数控机床空间误差补偿装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于精密加工或误差补偿技术领域，具体涉及一种数控机床空间误差补偿装置，能够实时补偿数控机床的空间误差，提高数控机床的加工精度。
【背景技术】
[0002]随着对机床加工精度的要求日益提高，机床热变形对加工精度的影响越来越大。在精密加工中，机床热变形引起的加工误差即热误差占总误差的40-70%左右。为减小热误差，提高机床加工精度目前主要有两种方法:误差补偿法和误差防止法。误差防止法主要通过设计和制造途径来降低零部件的热变形，消除或减少可能的热源。由于技术限制应用误差防止法很难彻底消除热误差，且加工精度要求高于某一标准后，误差防止法的成本会按指数规律增加。误差补偿法主要通过分析、统计、归纳掌握机床关键热源温度对热误差的影响规律，从而建立热误差模型，并利用模型计算结果去抵消热误差。
[0003]目前对热误差补偿技术的研究主要还是集中在高等院校，比较有影响的有美国密西根大学的J.Ni团队、韩国庆北大学的Seung-Han Yang团队、新加坡国立大学的R.Ramesh团队、上海交通大学的杨建国团队。总结他们的研究成果，可以得到如下结论:
(1)所建模型主要对机床主轴在轴向的热变形、机床主轴在径向的热变形、机床主轴在径向与轴向的热变形、刀具相对工件在不同坐标轴方向的位移误差、机床在各坐标轴方向的定位误差等进行预测，模型一般只能用于某一特定机床，鲁棒性较差；
(2)由于数控系统的封闭性，尽管只有少数人设计了误差补偿器，用于误差补偿实验，但都取得了较好的补偿效果，机床精度得到显著提高。
[0004]根据上述结论，这些研究建立的热误差模型主要是针对机床的某一坐标轴方向，或某一误差元素的。他们有的对机床主轴在轴向或径向的热误差进行了准确预测，有的对刀具相对工件在某一坐标轴方向的位移误差进行了准确预测，进而实施热误差补偿，提高了机床的加工精度。同样的建模及补偿方法能否应用于更为复杂的机床体积误差呢？如果能，异常复杂的体积误差测量就可以在线进行，昂贵的激光测量仪器就可变成廉价的温度传感器，机床的加工精度也会得到提高。能否应用热误差补偿技术实现体积误差的在线测量及补偿已成为目前亟待解决的问题。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于针对现有体积误差测量技术存在的问题，提供一种数控机床空间误差补偿装置，可以根据实时采集的温度和误差信号对数控机床的体积误差进行补偿，提高数控机床的加工精度，装置结构简单、测量方便、实时性强，具有广泛的应用前景。
[0006]为实现上述目的，本发明是通过以下方式实现的:根据数控机床的坐标位置和关键热源温度实时预测数控机床的体积误差，并通过数控接口把预测结果实时反馈给数控系统，进而在线调整数控机床的加工运动，提高数控机床的加工精度。
[0007]本发明的数控机床空间误差补偿装置主要包括个人计算机、单片机模块、数控接口模块；个人计算机包括基于VC++的建模计算子模块、数据存储子模块和串口子模块；单片机模块包括温度信号采集子模块、位移信号采集子模块、A/D转换子模块、串口及并口通讯子模块和若干传感器；数控接口模块包括数控系统的PMC梯形图及数控机床接口卡。
[0008]个人计算机安装了基于VC++的空间误差补偿软件，带有个人计算机与补偿装置之间的串行接口。温度信号及误差信号通过串口送入个人计算机，进行建模及误差计算。
[0009]单片机模块由温度信号采集子模块、位移信号采集子模块、A/D转换子模块、串口及并口通讯子模块和若干传感器组成，以单片机为核心将各子模块有机组合在一起。温度传感器的输出经温度信号采集子模块，送入A/D转换子模块，经串口送入个人计算机进行运算处理。机床位移及误差信号经位移信号采集子模块、A/D转换子模块，经串口和并口分别送入个人计算机与数控系统进行运算处理。串口和并口通讯子模块主要完成单片机与个人计算机和数控系统之间的信息交互。
[0010]数控接口模块包括数控系统的PMC梯形图，通过数控机床接口卡能够实现数控系统与单片机模块之间的信息交互。机床位置信号经数控接口送入单片机系统，由单片机计算的误差信号又通过并口送入数控系统。
[0011]单片机模块是本发明实现数控机床体积误差补偿的关键，单片机模块通过并口、数控接口卡与数控系统实现信息交互。单片机模块一方面通过数控接口采集数控机床的位置信号，同时又将误差补偿控制信号如补偿值、补偿轴等送入数控系统，是整个数控机床空间误差补偿装置的核心。
[0012]本发明的补偿值通过单片机并口、数控机床接口卡送入数控系统以后，通过PMC梯形图程序的控制，实时调整数控机床的加工运动，在工作过程中不需要对数控系统本身的运行指令进行修改，主要通过数控接口技术、单片机接口技术、修改PMC梯形图程序等软件技术实现体积误差的实时补偿。
[0013]本发明的数控机床空间误差补偿装置不会对原有数控系统及加工程序产生影响，硬件结构主要以单片机为核心，相对比较简单，易于在数控机床上安装使用。同时，本发明装置软件开放，修改方便，成本较低，这为本装置在数控机床的体积误差测量及精密加工领域的推广应用提供了保障。
【附图说明】
[0014]附图1是本发明的结构示意图；
附图2是本发明装置的信号传输流程图。
【具体实施方式】
[0015]以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
[0016]本发明装置的结构如图1所示，由个人计算机、单片机模块、数控接口模块构成；个人计算机包括基于VC++的建模计算子模块、数据存储子模块和串口子模块；单片机模块包括温度信号采集子模块、位移信号采集子模块、A/D转换子模块、串口及并口通讯子模块和若干传感器；数控接口模块包括数控系统的PMC梯形图及数控机床接口卡。
[0017]个人计算