一种基于辅助编码器的数控机床热误差外置补偿控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于辅助编码器的数控机床热误差外置补偿控制方法。在定位轴丝杠一端增加辅助编码器，在测试部位安装热电偶，辅助编码器及多点热电偶均与外置补偿控制器相连后，通过I/O端口与数控系统的PLC相连，将辅助编码器获得的实时位置信息，结合温度信息进行误差计算，并将误差值通过PLC传给数控系统，通过原点偏置的方法完成补偿量的输出。本发明解决了位置信息由通讯获得造成的时间滞后，而且不干扰数控系统原有的编码器闭环通道。同时，多点测温预测误差比部分高档数控系统现有的温度补偿模块更加精确和柔性化。本发明只利用通用数控系统标配的原点偏置功能，无须嵌入到数控系统封闭的核心模块中，实现补偿控制装置的独立性。
【专利说明】一种基于辅助编码器的数控机床热误差外置补偿控制方法【技术领域】
[0001]本发明涉及数控机床误差补偿方法，尤其是涉及一种基于辅助编码器的数控机床热误差外置补偿控制方法。
【背景技术】
[0002]数控机床是当前制造业重要的基础装备之一，精度是高端数控机床的关键指标，直接决定了产品加工质量。影响机床精度的因素很多，其中由于切削、电机运转、部件摩擦等造成的热误差在整个机床误差中占30%以上。通过减少热源发热，或者通过提高机床本身的热刚性等“硬技术”来减小机床热误差将极大的增加机床生产成本，也缺乏柔性。热误差补偿是在加工中监测相关点温度，由模型预测误差量，并通过数控系统进行在线调整定位位置的一种“软技术”，其实施成本低，技术调整柔性大。而当前阻碍热误差补偿技术实际应用的主要问题有两个方面:一是温度与误差之间非线性因素强，简单误差模型精度不够高；二是商业数控系统内核不开放，通用补偿算法无法在现有商用数控系统中有效实施。
[0003]现有部分商用数控系统具有的温度补偿模块，只能进行单温度点线性补偿:，位置无关误差及位置相关误差的斜率只与单个测点温度有关，同时，位置相关误差的计算必须获得实时机床坐标，即。现有商用系统的单温度点热误差补偿方式如图1所示。由于机床存在多个热源，同时热变形对精度的影响也体现在多个部件的多个几何参数上，热误差模型具有很强的非线性，现有商用数控系统内部的单输入线性化补偿模式，模型精度较低，不能满足高精度应用需求，因此，必须采用具有多点测温非线性误差模型的外置补偿控制器以实现高精度补偿。然而，外置误差补偿控制器的实现存在一个重要问题:热变形造成的定位误差与定位轴实时位置有关，在线热误差补偿必须获得当前机床坐标信息，现有数控系统通过编码器获得机床位置信息，一般采用专用传输通道，软硬件协议不对外公开，第三方难以获取其编码信息；若通过数控系统的通讯功能给外置控制器返回位置信息，则实时性太差，难以应用于在线实时补偿。
[0004]因此，要提高误差补偿精度，则必须采用多点测温的外置控制器，而基于外置补偿控制器的热误差在线补偿技术，必须解决机床各进给轴的实时位置获取问题。`
【发明内容】
[0005]针对外置补偿控制器不能有效获取实时位置的问题，本发明提供了一种基于辅助编码器的数控机床热误差外置补偿控制方法。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下:
一种基于辅助编码器的数控机床热误差外置补偿控制方法，该方法的步骤如下:
步骤I)补偿系统在实施前可根据离线建立的误差模型需要在数控机床的轴承座、螺母座、伺服电机上分别布置有热电偶，所有热电偶通过温度传感器专用导线将温度信息输入外置补偿控制器；
步骤2)安装在丝杠端面的辅助编码器通过实时测量丝杠的旋转运动，获得工作台的当前位置，并将此信号经由辅助编码器专用通讯线传送给外置补偿控制器；
步骤3)外置补偿控制器中具有事先离线固化的热误差非线性预测模型，该模型通过上位机编程接口进行写入，在线补偿开始后，外置补偿控制器根据输入的温度信息和当前工作台的位置信息，由热误差非线性预测模型预测丝杠上的误差量，并将误差量通过自定义编码的方式，通过I/O总线进行发送；
步骤4) PLC扫描I/O输入端口上获得的误差编码信息，经过解码得到误差量，并将此误差量通过内部CNC-PLC通讯总线写入到数控系统的原点偏置量寄存器中；
步骤5)数控系统开启原点偏置功能，并将代码指令与误差补偿量综合后，通过电机控制线控制伺服驱动器，由伺服驱动器产生驱动电流，经电机电线驱动伺服电机，带动丝杠转动，其电机转动量经系统原有编码器测量，并经由编码反馈专用线反馈给数控系统，形成闭环；
步骤6)数控系统内部根据原点偏置量寄存器中的误差量数值，将定位指令叠加原点偏置值输出，自动驱动丝杠，带动工作台往误差量的反方向运动，实现热误差的补偿控制。
[0007]所述的离线建立的误差模型，离线建模开始后，温度测量仪读取多点温度值并传送给PC机，同时激光干涉仪读取驱动轴定位误差值并传送给PC机，在PC机建立基于多点温度的离线误差模型，该离线误差模型验证有效后，移植到外置补偿控制器中。
[0008]在线补偿开始后，首先开启CNC原点偏置功能，外置补偿控制器实时读取多点温度值及辅助编码值，外置补偿控制器根据内部模型进行误差量计算，并将误差补偿量通过I/o总线进行自定义编码输出，PLC读取I/O端口的误差编码信息，经过解码得到误差量，并将此误差量写入到数控系统的原点偏置量寄存器中，数控系统内部根据原点偏置量寄存器中的误差量数值，将定位指令叠加原点偏置值输出，自动驱动丝杠，带动工作台往误差量的反方向运动，实现热误差的补偿控制。
[0009]本发明具有的有益的效果是:
I)通过辅助编码器和外置补偿控制器的应用，消除了位置信息获取对数控系统的依赖性，提高了补偿量计算过程的独立性，改善了商用数控系统热误差补偿的精度。
[0010]2)采用外置补偿控制器便于实现复杂误差模型，不局限于系统原有的单点线性模型，可根据精度需要进行多温度点输入的非线性误差预测；采用辅助编码器提高了补偿方法和硬件系统的独立性，使进给轴位置信息的获取不依赖于交互通讯，解决了补偿量计算的实时性问题，无须根据特定数控系统定制不同的通讯模块，使补偿计算的核心过程绕开了商用数控系统内核，实现了系统软硬件的独立。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是传统单温度点热误差内部补偿方式。
[0012]图2是本发明基于辅助编码器的热误差外置补偿方式。
[0013]图3是本发明基于辅助编码器的外置补偿控制连接。
[0014]图4是本发明基于辅助编码器的外置补偿控制流程图。
[0015]图中:1-CNC-PLC通讯总线，2-PLC，3-1/0输入端口，4-1/O总线，5-上位机编程接口，6-外置补偿控制器，7-辅助编码器专用通讯线，8-温度传感器专用导线，9-辅助编码器，10-轴承座热电偶，11-轴承座，12-工作台，13-螺母座热电偶，14-螺母座，15-丝杠，16-电机热电偶，17-伺服电机，18-原有编码器，19-电机强电线，20-伺服驱动器，21-电机电线，22-编码反馈专用线，23-数控系统。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图和实施过程对本发明作进一步的说明。
[0017]本发明是在不改变原有数控机床硬件结构的基础上，允许多温度点输入，通过增加辅助编码器获得当前位置，在外置补偿控制器中实现误差的计算。方法原理如图2所示。外置补偿控制系统硬件结构包括多点温度输入、外部辅助编码器位置测量、外置补偿控制器三部分组成。
[0018]如图3所示，一种基于辅助编码器的数控机床热误差外置补偿控制方法，其特征在于，该方法的步骤如下:
步骤I)补偿系统在实施前可根据离线建立的误差模型需要在数控机床的轴承座11、螺母座14、伺服电机17上分别布置有轴承座热电偶10、轴承座热电偶13和伺服电机热电偶16，所有热电偶通过温度传感器专用导线8将温度信息输入外置补偿控制器6 ；
步骤2)安装在丝杠15端面的辅助编码器9通过实时测量丝杠15的旋转运动，获得工作台12的当前位置，并将此信号经由辅助编码器专用通讯线7传送给外置补偿控制器6 ；步骤3)外置补偿控制器6中具有事先离线固化的热误差非线性预测模型，该模型通过上位机编程接口 5进行写入，在线补偿开始后，外置补偿控制器根据输入的温度信息和当前工作台12的位置信息，由热误差非线性预测模型预测丝杠15上的误差量，并将误差量通过自定义编码的方式，通过I/O总线4进行发送；
步骤4) PLC 2扫描I/O输入端口 3上获得的误差编码信息，经过解码得到误差量，并将此误差量通过内部CNC-PLC通讯总线I写入到数控系统23的原点偏置量寄存器中；步骤5)数控系统23开启原点偏置功能，并将代码指令与误差补偿量综合后，通过电机控制线21控制伺服驱动器20，由伺服驱动器20产生驱动电流，经电机电线19驱动伺服电机17，带动丝杠15转动，其电机转动量经系统原有编码器18测量，并经由编码反馈专用线22反馈给数控系统23，形成闭环；
步骤6)数控系统23内部根据原点偏置量寄存器中的误差量数值，将定位指令叠加原点偏置值输出，自动驱动丝杠15，带动工作台12往误差量的反方向运动，实现热误差的补偿控制。
[0019]如图4所示，所述的离线建立的误差模型，离线建模开始后，温度测量仪读取多点温度值并传送给PC机，同时激光干涉仪读取驱动轴定位误差值并传送给PC机，在PC机建立基于多点温度的离线误差模型，该离线误差模型验证有效后，移植到外置补偿控制器6中。
[0020]如图4所示，在线补偿开始后，首先开启CNC原点偏置功能，外置补偿控制器6实时读取多点温度值及辅助编码值，外置补偿控制器6根据内部模型进行误差量计算，并将误差补偿量通过I/O总线4进行自定义编码输出，PLC读取I/O端口的误差编码信息，经过解码得到误差量，并将此误差量写入到数控系统23的原点偏置量寄存器中，数控系统23内部根据原点偏置量寄存器中的误差量数值，将定位指令叠加原点偏置值输出，自动驱动丝杠15，带动工作台12往误差量的反方向运动，实现热误差的补偿控制。
【权利要求】
1.一种基于辅助编码器的数控机床热误差外置补偿控制方法，其特征在于，该方法的步骤如下: 步骤I)补偿系统在实施前根据离线建立的误差模型需要在数控机床的轴承座、螺母座、伺服电机上分别布置热电偶，所有热电偶通过温度传感器专用导线将温度信息输入外置补偿控制器； 步骤2)安装在丝杠端面的辅助编码器通过实时测量丝杠的旋转运动，获得工作台的当前位置，并将此信号经由辅助编码器专用通讯线传送给外置补偿控制器； 步骤3)外置补偿控制器中具有事先离线固化的热误差非线性预测模型，该模型通过上位机编程接口进行写入，在线补偿开始后，外置补偿控制器根据输入的温度信息和当前工作台的位置信息，由热误差非线性预测模型预测丝杠的误差量，并将误差量通过自定义编码的方式，通过I/O总线进行发送； 步骤4) PLC扫描I/O输入端口上获得的误差编码信息，经过解码得到误差量，并将此误差量通过内部CNC-PLC通讯总线写入到数控系统的原点偏置量寄存器中； 步骤5)数控系统开启原点偏置功能，并将代码指令与误差补偿量综合后，通过电机控制线控制伺服驱动器，由伺服驱动器产生驱动电流，经电机电线驱动伺服电机，带动丝杠转动，电机转动量由系统原有编码器测量，并经由编码反馈专用线反馈给数控系统，形成闭环； 步骤6)数控系统内部根据原点偏置量寄存器中的误差量数值，将定位指令叠加原点偏置值输出，自动驱动丝杠，带动工作台往误差量的反方向运动，实现热误差的补偿控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于辅助编码器的数控机床热误差外置补偿控制方法，其特征在于:所述的离线建立的误差模型，离线建模开始后，温度测量仪读取多点温度值并传送给PC机，同时激光干涉仪读取驱动轴定位误差值并传送给PC机，在PC机建立基于多点温度的离线误差模型，该离线误差模型验证有效后，移植到外置补偿控制器中。
3.根据权利要求1所述的一种基于辅助编码器的数控机床热误差外置补偿控制方法，其特征在于:在线补偿开始后，首先开启CNC原点偏置功能，外置补偿控制器实时读取多点温度值及辅助编码值，外置补偿控制器根据内部模型进行误差量计算，并将误差补偿量通过I/O总线进行自定义编码输出，PLC读取I/O端口的误差编码信息，经过解码得到误差量，并将此误差量写入到数控系统的原点偏置量寄存器中，数控系统内部根据原点偏置量寄存器中的误差量数值，将定位指令叠加原点偏置值输出，自动驱动丝杠，带动工作台往误差量的反方向运动，实现热误差的补偿控制。
【文档编号】G05B19/404GK103513609SQ201310301497
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年7月17日 优先权日:2013年7月17日
【发明者】沈洪垚, 贺永, 姚鑫骅, 傅建中 申请人:浙江大学