专利名称：一种用于大型数控机床的温度补偿系统及补偿方法
技术领域：
本发明涉及一种温度补偿系统及补偿方法，尤其涉及一种用于大型数控机床的温
度补偿系统及补偿方法。
背景技术：
金属材料具有"热胀冷縮"的性质，该特性在物理学上通常用热膨胀系数描述。目
前，数控机床的床身、立柱、拖板等导轨基础件和滚珠丝杠等传动部件都是由金属材料制
成，由于驱动电机的发热、运动部件摩擦发热以及环境温度等的变化，均会对机床运动轴位
置产生附加误差，这将直接影响机床的定位精度，从而影响工件的加工精度。 对于在普通车间环境条件下使用的数控机床尤其是行程比较长的大型机床，热
膨胀系数的影响更不容忽视。比如对行程5米的进给轴来说，金属材料的热膨胀系数为
10卯m(10 y m/每lm每1度)，理论上温度每上升1度，5m的行程的X轴就"胀长"50 y m。
日温差和冬夏季节温差的影响便可想而知。因此高精度机床要求在规定的恒温条件下制造
或使用，普通条件下使用的数控机床为保证较高定位精度和加工精度，必须采取措施消除
其误差。
发明内容
本发明在于克服现有技术的缺陷，而提供一种用于大型数控机床的温度补偿系统
及补偿方法，它能够进行有效的温度补偿，提高数控机床的定位精度和加工精度。 实现上述目的的技术方案是 本发明之一的一种用于大型数控机床的温度补偿系统，大型数控机床包括机床、 伺服电机、驱动伺服电机的驱动器，其中，包括若干安装于所述的机床上的温度传感器、与 所述的温度传感器依次相连的变送器、PLC模块、轴模块，所述的轴模块的一端与一进行温 度补偿的数控单元相连，另一端与所述的驱动器相连，其中 所述的数控单元包括依次相连的输出理想位置的数控机床插补模块、输出实际位 置的修正模块以及输出位置信号的数控机床位置控制模块，还包括相连的采集温度的温度 采集模块和输出补偿数据给修正模块的温度补偿计算模块。 上述的用于大型数控机床的温度补偿系统，其中，所述的温度补偿计算模块根据 采集到的当前温度数据计算该温度时刻的机床相应的轴的温度补偿值，若温度补偿值为正 值就通过数控机床位置控制模块控制轴负向移动，否则就正向移动。 上述的用于大型数控机床的温度补偿系统，其中，所述的PLC模块包括一A/D接 口 ，该A/D接口与所述的变送器相连以进行模/数转换。 上述的用于大型数控机床的温度补偿系统，其中，所述的PLC模块和数控单元均 通过总线接口与所述的轴模块相连以传输数据。 上述的用于大型数控机床的温度补偿系统，其中，所述的轴模块包括有一输出模 拟量信号给驱动器的D/A转换模块和一接受驱动器位置反馈信号的位置反馈模块。
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本发明之二的一种用于大型数控机床的温度补偿方法，其中，它包括以下步骤
采集步骤，采集当前的温度数据，以某个温度为基准，测量相应轴的各个位置误 差，得到这个温度误差曲线； 计算温度补偿值步骤，计算该温度时刻的补偿值，计算时，采用以下公式进行计 算 A Kx (T) = Ko (T) +tan P (T) * (Px-Po) 其中A Kx (T)为轴Px位置的定位误差温度偏差补偿值；
Ko(T)是与轴位置不相关的温度偏差；
Px为轴的实际位置
Po为轴的参考点位置； tanP (T)为与轴位置相关的温度补偿系数，该温度补偿系数为定位误差曲线的角 度； 修正步骤，将计算温度补偿值步骤中得到的补偿数据与理想位置数据进行运算修 正轴的运动； 输出步骤，若定位误差温度偏差补偿值AKx(T)为正值就控制轴负向移动进行位 置补偿，以消除热效应带来的误差，否则就正向移动。 本发明的有益效果是本发明通过温度传感器获取机床各位置的实际温度曲线， 通过温度补偿将补偿量输出给驱动器，带动伺服电机进行位置补偿，采用温度补偿计算模 块和插补模块进行修正，输出实际位置的补偿量，该系统克服了在普通车间环境条件下使 用的数控机床易产生误差的缺点，提高了加工精度及定位精度。
图1是本发明之一的用于大型数控机床的温度补偿系统的结构示意图； 图2是本发明之一的用于大型数控机床的温度补偿系统的数控单元的结构示意
图； 图3是本发明之二的用于大型数控机床的温度补偿方法的流程图；
图4是本发明之二的误差曲线图。
具体实施例方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。 请参阅图1和图2，图中示出了本发明之一的一种用于大型数控机床的温度补偿 系统，大型数控机床包括机床8、伺服电机7、驱动伺服电机7的驱动器6，本发明包括若干 安装于机床8上的温度传感器1、与温度传感器1依次相连的变送器2、 PLC模块3、轴模块 4，轴模块4的一端与一进行温度补偿的数控单元5相连，另一端与驱动器6相连，本实施例 中，温度传感器1采用PT100传感器，其中 数控单元5包括依次相连的输出理想位置的数控机床插补模块51、输出实际位置 的修正模块52以及输出位置信号的数控机床位置控制模块53，还包括相连的采集温度的 温度采集模块55和输出补偿数据给修正模块52的温度补偿计算模块54，该温度补偿计算 模块54根据采集到的当前温度数据计算该温度时刻的机床相应的轴的温度补偿值，若温
4度补偿值为正值就通过数控机床位置控制模块53控制轴负向移动，否则就正向移动。
PLC模块3包括一 A/D接口 31，该A/D接口 31与变送器2相连以进行模/数转换。
轴模块4包括有一输出模拟量信号给驱动器6的D/A转换模块41和一接受驱动 器6位置反馈信号的位置反馈模块42。 PLC模块3和数控单元5均通过总线接口 9与轴模块4相连以传输数据。
由于温度影响的滞后性，PLC模块3采取定时间隔采样温度(T)的方法，周期性的 修改数控机床中相关补偿参数，并利计算温度偏差，从而补偿掉温度变化产生的位置偏差。
本发明的工作原理为将大量的温度传感器1需要安装于机床8各个位置，以获取 机床8各位置的实际温度曲线图，而机床坐标轴的定位误差随温度变化会附加一定偏差， 对每一给定温度可测出相应的定位误差曲线；通过变送器2将温度传感器1信号传输到 PLC模块3的A/D接口 31 ，进行模/数转换，精度为12位的数字量；PLC模块3的总线接口 9和数控单元的总线接口 9将数据传送到轴模块4 ;数控单元5进行温度补偿计算；计算结 果通过总线传送到轴模块4，轴模块4上的D/A转换模块41转换成16位精度的模拟量，给 驱动器6，带动伺服电机7进行位置补偿。 请参阅图3和图4，图中示出了本发明之二的一种用于大型数控机床的温度补偿 方法，它包括以下步骤 采集步骤Sl，采集当前的温度数据，以某个温度为基准，测量相应轴的各个位置误 差，得到这个温度误差曲线，即根据测量不同温度时的位置变化绘制出温度和位置的变化 曲线，计算出各温度时候误差变化斜率等； 计算温度补偿值步骤S2，计算该温度时刻的补偿值，计算时，采用以下公式进行计 算 A Kx (T) = Ko (T) +tan P (T) * (Px-Po) 其中A Kx (T)为轴Px位置的定位误差温度偏差补偿值；
Ko (T)是与轴位置不相关的温度偏差；
Px为轴的实际位置
Po为轴的参考点位置； tanP (T)为与轴位置相关的温度补偿系数，该温度补偿系数为定位误差曲线的角 度； 修正步骤S3，将计算温度补偿值步骤中得到的补偿数据与理想位置数据进行运算 修正轴的运动； 输出步骤S4，若定位误差温度偏差补偿值AKx(T)为正值就控制轴负向移动进行 位置补偿，以消除热效应带来的误差，否则就正向移动。 以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明保护范围的限制。有关本技术领 域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，而所 有等同的技术方案也应归属于本发明保护的范畴之内，由各权利要求所限定。
权利要求
一种用于大型数控机床的温度补偿系统，大型数控机床包括机床、伺服电机、驱动伺服电机的驱动器，其特征在于，包括若干安装于所述的机床上的温度传感器、与所述的温度传感器依次相连的变送器、PLC模块、轴模块，所述的轴模块的一端与一进行温度补偿的数控单元相连，另一端与所述的驱动器相连，其中所述的数控单元包括依次相连的输出理想位置的数控机床插补模块、输出实际位置的修正模块以及输出位置信号的数控机床位置控制模块，还包括相连的采集温度的温度采集模块和输出补偿数据给修正模块的温度补偿计算模块。
2. 根据权利要求1所述的用于大型数控机床的温度补偿系统，其特征在于，所述的温 度补偿计算模块根据采集到的当前温度数据计算该温度时刻的机床相应的轴的温度补偿 值，若温度补偿值为正值就通过数控机床位置控制模块控制轴负向移动，否则就正向移动。
3. 根据权利要求1所述的用于大型数控机床的温度补偿系统，其特征在于，所述的PLC 模块包括一 A/D接口 ，该A/D接口与所述的变送器相连以进行模/数转换。
4. 根据权利要求1所述的用于大型数控机床的温度补偿系统，其特征在于，所述的PLC 模块和数控单元均通过总线接口与所述的轴模块相连以传输数据。
5. 根据权利要求1所述的用于大型数控机床的温度补偿系统，其特征在于，所述的轴 模块包括有一输出模拟量信号给驱动器的D/A转换模块和一接受驱动器位置反馈信号的 位置反馈模块。
6. —种用于大型数控机床的温度补偿方法，其特征在于，它包括以下步骤 采集步骤，采集当前的温度数据，以某个温度为基准，测量相应轴的各个位置误差，得到这个温度误差曲线；计算温度补偿值步骤，计算该温度时刻的补偿值，计算时，采用以下公式进行计算A Kx (T) = Ko (T) +tan P (T) * (Px-Po)其中AKx(T)为轴Px位置的定位误差温度偏差补偿值；Ko(T)是与轴位置不相关的温度偏差；Px为轴的实际位置Po为轴的参考点位置；tanP (T)为与轴位置相关的温度补偿系数，该温度补偿系数为定位误差曲线的角度； 修正步骤，将计算温度补偿值步骤中得到的补偿数据与理想位置数据进行运算修正轴 的运动；输出步骤，若定位误差温度偏差补偿值AKx(T)为正值就控制轴负向移动进行位置补 偿，以消除热效应带来的误差，否则就正向移动。
全文摘要
本发明公开了一种用于大型数控机床的温度补偿系统及补偿方法，大型数控机床包括机床、伺服电机、驱动伺服电机的驱动器，系统包括若干安装于机床上的温度传感器、与温度传感器依次相连的变送器、PLC模块、轴模块，所述的轴模块的一端与一进行温度补偿的数控单元相连，另一端与驱动器相连。补偿方法包括采集步骤、计算温度补偿值步骤、修正步骤、输出步骤。本发明通过温度传感器获取机床各位置的实际温度曲线，通过温度补偿将补偿量输出给驱动器，带动伺服电机进行位置补偿，克服了在普通车间环境条件下使用的数控机床易产生误差的缺点，提高了加工精度及定位精度。
文档编号G05B19/404GK101751002SQ20081020468
公开日2010年6月23日 申请日期2008年12月16日 优先权日2008年12月16日
发明者于忠海, 周吉, 尹冠群, 徐志明, 杨家荣 申请人:上海电气集团股份有限公司;上海电机学院