一种机床精度补偿方法及装置

本发明涉及数控机床，具体为一种机床精度补偿方法及装置。

背景技术：

1、数控机床作为现今机械制造行业的主流装备，其广泛应用于航空航天、航母潜艇、高新产业等各个领域。数控机床的精度是衡量一个数控机床品质的重要参数。数控机床的精度分为动态精度和静态精度，其中静态精度指空间几何精度和定位精度等，而动态精度指加工精度，数控机床的几何精度反映了由零部件精度和装配调试水平导致的误差，其主要包括各轴的直线度、相对位置、垂直度和平行度等，针对几何精度问题，通过调节数控机床地脚和各轴机械来提高加工精度，而对于一些难以通过机械改善的问题则可以通过参数优化进行补偿。

2、近年来精密数控机床技术水平显著提升，但仍然存在一些关键问题尚未有效解决，如机床精度稳定性和可靠性有待进一步提升。导致机床稳定性下降的主要原因之一是热精度问题，且随着机床精度的提升，热精度问题占机床总误差的比重不断提升，最高可达80％。

3、公开号为cn110174872a提供的一种数控机床温升补偿系统及方法，其通过环境温传感器与设备温度传感器进行比较，基于比对的温升数据进行温升补偿。此方法可以有效解决机床热形变的精度误差问题，保证硬件加工的可靠性，但通过对位移误差值进行补偿，没有考虑到机床零部件的磨损程度，当机床的加工刀具受到磨损，只通过温升补偿，依旧会导致加工的工件产生误差的情况，不能有效提高加工精度。

4、因此上述系统还存在的主要技术问题就是，没有考虑到机床加工刀具的磨损程度，忽略了实际加工过程中的损耗情况的影响。因此在进行后续加工时，导致误差增大，加工精度降低。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种机床精度补偿方法及装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种机床精度补偿方法，具体步骤包括：

4、获取当前时刻目标数控机床的刀具的运动参数，其中运动参数包括数控机床的切削速度、切削时间、切削量和刀具磨损量；

5、根据获取的刀具运动参数，将切削速度、切削时间、切削量和刀具磨损量数据进行去量纲化处理，建立数据分析模型，根据当前应用情景下的切削条件，生成刀具的磨损系数；

6、根据生成的机床刀具磨损系数、切削速度和切削时间计算生成由于刀具磨损导致的直径减小量；

7、监控并采集机床工作时运动杆件的温度，计算环境的温度变化，根据温升数据计算杆件热变形程度，其中温升数据等于温升值减去降温值；

8、根据生成的刀具磨损导致的直径减小量和杆件热变形程度综合分析，生成精度补偿系数，将精度补偿系数与预先设定的补偿阈值相较，并在精度补偿系数大于补偿值时判断需要对机床进行精度补偿；

9、在需要进行补偿时，根据机床运动过程中各运动轴在不同温升数据下杆件的热变形量和不同刀具磨损导致的直径减小量，得到机床各运动轴对应的位移变化量，生成不同的误差模型；根据生成的刀具磨损导致的直径减小量和杆件热变形程度，对生成的两个参数进行拟合分析，调用生成的不同误差模型，确定当前对应的综合补偿数据，并将所述综合补偿数据传递至机床控制系统，修正运动参数。

10、进一步地，根据数控机床的刀具磨损量、切削量和切削时间，计算刀具磨损系数；进行去量纲化处理得到刀具磨损量为vw，切削量为vt，切削时间为t，刀具的磨损系数为kwear，所依据的公式为：

11、

12、其中，刀具磨损量为vw，切削量为vt，切削时间为t均大于0。

13、进一步地，根据获取的刀具运动参数，将计算得出的刀具的磨损系数为kwear、采集切削速度和切削时间数据进行去量纲化处理，得到磨损系数为kwear、切削速度vc和切削时间为t，标定由于刀具磨损导致的直径减小量为δdwear，所依据的公式为：

14、δdwear＝kwear*a1*vc*t*a2；

15、其中，a1和a2为切削速度vc和切削时间为t的预设比例系数，且a1＜a2，a1和a2均大于0。

16、进一步地，温升数据等于温升值减去降温值，标定环境的温升为δt，所依据的公式为：δt＝th-tl

17、其中th表示温升值，tl表示降温值；

18、由环境的温升δt，计算出杆件热变形程度，标定杆件热变形程度为δl，在正常的工作条件下时，杆件热变形为有约束条件，杆件作为弹性体，在受到外在的约束以及内在各部分之间的相互约束时热变形便不能自由发生，此时，温度场的温度发生改变，杆件热变形将随着变温应力而产生，杆件的热变形δl表示为：

19、

20、其中αt为线胀系数；l为杆件的初始长度；δt为环境的温升，σ为热应力；e为弹性模量。

21、进一步地，根据生成的刀具磨损导致的直径减小量δdwear和杆件的热变形程度δl，综合生成精度补偿系数，标定精度补偿系数为δζ，所依据的公式为：

22、

23、其中，dwear为加工工件要求直径量，l为杆件的初始长度，且加工工件要求直径量dwear和杆件的初始长度l均大于0；

24、根据生成的精度补偿系数δζ与预先设定的补偿阈值yz相比：

25、若δζ≥yz，则需要对机床进行精度补偿；

26、若0≤δζ＜yz，则不需要对机床进行精度补偿。

27、进一步地，在数控机床各坐标轴上设定相应的点位，当机床对应的杆件经过这些点位时，通过激光干涉仪测定各运动轴在不同温升数据下杆件的热变形量δl和不同刀具磨损程度下直径减小量δdwear，得到对应的机床各运动轴位移变化量，生成不同的误差模型；

28、对数控机床x轴、y轴、z轴、a轴和c轴的定位精度和重复定位精度进行测量，其中有x轴、y轴和z轴为机床直线轴，a轴和c轴为机床旋转轴，机床x轴以间隔65mm将行程均分为10等份，机床y轴以间隔65mm将行程均分为8等份，机床z轴以间隔28mm将行程均分为17等份，机床a轴以间隔30°将行程均分为5等份，机床c轴以间隔30°将行程均分为12等份，设置每个节点为数据采样点，数据的采集和处理由测量计算机自动完成；

29、所述误差模型指数控机床在工作过程中由于温度变化及刀具磨损而引起的尺寸变化或形状偏差的数学模型，用于评估机床精度补偿值。

30、进一步地，根据当前在使用的数控机床所测得的杆件的热变形量和不同刀具磨损程度下直径减小量，调用生成的不同误差模型，对应的矢量差即为对应坐标值的差值，记为δx、δy、δz、δa、δc，即为机床的精度偏差，以此偏差量作为杆件的运动补偿值，以此补偿值修正运动参数，将各杆件对应的矢量差传入机床控制系统进行精度补偿。

31、本发明还提供一种机床精度补偿装置，用于执行上述的机床精度补偿方法，包括：监控模块，所述监控模块包括运动监测单元和温度监测单元，运动监测单元用于测量机床刀具的运动参数，包括切削速度、切削量和刀具磨损量；温度监测单元监控机床工作时的温度，准确地测量和监测环境和各杆件的温度，之后将监控的数据传入数据采集模块中；

32、数据采集模块，所述数据采集模块用于采集监测的运动参数，包括切削速度和切削量，同时记录机床刀具实际切削时间；依据温度监测单元，采集各运动杆件的实时温度，记录杆件初始长度，并将采集的运动参数和温度参数传递至预处理模块中；

33、第一分析模块，用于根据获取的刀具运动参数，将切削速度、切削时间、切削量和刀具磨损量数据进行去量纲化处理，建立数据分析模型，根据当前应用情景下的切削条件，生成刀具的磨损系数；并根据生成的机床刀具磨损系数、切削速度和切削时间计算生成由于刀具磨损导致的直径减小量；

34、第二分析模块，用于将监控并采集到机床工作时运动杆件的温度，计算环境的温度变化，根据温升数据计算杆件热变形程度，其中温升数据等于温升值减去降温值；

35、综合分析模块，用于根据生成的刀具磨损导致的直径减小量和杆件热变形程度综合分析，生成精度补偿系数，将精度补偿系数与预先设定的补偿阈值相较，并在精度补偿系数大于补偿值时判断需要对机床进行精度补偿；

36、模型生成模块，用于在需要进行补偿时，则根据机床运动过程中各运动轴在不同温升数据下杆件的热变形量和不同刀具磨损导致的直径减小量，得到机床各运动轴对应的位移变化量，生成不同的误差模型；

37、补偿模块，用于根据生成的刀具磨损导致的直径减小量和杆件热变形程度，对生成的两个参数进行拟合分析，调用生成的不同误差模型，确定当前对应的综合补偿数据，并将所述综合补偿数据传递至机床控制系统，修正运动参数。

38、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

39、本发明通过设置监控模块，监控机床加工刀具的运动情况，采集运动参数，生成刀具寿命参数，根据机床刀具寿命计算出刀具磨损误差，同时实时监控环境的温度变化，计算温升数据，根据不同温升值计算出不同温升环境下杆件的热变形量，结合生成的刀具磨损误差和杆件的热变形量，调用生成的不同误差模型，对比生成总的补偿值，将补偿值反馈至机床控制系统，修正运动参数，实现自动化的精度补偿系统，有效提高了数控机床的精度。