一种基于新代数控系统的数控机床热误差补偿设备的制作方法

本实用新型涉及数控机床领域，尤其涉及一种基于新代数控系统的数控机床热误差补偿设备。

背景技术：

数控机床作为重要的工作母机，其性能直接影响零件的加工质量、加工效率和制造成本。随着数控机床向高速、高精方向发展，其配置的高功率主轴和高速进在高速旋转和反复快速移动时，由于摩擦产生大量热，这些热量沿不同方向以不同速度向数控机床各个部件传播，导致在数控机床内部形成不均匀的温度场。同时，由于数控机床各部件受到不尽相同的约束且具有不同的材料属性，导致数控机床部件产生不同程度的热变形，进而造成数控机床零点产生一定漂移，影响最终零件的加工精度。

学者研究发现热误差是影响数控机床精度的最主要的误差源之一，由热导致的误差占数控机床总加工误差的40％-70％，据此研发出热误差补偿方法以解决上述问题。

热误差补偿方法原理简单，即根据建立的热误差模型对主轴热误差(如热伸长量)进行预测，并以预测误差的反向数值作为补偿量人为的去抵消和减小实际误差。基于此，现有技术研发出西门子840d数控系统、fanuc数控系统和海德汉数控系统等等多种热误差补偿数控系统，但上述几种数控系统基本采用嵌入至数控机床的热误差补偿模块进行实现，由于热误差补偿模块不属于数控机床的标准配置，工厂要为数控机床增设热误差补偿功能时就需进行数控机床改动，这严重增加了工厂的生产成本。

技术实现要素：

本实用新型为改善现有技术中的不足之处，而提供一种数控机床热误差补偿设备的硬件结构，待软件工程师对其中控制器编程，数控机床热误差补偿可通过外置方式与数控机床配合使用，避免直接改动数控机床，实现成本控制。

提供一种基于新代数控系统的数控机床热误差补偿设备，包括控制器、显示器和多个温度传感器，控制器具有用于与所述数控机床通讯的接口，显示器和多个温度传感器分别电连接所述控制器；所述温度传感器设有探头和固定套设在探头上的环状磁铁，探头从环状磁铁的内环穿过并凸出于磁铁端面。

进一步地，所述温度传感器的前端设有罩住所述磁铁的套帽，套帽顶面中央处具有通孔，探头从套帽的底部开口探入并从所述通孔探出。

进一步地，所述温度传感器设有移位机构来驱动所述探头探出所述通孔。

进一步地，所述移位机构具体是固定套设在探头上的螺纹卡件，所述套帽为圆管套帽，螺纹卡件的外形与圆管套帽的底部开口适配从而相互对置，圆管套帽与螺纹卡件之间螺纹连接。

进一步地，所述磁铁贴合于螺纹卡件朝向套帽的端部。

进一步地，所述温度传感器具体是pt100温度传感器。

进一步地，所述显示器为触摸显示器。

有益效果：

本实用新型通过在温度传感器的探头上套设环状磁铁，使温度传感器能直接吸附在数控机床的金属部件表面，如此，待软件工程师对控制器编程后，控制器就能通过各个温度传感器采集数控机床上各测点的温度变化，然后以温度作为输入变量，通过预先建立的数控机床z向零点热漂移预测模型来计算补偿值，并将补偿值输入至数控机床指定的数据寄存器中，实现数控机床z向零位漂移补偿。

由于数控机床热误差补偿设备通过外置方式与数控机床配合使用，其避免了直接改动数控机床，达到成本控制的目的。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本实用新型的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了数控机床热误差补偿设备与数控机床的连接示意图。

图2示出了温度传感器的端部结构剖面图。

图3示出了本实用新型实施例的数控机床z向零位漂移误差补偿方法的流程图。

图4示出了将温度传感器随机吸附到z向直线轴和主轴的不同测点的位置示意图。

图5示出了本实用新型实施例的电子设备的结构示意图；

图6示出了本实用新型实施例的计算机可读存储介质的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本实施例的数控机床热误差补偿设备如图1所示，由温度采集箱1、触摸显示器2和多个pt100温度传感器3组成。

温度采集箱1内置有具有逻辑运算处理能力的控制器，控制器未作图示，控制器设有网络通讯接口，其一方面通过网线建立与三轴钻攻数控机床4的硬件连接，另一方面通过vga连接线与触摸显示器2建立通讯。

见图2，温度传感器3的前端设有起保护作用的圆管套帽31，套帽31的顶面齐平，该顶面中央处具有通孔，探头32从套帽31的底部开口探入并从顶面通孔探出。套帽31的内侧壁设有内螺纹，探头32的侧壁固定有螺纹卡件321，螺纹卡件321的外形及大小与套帽31的底部开口适配从而得以相互对置。螺纹卡件321的外壁设有外螺纹，通过内外螺纹的相互配合使得螺纹卡件321得以在套帽31中旋进或旋出，从而控制探头32的探出程度，以适配图1中数控机床4的不同探测地点。

螺纹卡件321朝向套帽31的端部通过胶水贴合有高温磁铁33，高温磁铁33呈环状套设在探头32上，探头32从高温磁铁33的内环穿过并凸出于高温磁铁33的端面，通过高温磁铁33，探头32能以直立角度直接吸附在数控机床4的金属部件表面。

见图1，各个温度传感器3的后端通过输出线分别与温度采集箱1中的控制器电连接，使用时，将各个温度传感器3吸附在数控机床4的金属部件表面上后，控制器通过各个温度传感器3采集数控机床上各测点的温度变化，然后以温度作为输入变量，通过预先建立的数控机床z向零点热漂移预测模型来计算补偿值，并将补偿值输入至数控机床4指定的数据寄存器中，以实现数控机床z向零位漂移补偿。

由于数控机床热误差补偿设备通过外置方式与数控机床4配合使用，其避免了直接改动数控机床，达到成本控制的目的。

为对上述的数控机床z向零位漂移误差补偿方法进行充分说明，本实施例以图1中的主轴a、图1中的z向直线轴b以及环境温度作为测点为例进行讲述。

见图3，本实施例的数控机床z向零位漂移误差补偿方法包括以下步骤：

s11：针对所要补偿的数控机床采集其z向零点热漂移数据；

具体地，z向零点热漂移数据包括主轴的热伸长量和z向直线轴的定位偏差量，其中热伸长量可利用电涡流位移传感器进行测量，定位偏差量可利用机床干涉仪进行测量，由于电涡流位移传感器、机床干涉仪均为现有，且其相应测量方法为常规技术，本文不对其进行赘述。获得z向零点热漂移数据后，用户通过触摸显示器将数据预存至控制器中，为后续步骤提供基准数据支持。

s12：基于相关性分析方法选取z向直线轴和主轴上的热关键点；

在该步骤中，用户如图4所示将温度传感器随机吸附到z向直线轴的不同测点上，然后启动数控机床，测试运行过程中z向直线轴上各个温度测点的温度变化。

对于z向直线轴上的每一个温度测点，以温度测点的温度数据为变量x，以步骤s11中所测得的定位偏差量为变量y，利用下述公式(1)计算温度测点对于定位偏差量的相关密切程度：

式中，ρxy——变量x和变量y的相关系数；cov(x,y)——x和y的协方差；——x的标准差；——y的标准差。

依次计算得出z向直线轴上各个温度测点的相关系数后，取其中相关系数最大的两个温度测点，确定为z向直线轴的热关键点，分别将这两个热关键点的温度记为t1、t2。

基于同样的原理，在主轴上选取出两个热关键点，并记其温度为t3、t4，其中，对于主轴而言，变量y变为步骤s11中所测得的热伸长量。

s13：读取数控机床运行过程中的加工信息；

在该步骤中，用户通过设置数控机床和控制器具有相同的ip地址，使控制器得以运行通信协议实现数控机床与控制器的通信连接。通信过程中，控制器通过网线读取数控机床的当前加工信息，其中当前加工信息具体包括：主轴转速、z向直线轴的进给速度、加工坐标系以及z向直线轴的当前机械坐标。

获得加工信息后，将主轴转速、z向直线轴的进给速度、加工坐标系等数据于触摸显示器上展示。

s14：利用多元线性回归方法建立直线轴热误差预测模型；

具体地，由于直线轴的定位偏差量ε1与其机械坐标x成线性变化关系，故建立线性关系模型如下述公式(2)：

ε1＝ax+b(2)

式中位置参数a、b均为与热关键点有关的变量，籍此可借助精度和鲁棒性较好的多元线性回归方法对位置参数a、b进行估算，得出下述公式(3)：

将公式(3)代入公式(2)可得如下述公式(4)所示的直线轴热误差预测模型：

ε1＝(β0+β1t1+β2t2)·x+(β3+β4t1+β5t2)(4)

式中，ε1——直线轴热误差；β1～β5——热误差拟合项系数；t1、t2——z向直线轴上两个热关键点的温度；x——z向直线轴的机械坐标。

建立直线轴热误差预测模型后，通过向其输入z向直线轴上两个热关键点的当前温度t1、t2和z向直线轴的当前机械坐标x，可预测直线轴的当前定位偏差量。

s15：利用多元线性回归方法建立主轴热误差预测模型；

在该步骤中，由于主轴在数控机床上的相对位置不变，故无需考虑其机械坐标因素，籍此，仅以主轴上两个热关键点的温度t3、t4作为输入变量，以主轴的热伸长量作为输出，利用多元线性回归方法建立如下述公式(5)所示的主轴热误差预测模型：

ε2＝β6+β7t3+β7t4(5)

式中，ε2——主轴的热伸长量；β6～β7——热误差拟合项系数；t3、t4——主轴上两个热关键点的温度。

建立主轴热误差预测模型后，通过向其输入主轴上两个热关键点的当前温度t3、t4，可预测主轴的当前热伸长量。

s16：基于直线轴的当前定位偏差量和主轴的当前热伸长量的比较情况确定z向零位漂移值；

具体地，当主轴温度比直线轴温度高出δt时，意味着数控机床的热误差以主轴为主要影响因素，则以主轴的当前热伸长量作为z向零位漂移值，记为ε；反之意味着数控机床的热误差以直线轴为主要影响因素，则以直线轴的当前定位偏差量作为z向零位漂移值；若二者差值处于δt之内时，则以二者之和作为z向零位漂移值。具体计算公式如下

s17：将z向零位漂移值换算成z向零位补偿量写入数控机床的数据寄存器中从而实现补偿；

具体地，按现有的方案将上述z向零位漂移值ε换算成对应的z向零位补偿量，然后利用数控机床提供的api函数接口，将z向零位补偿量写入至数控机床的plc的数据寄存器内，数控机床会自动读取该寄存器内数值，调整数控机床原点坐标，实现数控机床z向零位漂移误差补偿功能。

需要说明的是，对于主轴的热伸长量和z向直线轴的定位偏差量，也可采用激光干涉仪进行测量。

本实施例还提供一种数控机床z向零位漂移误差补偿装置，该装置用于执行上述方法实施例，其原理和技术效果类似，此处不再赘述。

最后应当说明的是：

在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟装置或者其它设备固有相关。各种通用装置也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类装置所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(dsp)来实现根据本发明实施例的检测电子设备的佩戴状态的装置中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

例如，图5示出了根据本发明一个实施例的电子设备的结构示意图。该电子设备传统上包括处理器51和被安排成存储计算机可执行指令(程序代码)的存储器52。存储器52可以是诸如闪存、eeprom(电可擦除可编程只读存储器)、eprom、硬盘或者rom之类的电子存储器。存储器52具有存储用于执行图3所示的以及各实施例中的任何方法步骤的程序代码54的存储空间53。例如，用于程序代码的存储空间53可以包括分别用于实现上述的方法中的各种步骤的各个程序代码34。这些程序代码可以从一个或者多个计算机程序产品中读出或者写入到这一个或者多个计算机程序产品中。这些计算机程序产品包括诸如硬盘，紧致盘(cd)、存储卡或者软盘之类的程序代码载体。这样的计算机程序产品通常为例如图6所述的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质可以具有与图5的电子设备中的存储器52类似布置的存储段、存储空间等。程序代码可以例如以适当形式进行压缩。通常，存储单元存储有用于执行根据本发明的方法步骤的程序代码61，即可以由诸如51之类的处理器读取的程序代码，当这些程序代码由电子设备运行时，导致该电子设备执行上面所描述的方法中的各个步骤。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。