数控机床加工误差在线检测方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种数控机床加工误差在线检测方法及系统，包括进给系统位置反馈信号接口、正交信号计数采集卡、工业控制机，该系统利用工业控制机的加工程序空间轨迹解析模块将要加工件的理想空间轨迹描述为首尾相接的空间线段，在工件加工过程中，系统的多轴位置反馈信号采集模块同步采集和记录工件在加工过程中机床各进给轴空间位置，从而得到工件在加工过程中的实际刀具轨迹。加工误差实时分析模块根据空间误差数学模型实时计算出该刀具切削点的空间误差,误差实时显示模块则将误差以图形的形式显示出来。该系统能够在线检测工件在加工过程加工中的误差，特别适合于进给速度较大而造成的动态误差严重或进给系统非线性摩擦等误差较大的场合。
【专利说明】数控机床加工误差在线检测方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种数控机床加工误差在线检测系统及方法，具体是一种根据数控机床加工程序和进给系统反馈信号对机床的加工误差进行在线检测的系统及方法。
【背景技术】
[0002]随着制造业发展，特别是航空、航天、汽车业的高速发展，对数控机床的性能要求不断提高，高速、高精度是现代数控机床发展的重要方向。加工精度是评价数控机床性能的重要指标，但引起机床精度下降的误差是多样的，总体来说可以分为半静态误差和动态误差两类。前者包括误差包括几何误差(运动误差)、由于机床元件受负载弓I起的变形误差、由于热引起机床结构内发生应力变化引起的误差。而动态误差包括主轴运动误差、机床结构的振动引起的误差、、进给系统的响应特性或数控系统控制性能引起的误差(如系统的滞后、伺服参数不匹配等)、、伺服系统非线性造成的误差(如摩擦、反向间隙误差等)。这些误差取决于机床所处于的工作环境。对于高速、高精度的机床，由于伺服系统的动态特性引起的误差、运动部件接合面摩擦的非线性特性引起的摩擦误差等动态误差成为影响数控机床加工精度的主要因素，是机床加工误差的主要成份。从目前来看，这种误差的检测特别是加工过程中的误差检测是难题，未见相应的误差检测系统或仪器，对实际加工过程的误差进行检测，进而补偿来提高机床加工精度，也是高速、高精度机床的必然需求。
[0003]目前，对数控机床精度检测的方法可分为直接测量法和间接测量法两种。前者包括基于样本、直尺、角度仪和步距规等的对比法、依照光的直线传播原理和光的波长为参照的激光干涉仪法、依靠地球重力的倾角仪和水平仪法等，这些测量方法仅适合于机床的几何误差等半静态误差。常见的间接测量方法有标准圆盘法、球杆仪法、平面正交光栅法、激光跟踪仪法、光环丝线仪法、双杆法等，通过误差辨识模型，可以得到包括部分动态误差在内的多种误差。如球杆仪法以不同的进给速度使机床进行圆运动，能方便得到机床的部分静态误差和进给轴的动态不匹配误差，并能检测出进给系统摩擦非线性造成的摩擦误差。但这些方法只能在机床空载、并以规定的轨迹或进给速度等特定工况下进行，虽然能反映机床的精度和加工性能，但并不能反映数控机床实际加工过程中的加工误差。
[0004]另外，三坐标测量机虽能得到工件最终的误差，但试件在三坐标测量机的安装、调整比较费时，成本较高、效率低下。另外，三坐标测量机并不能得到工件在加工过程中的误差。虽然个别高档机床安装有在机检测系统，需要在机床加工区安装额外传感器，造成加工不方便，并且检测项目一般针对固定特殊形状，如磨削机床的在线圆度检测，价格昂贵，且只能对圆度检测，其它加工则无能为力，通用性差。
【发明内容】
[0005]本发明是要提供一种数控机床加工误差在线检测方法及系统，该方法及系统通过对理想刀具轨迹和实际刀具轨迹的比较，能对加工过程中引起机床加工精度下降的动态误差和进给系统非线性引起的摩擦误差进行实时检测，对工件的最终加工误差进行预见。
[0006]为实现上述目的，本发明的技术方案是:一种数控机床加工误差在线检测方法，包括通过工业控制机根据数控加工程序绘制出机床加工刀具的理论运动轨迹，机床运动时，通过采集的各进给轴位置反馈测量信号绘制出机床加工刀具实际运动轨迹，由机床加工刀具的理论运动轨迹与机床加工刀具实际运动轨迹的差异，预见工件的最终加工误差。
[0007]—种实施数控机床加工误差在线检测方法的系统，包括进给系统位置反馈信号接口、正交信号计数采集卡，工业控制机，数控机床各进给轴位置反馈信号通过进给系统位置反馈信号接口输入正交信号计数采集卡，正交信号计数采集卡与工业控制机连接，工业控制机包括:
多轴位置反馈信号采集模块:用于同步采集并记录工件在加工过程中数控机床各进给轴位置数据，得到加工过程中实际刀具轨迹；
加工程序空间轨迹解析模块:将数控加工程序读入，并将加工件的理想空间轨迹描述为首尾相接的空间插补曲线段，该理想空间轨迹是进行误差检测的参考基准；
加工误差实时分析模块:在多轴位置反馈信号采集模块采集到每个刀轨点的同时，将该刀轨点空间位置与理想加工轨迹进行比较，实时计算出实际加工轨迹点的轨迹误差；
加工误差实时显示模块:在显示屏以图形的形式将当前采集的刀轨点显示出来，并进行定量标注。
[0008]加工误差实时分析模块:对于由η个离散位置点组成的刀具实际轨迹，其在该位置点的加工误差定义为该点到最近的理想轨迹线段的垂直距离；所有离散点的加工误差由几何关系求出。
[0009]加工误差实时显示模块，其显示屏的显示界面分为加工程序代码显示选择区和误差显示区，其中:所述加工程序代码显示选择区，用于选择所要分析的加工代码区段；所述误差显示区，用于加工轨迹误差实时显示。
[0010]本发明的有益效果是:
本发明通过对理想刀具轨迹和实际刀具轨迹的比较，能对加工过程中引起机床加工精度下降的动态误差和进给系统非线性引起的摩擦误差进行实时检测，对工件的最终加工误差进行预见。该检测系统不需在机床的加工区域安装额外的传感器，只需通过进给系统位置反馈信号接口接入到机床的位置反馈信号。通过误差的计算和显示以实时在线的方式完成，误差检测耗费时间少。该误差检测系统能应用于大部分数控机床，适用范围广。通过对整个加工过程中误差的检测和分析，还能对下一步的误差补偿提供有效数据和可靠依据。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是数控机床加工误差在线检测系统组成示意图；
图2是在线误差实时计算方法及步骤流程图。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做详细描述。
[0013]参照图1，一种数控机床加工误差在线检测系统，包括进给系统位置反馈信号接口、正交信号计数采集卡，工业控制机，数控机床各进给轴位置反馈信号通过进给系统位置反馈信号接口输入正交信号计数采集卡，正交信号计数采集卡与工业控制机连接。
[0014]工业控制机包括多轴位置反馈信号采集模块、加工程序空间轨迹解析模块、加工误差实时分析模块和加工误差实时显示模块。
[0015]本发明所提出的数控机床加工误差在线检测的步骤为:
1)将数控机床加工程序指令代码输入数控系统中；
2)根据加工程序代码指令，绘制出机床加工刀具的理论运动轨迹；
3)由数控系统根据加工程序代码指令控制机床运动；
4)在机床运动的同时，采集机床各进给轴位置反馈信号；
5)由各坐标轴的测量信号，绘制机床加工刀具实际运动轨迹的图形；
6)根据机床加工的刀具理论运动轨迹与机床加工中刀具实际运动轨迹的差异，评价机床加工工件的误差。
[0016]加工程序空间轨迹解析模块将加工工件的数控加工程序读入，并将要加工件的理想空间轨迹描述为首尾相接的空间插补曲线段，理想空间轨迹是进行误差检测的参考基准。
[0017]位置信号同步采集模块同步采集并记录工件在加工过程中数控机床各进给轴位置。在数据采集前，调整数据采集系统坐标系与机床加工坐标系相同，保证得到加工过程的实际刀具轨迹与理想刀具的轨迹相符合，不需要另外坐标变换。
[0018]系统采集到每个刀轨点的同时，加工误差实时分析模块将该点空间位置与理想加工轨迹进行比较，实时计算出实际加工轨迹上的点的轨迹误差，对于由η个离散位置点组成的刀具实际轨迹，设第i个离散点为Pi,坐标为(XpypZi),其在该位置点的加工误差Cli定义为该点到最近的理想轨迹线段的垂直距离，该离散点的加工误差由相关几何关系求出。
[0019]设理想插补曲线为空间直线段,起点(xs, ys, zs)，终点为(xe, ye, ze)，当前采集到的数据点为(Xi, y” Zi)，则当前轨迹误差为
￡: φ! s.X 1- X X ]" ^y 1- \ y |" - (l( J:卜:r '
其中
(ur.氧 u -Hil1-r 若理想插补曲线为圆弧，圆心(\，1，Ζ。)，半径R，则当前轨迹误差变为
1-:-;-r
= ψ_χ: — —t:1" * (_r -.r,— Y -τ ?ζ, - y -R
假定理想刀具轨迹由m条插补曲线顺序组成，第i条插补曲线用Li表示。在线实时加工误差的计算步骤及方法，如图2所示，详细说明如下:
1)当采集点为第I个离散点P1时，一般的，该点的误差Cl1应为该点到组成理想轨迹的第I个插补曲线L1的距离，此时，记当前插补曲线为L1 ；
2)当采集点为第2个离散点P2时，则需计算P2点到当前插补曲线L1的垂直距离D2,同时计算P2点到下一条插补曲线L2的垂直距离D2'，如果D2〈D2'，则取d2=D2，当前插补曲线仍为L1,否则d2=D2'，当前插补曲线变为L2;
3)同理，当采集点为Pi时，则需计算Pi点到当前插补曲线Lj的垂直距离Di和Pi点到下一条插补曲线Lj+1的垂直距离Di'，如果D1i'，则取Cli=Di,当前插补曲线仍为Lj,否则Cli=Di'，当前插补曲线变为LJ+1 ；
4)依此原则，直到采集数据结束。
[0020]误差实时显示模块在显示屏以图形的形式将当前采集的刀轨点显示出来，并进行定量标注。显示界面分为加工程序代码显示选择区和误差显示区两大主区组成。在加工程序代码区，通过选择所要分析的加工代码区段，在误差显示区将该区段的加工轨迹误差进行实时显示。误差定量显示可以按规定的颜色进行指示，或将误差放大后与位置坐标相对应，进行直观显示。
【权利要求】
1.一种数控机床加工误差在线检测方法，包括通过工业控制机根据数控加工程序绘制出机床加工刀具的理论运动轨迹，机床运动时，通过采集的各进给轴位置反馈测量信号绘制出机床加工刀具实际运动轨迹，其特征在于:由机床加工刀具的理论运动轨迹与机床加工刀具实际运动轨迹的差异，预见工件的最终加工误差。
2.一种实施权利要求1所述的数控机床加工误差在线检测方法的系统，包括进给系统位置反馈信号接口、正交信号计数采集卡，工业控制机，数控机床各进给轴位置反馈信号通过进给系统位置反馈信号接口输入正交信号计数采集卡，正交信号计数采集卡与工业控制机连接，其特征在于:所述工业控制机包括: 多轴位置反馈信号采集模块:用于同步采集并记录工件在加工过程中数控机床各进给轴位置数据，得到加工过程中实际刀具轨迹； 加工程序空间轨迹解析模块:将数控加工程序代码读入，并将加工件的理想空间轨迹描述为首尾相接的空间插补曲线段，该理想空间轨迹是进行误差检测的参考基准； 加工误差实时分析模块:在多轴位置反馈信号采集模块采集到每个刀轨点的同时，将该刀轨点空间位置与理想加工轨迹进行比较，实时计算出实际加工轨迹点的轨迹误差； 加工误差实时显示模块:在显示屏以图形的形式将当前采集的刀轨点显示出来，并进行定量标注。
3.根据权利要求2所述的数控机床加工误差在线检测系统，其特征在于:所述加工误差实时分析模块:对于由η个离散位置点组成的刀具实际轨迹，其在该位置点的加工误差定义为该点到最近的理想轨迹线段的垂直距离；所有离散点的加工误差由几何关系求出。
4.根据权利要求2或3所述的数控机床加工误差在线检测系统，其特征在于:所述加工误差实时显示模块，其显示屏的显示界面分为加工程序代码显示选择区和误差显示区，其中:所述加工程序代码显示选择区，用于选择所要分析的加工代码区段；所述误差显示区，用于加工轨迹误差实时显示。
【文档编号】G05B19/19GK104166373SQ201410383243
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】陈光胜, 朱帅, 李郝林, 郑庆振 申请人:上海理工大学