专利名称：一种自动补偿温度形变和刀具形偏的坐标系系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及数控机床领域，更具体地说，涉及ー种自动补偿温度形变和刀具形偏的坐标系系统。
背景技术：
数控机床的エ件加工，一般是由程序控制完成的，所以坐标系和坐标的确定与使用非常重要。为了说明质点的位置、运动速度快慢和运动方向等，必须选取一个參照系，在參照系中，为确定空间ー质点的位置，按规定方法选取的有次序的一组数据来标识质点的位置，这就叫做“坐标”。在某ー问题中规 定坐标的方法，就是该问题所用的坐标系。如果质点沿直线运动，为了定量描述质点的位置变化，可以以这条直线为X轴，在直线上规定原点、正方向和单位长度，建立直线坐标系。坐标系的种类很多，常用的坐标系有笛卡尔直角坐标系、平面极坐标系、柱面坐标系(或称柱坐标系)和球面坐标系(或称球坐标系)等。在数控系统和机床中常用的坐标系为直角坐标系,或称为正交坐标系。坐标系的定义根据IS0841标准，用右手笛卡儿坐标系作为标准确定。数控系统中的坐标系管理単元，为系统中的其他各个模块提供与坐标相关的ー些服务功能。其主要功能有1、机床坐标系下的坐标值与各个坐标系下坐标值互转；2、管理各个坐标系的原点偏置；3.处理各个坐标系激活状态的切換事件。现有技术中，数控系统建立四个坐标系机床坐标系G53、机床原点偏置坐标系G92、エ件坐标系(G54 G59)和局部坐标系G52，通过该四个坐标系实现定位加工。机床坐标系G53的原点是生产厂家在制造机床时的固定坐标系原点，也称机床零点。它是在机床装配、调试时已经确定下来的，是机床加工的基准点。在使用中机床坐标系是由參考点来确定的，机床系统启动后，进行返回參考点操作，机床坐标系就建立了。坐标系ー经建立，只要不切断电源，坐标系就不会变化。机床原点偏置坐标系G92的设定是通过改变エ件坐标系(G54 G59)的原点偏移量来实现的。エ件坐标系，是编程人员在编制程序时用来确定刀具和程序起点的，该坐标系的原点可由编程人员根据具体情况确定，但坐标轴的方向应与机床坐标系一致并且与之有确定的尺寸关系。G54 G59为设定加工坐标系指令。G54对应一号エ件坐标系，其余以此类推。G54 G59在加工程序中出现时，即选择了相应的加工坐标系。功能选择某一个エ件坐标系使其当前激活处于有效状态，从此开始，采用绝对值编程指定的坐标位置均为从该エ件坐标系原点开始。局部坐标系是在エ件坐标系的基础上建立的，同时局部坐标系建立不改变エ件坐标和机床坐标系。G52 Xx Yy Zz Aa Bb Ce可在エ件坐标系(G54 G59)中设定局部坐标系。G52IP_设定局部坐标系G52取消局部坐标系
局部坐标的原点偏置设定在エ件坐标系中以IP_指定的位置；如果G52指令是XO YO ZO就是取消相应轴的局部坐标，所有IP都不指定，表示取消局部坐标系。现有数控系统中，数控系统按照理想状态模式进行加工，不监控补偿加工过程中刀尖的形变和运动控制部件的形变带来的刀尖点的位置偏移。为了使加工更加精确，用户经过估测，通过编程将刀具在加工过程中的形变加以考虑，加入刀尖点的位置偏移补偿。但因为在加工过程中，需要根据不同的加工部位选择不同在加工刀具，每次换刀后需要重新编程改写參数，很不方便。而且，经用户估测在编程中加入的刀尖点位置偏移补偿数据并不准确。
发明内容
本发明要解决的技术问题在干，针对现有技术存在的数控系统不能自动对加工过程中刀尖的形变和运动控制部件的形变加以补偿的缺陷，提供ー种自动补偿温度变化引起 的形变；还可以解决由于换刀后，要修改NC程序中相关的刀具的形偏补偿代码的麻烦，实现换刀后自动补偿刀具形偏的一种坐标系系统。本发明提供ー种自动补偿温度形变和刀具形偏的坐标系系统，其特征在于，包括将各个坐标系下的坐标值转换成机床坐标系下的坐标值和/或将机床坐标系下的坐标值转换成各个坐标系下的坐标值的坐标系管理単元，与坐标系管理単元和NC程序文件库单元连接，NC程序文件库单元中的程序编译后发送至坐标管理単元，用坐标管理単元中的数据转化为插补単元可识别的运动服务请求指令的程序代码解析単元；与程序代码解析单元连接，处理来自于程序代码解析器的运动服务请求指令的插补单元；与插补单元连接，接收插补単元的计算結果，井根据该结果以及伺服位置信息对伺服驱动器进行位置闭环控制的位置闭环控制単元；与位置闭环控制单元连接，驱动电机进行位置移动的驱动单元；其中，坐标系管理単元包括与换刀执行単元和刀具信息数据库连接，通过读取換刀执行单元当前换取的刀具型号，到刀具信息数据库中寻取相对应的刀尖点偏移向量，计算出当前刀尖点在机床坐标系中的坐标后送入刀尖点修正坐标系，同时以该点为原点偏置建立刀尖点坐标系的刀尖点坐标系建立模块；与刀尖点坐标系建立模块和计算单元连接，以来自于计算单元的当前刀具伸縮量和运动控制部件伸缩量为原点偏置矢量，建立刀尖点修正坐标系的刀尖点修正坐标系建立模块，其中计算单元根据传感単元检测到的运动控制部件和刀具当前的温度，从运动控制部件形变数据库中调取当前温度下运动控制部件的伸縮量，从刀具信息数据库中调取当前温度下刀具的伸縮量。优选地，所述系统还包括与计算单元连接，存储刀具磨损长度的刀具磨损量数据库。优选地，坐标系管理单元还包括与刀尖点修正坐标系建立连接的机床原点偏置坐标系建立模块；与机床原点偏置坐标系建立模块连接，在机床原点偏置坐标系建立模块基础上进行偏置计算的エ件坐标系建立模块；与エ件坐标系建立模块连接，在机床原点偏置坐标系建立模块基础上进行偏置计算的局部坐标系建立模块。实施本发明的自动补偿温度形变和刀具形偏的坐标系系统，具有以下有益效果在传统数控系统的基础上增加刀尖点坐标系建立模块和刀尖点修正坐标系建立模块。通过刀尖点坐标系建立模块建立刀尖点坐标系，从而对刀尖点的位置加以监控，代替现有技术中对运动控制点(铣削主轴端部或车削刀架特定位置)的监控。刀尖点修正坐标系根据加エ过程中温度的变化引起的刀具长度变化和运动控制部件的长度变化，和/或刀具的磨损带来的刀具长度变化修正当前刀尖点的位置偏移。省略了用户通过编程加入刀尖点位置偏移补偿工作，并且能够保证加工的精确度。
图I是现有技术中数控系统的四层坐标系结构示意图；图2是数控机床右手笛卡尔直角坐标系的结构示意图；图3是数控机床线性轴和旋转轴的结构示意图；图4是机床原点偏置坐标系原点偏置的结构示意图；图5是本发明的自动补偿温度形变和刀具形偏的坐标系系统的结构示意图；图6是本发明的自动补偿温度形变和刀具形偏的坐标系系统的实施例的结构示意图；图7是铣削中的对刀计算原理示意图；图8是车削中的对刀计算原理示意图；图9是本发明的自动补偿温度形变和刀具形偏的坐标系系统实施例的结构示意图；图10是坐标系管理单元的控制流程图；图11是エ件的结构示意图；图12是现有数控系统加工后的误差示意图；图13是本发明的自动补偿温度形变和刀具形偏的坐标系系统实施例的结构示意图；图14是本发明自动补偿温度形变和刀具形偏的坐标系系统加工后的结构示意图。
具体实施例方式图I是现有技术中数控系统的四层坐标系结构，如图所示。现有技术中，数控系统中建立四层坐标系结构机床坐标系G53、机床原点偏置坐标系G92、エ件坐标系G54 G59和局部坐标系G52。机床坐标系G53的原点是生产厂家在制造机床时的固定坐标系原点，也称机床零点。它是在机床装配、调试时已经确定下来的，是机床加工的基准点。在使用中机床坐标系是由参考点来确定的，机床系统启动后，进行返回参考点操作，机床坐标系就建立了。坐标系ー经建立，只要不切断电源，坐标系就不会变化。X、Z分别代表两个轴向。机床原点偏置坐标系G92的原点O在机床坐标系G53原点在基础上偏移得到。在加工过程中，エ件坐标系G54 G59中只有ー个处于生效状态，即当前加工在エ件所对应的エ件坐标系处于生效状态。在加工的过程，在当前生效在エ件坐标系的基础上建立局部坐标系G52。图2是数控机床右手笛卡尔直角坐标系的结构示意图，如图所示。(I)、伸出右手的大拇指、食指和中指，并互为90度。则大拇指代表X坐标，食指代表Y坐标，中指代表Z坐标。⑵、大拇指的指向为X坐标的正方向，食指的指向为Y坐标的正方向，中指的指向为Z坐标的正方向。数控机床的每种坐标系的坐标轴均分为线性轴(进给轴)和旋转轴两种。图3是数控机床线性轴和旋转轴的结构示意图，如图所示。X轴、Y轴、Z轴分别为数控机床线性轴，围绕X、Y、Z坐标旋转的旋转坐标分别用A、B、C表示，根据右手螺旋定则，大拇指的指向为X、Y、Z坐标中任意一轴的正向，则其余四指的旋转方向即为旋转坐标A、B、C的正向 。运动方向W、V、U的确定原则エ件相对静止，而刀具运动。增大刀具与エ件距离的方向即为各坐标轴的正方向。图4是机床原点偏置坐标系原点偏置的结构示意图,如图所示。利用坐标系原点偏置指令来实现坐标系原点偏置，格式如下G92Xx Yy Zz Aa Bb Ce。指令中的(x，y，z，a，b，c)是当前位置在改变坐标轴原点偏置后新的坐标值。未指定的轴，其坐标轴原点偏置不变。执行该指令后，机床坐标系不发生改变，エ件坐标系原点对应发生偏置。在本实施例中，设在执行G92指令前,机床原点偏置坐标系原点位置为(400,500)。执行G92 X300 Y350后，机床原点偏置坐标系G92坐标轴原点位置自动变成为(300，350)。相应的机床原点偏置坐标系G92坐标轴原点偏置为Xoffset = 100，Yoffset = 150。エ件坐标系的原点偏置通过G92 IP_指令设定，执行G92 IP_指令后，刀具上的点，例如刀尖就处在指定的坐标系位置。可以把G92坐标轴偏置当作对G54 G59エ件坐标系原点位置的ー个修正。G92影响G54 G59所有エ件坐标系的原点位置，且只对G92所指定的坐标轴产生影响。图5是本发明的自动补偿温度形变和刀具形偏的坐标系系统的结构示意图，如图所示。所述坐标系系统，包括坐标系管理単元、NC程序文件译码单元、程序代码解析単元、插补单元、位置闭环控制単元和驱动单元，还包括换刀单元、刀具信息数据库、运动控制部件形变数据库、传感単元、刀具和主轴形变数据库、计算単元，坐标系管理単元包括刀尖点坐标系建立模块和刀尖点修正坐标系建立模块。刀具信息数据库和换刀执行単元与刀尖点坐标系建立模块连接，传感单元、刀具形变数据库和运动控制部件形变数据库与计算单元连接，计算单元与刀尖点修正坐标系建立模块连接，刀尖点坐标系建立模块与刀尖点修正坐标系建立模块连接，坐标系管理単元与NC程序文件译码单元和程序代码解析单元连接，程序代码解析単元与插补单元连接，插补单元与位置闭环控制单元连接，位置闭环控制単元与驱动模块连接。本发明的自动补偿温度形变和刀具形偏的坐标系系统的工作原理如下加工エ件前，对在加工过程中需要用到的所有刀具进行一一对刀，获取每种刀具的刀尖点偏移向量，存储到刀具信息数据库中。安装加工エ件，选择并安装加工刀具后，给数控机床上电。通过返參操作或绝对式位置反馈操作获取机床坐标系坐标轴原点。读取运动控制点在机床坐标系下的坐标值，并将该坐标值送入刀尖点坐标系建立単元。运动控制点，通常在铣削系统中指定为主轴端部，在车削系统中指定为刀架的某一易于测量的点。当需要接收到换刀指令吋，换刀执行単元执行换刀操作，刀尖点坐标系通过换刀执行单元读取当前刀具型号，到刀具信息数据库中寻取相对应的刀尖点偏移向量，并根据运动控制点的坐标值和刀尖点偏移向量计算计算出当前刀尖点在机床坐标系中的坐标后送入刀尖点修正坐标系，同时以该点为原点偏置建立刀尖点坐标系的刀尖点坐标系建立模块，并将当前刀尖点原点偏置的坐标值送入刀尖点修正坐标系建立模块。传感单元实时检测当前刀具温度和当前运动控制部件温度，并将检测到的温度送入计算单元。刀具形变数据库中存储着各温度下运动控制部件的伸縮量，运动控制部件形变数据库中存储着每种刀具在各种温度下的伸縮量。计算单元根据传感単元送入的刀具当前温度从刀具和主轴形变数据库中调取当前温度下该刀具伸缩量，根据传感単元送入的当前运动控制部件的温度从运动控制部件形变数据库中调取运动控制部件的伸縮量，并将当前刀具伸縮量和运动控制部件伸縮量送入刀尖点修正坐标系建立模块。刀尖点修正坐标系建立模块根据来自于刀尖点坐标系建立模块的当前刀尖点在机床坐标系中的坐标值和来自于计算单元的当前温度下该刀具的伸縮量和运动控制部件的伸縮量，计算求取刀尖点修正后在机床坐标系中的坐标值并送入程序代码解析単元，并以该点为原点建立刀尖点修正坐标系。程序代码解析单元对刀尖点修正后在机床坐标系中的坐标值转化为插补単元可识别的运动服务请求指令，发送至插补单元，插补单元通过位置闭环控制単元和驱动单元控制电机运动轨迹。位置闭环控制単元根据插补単元的计算结果以及伺服位置信息对伺服驱动器进行位置闭环控制。 为了进一步提高数控系统加工精确度，本发明的自动补偿温度形变和刀具形偏的坐标系系统还包括与计算单元连接，存储刀具磨损长度的刀具磨损量数据库。计算单元根据该刀具此次加工时间，从刀具磨损量数据库中调取当前刀具磨损量，根据传感単元送入的刀具当前温度，从刀具和主轴形变数据库中调取当前温度下该刀具和主轴伸缩量，根据传感单元送入的运动控制部件当前温度，从运动控制部件形变数据库中调取当前温度下运动控制部件的伸縮量，然后将当前刀具磨损量、当前刀具和主轴伸缩量，当前运动控制部件的伸缩量送入刀尖点修正坐标系建立模块。刀尖点修正坐标系建立模块，根据来自于刀尖点坐标系建立模块的当前刀尖点在机床坐标系中的坐标值，来自于计算单元的当前刀具磨损量、当前温度下该刀具和主轴伸缩量与当前温度下运动控制部件的伸縮量，计算求取刀尖点修正后在机床坐标系中的坐标置，并以该点为原点建立刀尖点修正坐标系。为了保证具有完整兼容传统数控系统体系结构，坐标系管理単元中还包括机床原点偏置坐标系建立模块、エ件坐标系建立模块和局部坐标系建立模块。图6是本发明的自动补偿温度形变和刀具形偏的坐标系系统的实施例的结构示意图，如图所示。所述坐标系系统，包括坐标系管理単元、NC程序文件译码单元、程序代码解析単元、插补单元、位置闭环控制单元和驱动单元，还包括刀具信息数据库、检测単元、传感单元、刀具和主轴形变数据库、计算単元，坐标系管理単元包括刀尖点坐标系建立模块、刀尖点修正坐标系建立模块、机床原点偏置坐标系建立模块、エ件坐标系建立模块和局部坐标系建立模块。当用户选择采用原始数控系统方式进行操作时，可以不激活刀尖点坐标系建立模块和刀尖点修正坐标系建立模块，此时，坐标系管理单元中的坐标系恢复至现有技术中的四层结构。当然，用户也可以同时采用坐标系管理単元中的六层坐标系结构，加强控制精确度。此时，刀尖点修正坐标系建立模块与机床原点偏置坐标系建立模块连接，机床原点偏置坐标系建立模块与エ件坐标系建立模块连接，エ件坐标系建立模块与局部坐标系建立模块连接。
本发明通过对刀操作获得刀尖点偏移向量(刀具长度偏移向量)。图7是铣削中的对刀计算原理示意图，如图所示。用户可以手动操作刀具到达ー个特定点，并指定该点在刀尖点偏移后的坐标系后的坐标，本发明将自动完成刀尖点坐标偏移向量的计算，并存储在刀具信息数据库中。对刀计算原理向量I为运动控制点机床坐标系坐标，向量2为用户指定的刀尖点当前坐标；求向量3刀具长度偏移向量。向量3 =向量2-向量I。图8是车削中的对刀计算原理示意图，如图所示。用户可以手动操作刀具到达ー个特定点，并指定该点在刀尖点偏移后的坐标系后的坐标，本发明将自动完成刀尖点坐标偏移向量的计算并存储在刀具信息数据库中。对刀计算原理向量4为运动控制点机床坐标系坐标，向量5为用户指定的刀尖点当前坐标；求向量6刀具长度偏移向量。向量6 =向量5-向量4。 为了保证对刀操作的准确性，用户最好采用同一基准，进行所有刀具的对刀。多把刀采用不同基准，将不同基准间位置度误差引入刀具长度偏移量，将导致这些刀具同时參与一个零件加工时，不同刀具加工的型面间的位置度误差。图9是本发明的自动补偿温度形变和刀具形偏的坐标系系统实施例的结构示意图，如图所示。系统包括坐标系管理器、HMI人机交互界面、程序代码解析器、插补器、伺服位置闭环控制器。坐标系管理器用来处理有关坐标系相关的系统功能需求，坐标系管理器主要的功能有1)将各个坐标下的坐标值处理成机床系下的坐标值；2)将机床坐标系下的坐标值处理成在各个坐标系下的坐标值；3)管理各个坐标系的原点偏置；4)处理各种坐标系激活和失效的请求；程序代码解析器负责解析用户编写的自动加工程序；为满足插补器的输入需要进行数据转化；解析执行用户自动加工程序中的宏指令，包括表达式计算、循环、调转、逻辑判断及系统參数和宏变量的读写操作。插补器负责对来自程序代码解析器和界面手动操作的运动服务请求。这些运动服务请求包括直线、圆弧等常规几何轨迹。在数控机床中，刀具不能严格地按照要求加工的曲线运动，只能用折线轨迹逼近所要加工的曲线。插补(interpolation)是机床数控系统依照一定方法确定刀具运动轨迹的过程。也可以说，已知曲线上的某些数据，按照某种算法计算已知点之间的中间点的方法，也称为“数据点的密化”。插补器根据“程序代码解析器”输入的基本数据，通过计算，把エ件轮廓的形状描述出来，ー边计算ー边根据计算结果，向位置闭环控制器发送位置指令，从而将エ件加エ出所需要轮廓的形状。HMI (Human Machine Interface)人机交互界面也叫“人机接ロ”。人机界面(又称用户界面或使用者界面)是数控系统和操作者之间进行交互和信息交換的平台，它实现数控系统内部指令信息与人类可以接受的操作形式之间的转换。伺服位置闭环控制器是以执行部件(伺服电机系统)的运动位置为控制对象的闭环控制系统，闭环控制是控制论的ー个基本概念，是根据控制对象输出反馈来进行校正的控制方式，它是在测量出实际与指定发生偏差时，来采用一定的控制算法(例如PID算法)进行纠正的控制方法。伺服位置闭环控制器，负责接收插补器计算結果，并根据该结果及伺服位置信息对伺服驱动器进行位置闭环控制，从而控制电机带动执行机构实现精确的位置运动。坐标系管理器从坐标系原点偏置文件库中读取机床坐标系下的坐标值，将机床坐标系下的坐标值处理成在各个坐标系下的坐标值。坐标系管理器将各个坐标系下的坐标值发送至HMI人机交互界面中进行显示，即显示当前位置在各坐标系下坐标。用户通过HMI人机交互界面设置、显示各个坐标系的原点偏置，并将设置数据发送至坐标管理器；坐标管理器将各个坐标下的坐标值处理成机床系下的坐标值存储至坐标系原点偏置文件库。坐标系管理器还管理各个坐标系的原点偏置，以及处理各种坐标系激活和失效的请求。程序代码解析器负责解析用户编写的自动加工程序；为满足插补器的输入需要进行数据转化；解析执行用户自动加工程序中的宏指令。插补器根据“程序代码解析器”输入的基本数据，通过计算，把エ件轮廓的形状描述出来，ー边计算ー边根据计算结果，向位置闭环控制器发送位置指令，从而将エ件加工出所需要轮廓的形状。本发明可以依据开发数控系统时选用不同的操作系统和开发工具，有多种实现方式。本实施例中通过C++语言方式实现。图10是坐标系管理単元的控制流程图，如图所示。首先定义ー个坐标系类(CCoordSys)，用来表示坐标系，坐标系对外提供以下接ロ SetName设置坐标系名GetName获取坐标系名 SetOVector设置原点向量GetOVector获取原点向量Serialize序列化坐标系(用于保存和恢复)用该坐标系类(CCoordSys)实例化出各个坐标系，例如エ件坐标系，局部坐标系，G92坐标系等。为了统一管理这些坐标系，定义ー个坐标系管理类(CCoordSysMng)，统ー对其他丰旲块提供坐标系相关的服务，坐标系外提供以下接ロ FindCSbyName用坐标系名称来查找坐标系；SetOVectByName用坐标系名称来索引并设置坐标系的原点偏置；GetOVectByName用坐标系名称来索引并获取坐标系的原点偏置；ActCSbyName用坐标系名称来索引并生效某个坐标系；ResetCS复位坐标系管理类，使坐标系的有效状态恢复到开机状态；CaicOVectByName用坐标系名称来索引，为使当前坐标值为指定值而计算并设置坐标系原点偏置矢量toMachinePos将当前坐标系下的坐标值转换为机床坐标系的坐标值；toCoordSysPos将当前机床坐标系下的坐标值转换为当前坐标系下的坐标值；Serialize序列化，用来保存和恢复坐标系；坐标系的坐标值转换功能实际上就是矢量之间的运算，运算也只是简单的矢量加减运算，所以我们创建一个坐标系的指针链表CoordSysPList，链表中每ー个元素表示一层坐标系指针，当该层有坐标系激活有效时，指针指向该激活的坐标系，当该层坐标系无效时就指向特别为方便计算而创建零向量坐标系，所以CalcOVectByName、toMachinePos和toCoordSysPos等几个变换函数姆次计算时,就无需判断各个坐标的激活状态，而是直接遍历CoordSysPList就可以完成计算，大大的简化了代码和提高了计算的效率。采用本发明的自动补偿温度形变和刀具形偏的坐标系系统，具有以下有益效果在传统数控系统的基础上，増加刀尖点坐标系建立模块和刀尖点修正坐标系建立模块。通过刀尖点坐标系建立模块建立刀尖点坐标系，从而对刀尖点的位置加以监控，代替现有技术中对运动控制点(铣削主轴端部或车削刀架特定位置)的监控。刀尖点修正坐标系根据加工过程中温度的变化引起的刀具长度变化和运动控制部件的长度变化，和/或刀具的磨损带来的刀具长度变化修正当前刀尖点的位置偏移。省略了用户通过编程加入刀尖点位置偏移补偿工作，并且能够保证加工的精确度。以下G代码NC程序将在XY平面加工成ー个正方形エ件为例(@符号后文字为程序注释)。图11是エ件的结构示意图。利用现有技术的数控系统时，用户需要編制的加工NC程序为
NlO G90O绝对值方式编程 N20 G54O启动G54エ件坐标系有效
N30 T10M06@换刀
N40 HlOO选择刀具长度补偿号
N50 G43O启动刀具长度补偿
N60 GOO X0Y0Z10 O定位到编程起始位置上方Icm的地方
N70 S1000 M3 O启动主轴
N80 M8O打开冷却液
N90 GOl Z-2 FlOO §Z向进刀开始加工エ件，加工切削深度为2_
NlOO GOl XlOO O进行正方形一个边的加工 NllO GOl YlOO O进行正方形一个边的加工 N120 GOl X-100@进行正方形一个边的加工
N130 GOl Y-100@进行正方形一个边的加工
N140 GOO Z50 @Z 向退刀
N150 G49@取消刀具长度补偿
N160 M5O停止主轴
NI70 M9O关闭冷却液
N180 G53O回复编程坐标系为机床坐标系
N190 M30O结束程序当更换刀具进行加工时，需要修改以上程序才能完成相同エ件的加工，例如换为11号刀具来进行加工，长度补偿号为H11，则以上程序将修改为NlO G90O绝对值方式编程
N20 G54O启动G54エ件坐标系有效
N30 T11M06O换刀(需要修改)
N40 HllO选择刀具长度补偿号(需要修改)不是差，就是替换
N50 G43O启动刀具长度补偿
N60 GOO X0Y0Z10 O定位到编程起始位置上方Icm的地方
N70 S1000 M3O启动主轴
N80 M8O打开冷却液
N90 GOl 1-2 FlOO iZ向进刀开始加工エ件，加工切削深度为2_
NlOO GOl XlOOO进行正方形一个边的加工
NllO GOl YlOOO进行正方形一个边的加工
N120 GOl X-100O进行正方形一个边的加工
N130 GOl Y-100O进行正方形一个边的加工
N140 GOO Z50WL 向退刀
N150 G49O取消刀具长度补偿
N160 M5O停止主轴
NI70 M9O关闭冷却液
N180 G53O回复编程坐标系为机床坐标系
N190 M30O结束程序并且，采用现有数控系统对エ件进行加工时，由温度变化一起的主轴和刀具形变，导致加工精度的变化是无法补偿的。图12是现有数控系统加工后的误差示意图，如图所示。I代表机床运动控制点的轨迹，2代表由于温度变化引起主轴和刀具长度变化，3代表编程要加工的轨迹，4代表温度变化后的实际加工轨迹。通过附图，可以很直观的感受到现有数控系统存在的控制不精确的缺陷。图13是本发明的自动补偿温度形变和刀具形偏的坐标系系统实施例的结构示意图，如图所示。I表示刀尖点坐标系原点偏置向量，2表示刀尖点修正坐标系原点偏置向量，3表示其它层级坐标系原点偏置向量的和(本图只示意性表示)。采用本发明的自动补偿温度形变和刀具形偏的坐标系系统以后，由于刀具的相关数据由本系统自动从刀具数据库中读取，并更新到刀具刀尖点坐标系中，编程坐标直接变成从刀尖点开始了，所以以上程序的MO、N50和NI50段程序就不需要了，程序变为NlO G90O绝对值方式编程
N20 G54O启动G54エ件坐标系有效
N30 T10M06@换刀 (系统自动从刀具数据库中读取刀具数据更
新到刀尖点坐标系中，相关的补偿指令就可以去掉了)
N60 GOO X0Y0Z10 O定位到编程起始位置上方Icm的地方
N70 S1000 M3O启动主轴
N80 M8O打开冷却液
N90 GOl 1-2 FlOO iZ向进刀开始加工エ件，加工切削深度为2_
NlOO GOl XlOOO进行正方形一个边的加工
NllO GOl YlOOO进行正方形一个边的加工
N120 GOl X-100O进行正方形一个边的加工
N130 GOl Y-100O进行正方形一个边的加工
N140 GOO Z50WL 向退刀
N160 M5O停止主轴
NI70 M9O关闭冷却液
N180 G53O回复编程坐标系为机床坐标系
N190 M30O结束程序而需要更换加工刀具时，只需要修改N30程序就可以了，而其它的就不需要修改了。如果采用手动换刀的话，N30程序就可以去掉，而以后エ件加工程序就不需要再修改了。给用户带来了很大的方便。图14是本发明自动补偿温度形变和刀具形偏的坐标系系统加工后的结构示意图，如图所示。I表示机床运动控制点的轨迹，2表示刀尖点修正坐标系补偿修正向量,3表示编程要加工的轨迹，4表示温度变化后的加工轨迹，其中，编程要加工的轨迹和温度变化后的加工轨迹重合。在利用本发明的自动补偿温度形变和刀具形偏的坐标系系统对エ件进行加工过程中，由温度变化一起的主轴和刀具形变，将由温度检测装置检测出温度的变化，通过数据总线接入到数控系统，而数控系统通过一定的数学模型计算出有温度变化而引起的主轴和刀具形变量，更新到刀尖点修正坐标系中，实现实时检测实时补偿的功能，提高了エ件的加工精度。
权利要求
1.ー种自动补偿温度形变和刀具形偏的坐标系系统，其特征在于，包括 将各个坐标系下的坐标值转换成机床坐标系下的坐标值和/或将机床坐标系下的坐标值转换成各个坐标系下的坐标值的坐标系管理単元； 与坐标系管理単元和NC程序文件库单元连接，NC程序文件库单元中的程序编译后发送至坐标管理単元，用坐标管理単元中的数据转化为插补単元可识别的运动服务请求指令的程序代码解析単元； 与程序代码解析单元连接，处理来自于程序代码解析器的运动服务请求指令的插补单元; 与插补单元连接，接收插补単元的计算結果，井根据该结果以及伺服位置信息对伺服驱动器进行位置闭环控制的位置闭环控制単元； 与位置闭环控制单元连接，驱动电机进行位置移动的驱动单元； 其中，坐标系管理単元包括 与换刀执行単元和刀具信息数据库连接，通过读取換刀执行单元当前换取的刀具型号，到刀具信息数据库中寻取相对应的刀尖点偏移向量，计算出当前刀尖点在机床坐标系中的坐标后送入刀尖点修正坐标系，同时以该点为原点偏置建立刀尖点坐标系的刀尖点坐标系建立模块； 与刀尖点坐标系建立模块和计算单元连接，以来自于计算单元的当前刀具伸縮量和运动控制部件伸缩量为原点偏置矢量，建立刀尖点修正坐标系的刀尖点修正坐标系建立模块，其中计算单元根据传感単元检测到的运动控制部件和刀具当前的温度，从运动控制部件形变数据库中调取当前温度下运动控制部件的伸縮量，从刀具信息数据库中调取当前温度下刀具的伸縮量。
2.根据权利要求I所述的自动补偿温度形变和刀具形偏的坐标系系统，其特征在干，还包括与计算单元连接，存储刀具磨损长度的刀具磨损量数据库。
3.根据权利要求2所述的自动补偿温度形变和刀具形偏的坐标系系统，其特征在干，坐标系管理单元还包括与刀尖点修正坐标系建立连接的机床原点偏置坐标系建立模块；与机床原点偏置坐标系建立模块连接，在机床原点偏置坐标系建立模块基础上进行偏置计算的エ件坐标系建立模块；与エ件坐标系建立模块连接，在机床原点偏置坐标系建立模块基础上进行偏置计算的局部坐标系建立模块。
全文摘要
本发明提供一种自动补偿温度形变和刀具形偏的坐标系系统，该系统包括坐标系管理单元、坐标系原点偏置文件解析单元、和与其它一些单元为实现一些功能的接口。其中，坐标系管理单元包括刀尖点坐标系建立模块和刀尖点修正坐标系建立模块。实施本发明的自动补偿温度形变和刀具形偏的坐标系系统，具有以下有益效果通过刀尖点坐标系建立模块建立刀尖点坐标系，从而使编制NC加工程序时只对刀尖点的位置加以编程，代替现有技术中对运动控制点(铣削主轴端部或车削刀架特定位置)编程加刀具形偏补偿代码编程的编程模式。省略了用户通过编程加入刀尖点位置偏移补偿工作，并且能够实现实时补偿，从而保证加工的精确度。
文档编号G05B19/18GK102681483SQ20121011126
公开日2012年9月19日 申请日期2012年4月16日 优先权日2012年4月16日
发明者于本生, 刘沛, 汤洪涛, 王声文, 王大伟, 白彦庆, 耿文剑, 董大鹏, 陈虎 申请人:大连数控技术研究院