng)參閱圖1和圖2，圖中示出了本發(fā)明之一的一種用于大型數(shù)控機(jī)床的溫度補(bǔ)償 系統(tǒng)，大型數(shù)控機(jī)床包括機(jī)床8、伺服電機(jī)7、驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)7的驅(qū)動(dòng)器6，本發(fā)明包括若干 安裝于機(jī)床8上的溫度傳感器1、與溫度傳感器1依次相連的變送器2、 PLC模塊3、軸模塊 4，軸模塊4的一端與一進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)臄?shù)控單元5相連，另一端與驅(qū)動(dòng)器6相連，本實(shí)施例 中，溫度傳感器1采用PT100傳感器，其中 數(shù)控單元5包括依次相連的輸出理想位置的數(shù)控機(jī)床插補(bǔ)模塊51、輸出實(shí)際位置 的修正模塊52以及輸出位置信號(hào)的數(shù)控機(jī)床位置控制模塊53，還包括相連的采集溫度的 溫度采集模塊55和輸出補(bǔ)償數(shù)據(jù)給修正模塊52的溫度補(bǔ)償計(jì)算模塊54，該溫度補(bǔ)償計(jì)算 模塊54根據(jù)采集到的當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)計(jì)算該溫度時(shí)刻的機(jī)床相應(yīng)的軸的溫度補(bǔ)償值，若溫
4度補(bǔ)償值為正值就通過(guò)數(shù)控機(jī)床位置控制模塊53控制軸負(fù)向移動(dòng)，否則就正向移動(dòng)。
PLC模塊3包括一 A/D接口 31，該A/D接口 31與變送器2相連以進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。
軸模塊4包括有一輸出模擬量信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器6的D/A轉(zhuǎn)換模塊41和一接受驅(qū)動(dòng) 器6位置反饋信號(hào)的位置反饋模塊42。 PLC模塊3和數(shù)控單元5均通過(guò)總線接口 9與軸模塊4相連以傳輸數(shù)據(jù)。
由于溫度影響的滯后性，PLC模塊3采取定時(shí)間隔采樣溫度(T)的方法，周期性的 修改數(shù)控機(jī)床中相關(guān)補(bǔ)償參數(shù)，并利計(jì)算溫度偏差，從而補(bǔ)償?shù)魷囟茸兓a(chǎn)生的位置偏差。
本發(fā)明的工作原理為將大量的溫度傳感器1需要安裝于機(jī)床8各個(gè)位置，以獲取 機(jī)床8各位置的實(shí)際溫度曲線圖，而機(jī)床坐標(biāo)軸的定位誤差隨溫度變化會(huì)附加一定偏差， 對(duì)每一給定溫度可測(cè)出相應(yīng)的定位誤差曲線；通過(guò)變送器2將溫度傳感器1信號(hào)傳輸?shù)?PLC模塊3的A/D接口 31 ，進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，精度為12位的數(shù)字量；PLC模塊3的總線接口 9和數(shù)控單元的總線接口 9將數(shù)據(jù)傳送到軸模塊4 ;數(shù)控單元5進(jìn)行溫度補(bǔ)償計(jì)算；計(jì)算結(jié) 果通過(guò)總線傳送到軸模塊4，軸模塊4上的D/A轉(zhuǎn)換模塊41轉(zhuǎn)換成16位精度的模擬量，給 驅(qū)動(dòng)器6，帶動(dòng)伺服電機(jī)7進(jìn)行位置補(bǔ)償。 請(qǐng)參閱圖3和圖4，圖中示出了本發(fā)明之二的一種用于大型數(shù)控機(jī)床的溫度補(bǔ)償 方法，它包括以下步驟 采集步驟Sl，采集當(dāng)前的溫度數(shù)據(jù)，以某個(gè)溫度為基準(zhǔn)，測(cè)量相應(yīng)軸的各個(gè)位置誤 差，得到這個(gè)溫度誤差曲線，即根據(jù)測(cè)量不同溫度時(shí)的位置變化繪制出溫度和位置的變化 曲線，計(jì)算出各溫度時(shí)候誤差變化斜率等； 計(jì)算溫度補(bǔ)償值步驟S2，計(jì)算該溫度時(shí)刻的補(bǔ)償值，計(jì)算時(shí)，采用以下公式進(jìn)行計(jì) 算 A Kx (T) = Ko (T) +tan P (T) * (Px-Po) 其中A Kx (T)為軸Px位置的定位誤差溫度偏差補(bǔ)償值；
Ko (T)是與軸位置不相關(guān)的溫度偏差；
Px為軸的實(shí)際位置
Po為軸的參考點(diǎn)位置； tanP (T)為與軸位置相關(guān)的溫度補(bǔ)償系數(shù)，該溫度補(bǔ)償系數(shù)為定位誤差曲線的角 度； 修正步驟S3，將計(jì)算溫度補(bǔ)償值步驟中得到的補(bǔ)償數(shù)據(jù)與理想位置數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算 修正軸的運(yùn)動(dòng)； 輸出步驟S4，若定位誤差溫度偏差補(bǔ)償值A(chǔ)Kx(T)為正值就控制軸負(fù)向移動(dòng)進(jìn)行 位置補(bǔ)償，以消除熱效應(yīng)帶來(lái)的誤差，否則就正向移動(dòng)。 以上實(shí)施例僅供說(shuō)明本發(fā)明之用，而非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。有關(guān)本技術(shù)領(lǐng) 域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以作出各種變換或變型，而所 有等同的技術(shù)方案也應(yīng)歸屬于本發(fā)明保護(hù)的范疇之內(nèi)，由各權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
一種用于大型數(shù)控機(jī)床的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，大型數(shù)控機(jī)床包括機(jī)床、伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，包括若干安裝于所述的機(jī)床上的溫度傳感器、與所述的溫度傳感器依次相連的變送器、PLC模塊、軸模塊，所述的軸模塊的一端與一進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)臄?shù)控單元相連，另一端與所述的驅(qū)動(dòng)器相連，其中所述的數(shù)控單元包括依次相連的輸出理想位置的數(shù)控機(jī)床插補(bǔ)模塊、輸出實(shí)際位置的修正模塊以及輸出位置信號(hào)的數(shù)控機(jī)床位置控制模塊，還包括相連的采集溫度的溫度采集模塊和輸出補(bǔ)償數(shù)據(jù)給修正模塊的溫度補(bǔ)償計(jì)算模塊。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于大型數(shù)控機(jī)床的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于，所述的溫 度補(bǔ)償計(jì)算模塊根據(jù)采集到的當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)計(jì)算該溫度時(shí)刻的機(jī)床相應(yīng)的軸的溫度補(bǔ)償 值，若溫度補(bǔ)償值為正值就通過(guò)數(shù)控機(jī)床位置控制模塊控制軸負(fù)向移動(dòng)，否則就正向移動(dòng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于大型數(shù)控機(jī)床的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于，所述的PLC 模塊包括一 A/D接口 ，該A/D接口與所述的變送器相連以進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于大型數(shù)控機(jī)床的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于，所述的PLC 模塊和數(shù)控單元均通過(guò)總線接口與所述的軸模塊相連以傳輸數(shù)據(jù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于大型數(shù)控機(jī)床的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于，所述的軸 模塊包括有一輸出模擬量信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器的D/A轉(zhuǎn)換模塊和一接受驅(qū)動(dòng)器位置反饋信號(hào)的 位置反饋模塊。
6. —種用于大型數(shù)控機(jī)床的溫度補(bǔ)償方法，其特征在于，它包括以下步驟 采集步驟，采集當(dāng)前的溫度數(shù)據(jù)，以某個(gè)溫度為基準(zhǔn)，測(cè)量相應(yīng)軸的各個(gè)位置誤差，得到這個(gè)溫度誤差曲線；計(jì)算溫度補(bǔ)償值步驟，計(jì)算該溫度時(shí)刻的補(bǔ)償值，計(jì)算時(shí)，采用以下公式進(jìn)行計(jì)算A Kx (T) = Ko (T) +tan P (T) * (Px-Po)其中AKx(T)為軸Px位置的定位誤差溫度偏差補(bǔ)償值；Ko(T)是與軸位置不相關(guān)的溫度偏差；Px為軸的實(shí)際位置Po為軸的參考點(diǎn)位置；tanP (T)為與軸位置相關(guān)的溫度補(bǔ)償系數(shù)，該溫度補(bǔ)償系數(shù)為定位誤差曲線的角度； 修正步驟，將計(jì)算溫度補(bǔ)償值步驟中得到的補(bǔ)償數(shù)據(jù)與理想位置數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算修正軸 的運(yùn)動(dòng)；輸出步驟，若定位誤差溫度偏差補(bǔ)償值A(chǔ)Kx(T)為正值就控制軸負(fù)向移動(dòng)進(jìn)行位置補(bǔ) 償，以消除熱效應(yīng)帶來(lái)的誤差，否則就正向移動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于大型數(shù)控機(jī)床的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)及補(bǔ)償方法，大型數(shù)控機(jī)床包括機(jī)床、伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，系統(tǒng)包括若干安裝于機(jī)床上的溫度傳感器、與溫度傳感器依次相連的變送器、PLC模塊、軸模塊，所述的軸模塊的一端與一進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)臄?shù)控單元相連，另一端與驅(qū)動(dòng)器相連。補(bǔ)償方法包括采集步驟、計(jì)算溫度補(bǔ)償值步驟、修正步驟、輸出步驟。本發(fā)明通過(guò)溫度傳感器獲取機(jī)床各位置的實(shí)際溫度曲線，通過(guò)溫度補(bǔ)償將補(bǔ)償量輸出給驅(qū)動(dòng)器，帶動(dòng)伺服電機(jī)進(jìn)行位置補(bǔ)償，克服了在普通車間環(huán)境條件下使用的數(shù)控機(jī)床易產(chǎn)生誤差的缺點(diǎn)，提高了加工精度及定位精度。
文檔編號(hào)G05B19/404GK101751002SQ20081020468
公開日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2008年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月16日
發(fā)明者于忠海, 周吉, 尹冠群, 徐志明, 楊家榮 申請(qǐng)人:上海電氣集團(tuán)股份有限公司;上海電機(jī)學(xué)院