数控系统中针对机床空间垂直度误差进行补偿处理的方法、装置、处理器及其存储介质

技术领域

本发明涉及数控机床加工技术领域，尤其涉及数控机床系统运动控制技术领域，具体是指一种数控系统中针对机床空间垂直度误差进行补偿处理的方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质。

背景技术

数控机床，特别是大型的数控机床在安装时需要保证进给轴之间非常高精度的相互垂直。如果机床在安装时，导轨之间并不相互垂直，会导致轴联动时产生误差。比如：希望加工一个圆形，结果可能是一个椭圆形，加工一个球，结果是一个椭球。并且这种由于导轨不垂直产生的误差，会随着机床行程的大小线性变化，行程越大，误差越大。

目前大多数修正垂直度误差的方式都是在安装机床时，通过外部设备测量出机床的垂直度误差，然后进行调整修正。但机床一旦装配好之后，到达客户现场开始加工了，想要通过改变机床结构位置进行修正垂直度误差就非常麻烦。因为一般机床在用户现场的环境比较复杂，不会进行机床的拆卸和装配。如果机床由于精度差运回机床厂进行调整，调整好之后，机床在运回现场的过程中精度可能还会变化。并且改变机床结构位置会影响机床的其他动态特性，需要重新调整各种参数，对机床的精度影响非常大，总之非常麻烦。

本发明提供了一种数控机床系统根据用户输入的空间垂直度误差，在线将机床的空间垂直度误差进行补偿的方法。主要有以下优点：

1.通过数控系统对机床的垂直度误差进行补偿，大大提高了机床的加工精度。

2.省去了用户维护机床装配误差的过程，节省了机床的维护成本，提高生产效率。

其中，进给轴是机床上负责工件或主轴进行进给运动的轴，通常一个机床工作台对应一组XYZ三个进给轴。

垂直度误差用于表示机床进给轴相互垂直的程度的参数，如，X轴和Y轴垂直度误差为0.1°，表示X轴和Y轴的角度为89.9°。

刀路是指数控机床的刀具路径。数控机床根据刀路文件描述的刀具路径移动机床刀具，刀具旋转铣削出加工零件。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足加工精度高、加工良品率，高、适用范围较为广泛的数控系统中针对机床空间垂直度误差进行补偿处理的方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质。

为了实现上述目的，本发明的数控系统中针对机床空间垂直度误差进行补偿处理的方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质如下：

该数控系统中针对机床空间垂直度误差进行补偿处理的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：

(1)输入垂直度误差参数；

(2)数控系统根据参数进行矩阵计算；

(3)根据刀路指定的理想位置和所述的步骤(2)的计算结果得到补偿模型；

(4)计算得到补偿值；

(5)实时修正数控系统的输出位置。

较佳地，所述的步骤(1)还包括以下步骤：

通过测量设备，测量机床的垂直度误差参数。

较佳地，所述的步骤(3)具体包括以下步骤：

根据加工刀路指定的理想位置进行刀路加工。

较佳地，所述的步骤(4)具体包括以下步骤：

数控系统根据加工刀路的指定位置和矩阵计算的结果得到垂直度误差补偿量。

该数控系统中用于针对机床空间垂直度误差进行补偿处理的装置，其主要特点是，所述的装置包括：

处理器，被配置成执行计算机可执行指令；

存储器，存储一个或多个计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现上述的数控系统中针对机床空间垂直度误差进行补偿处理的方法的各个步骤。

该数控系统中用于针对机床空间垂直度误差进行补偿处理的处理器，其主要特点是，所述的处理器被配置成执行计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现上述的数控系统中针对机床空间垂直度误差进行补偿处理的方法的各个步骤。

该计算机可读存储介质，其主要特点是，其上存储有计算机程序，所述的计算机程序可被处理器执行以实现上述的数控系统中针对机床空间垂直度误差进行补偿处理的方法的各个步骤。

采用了本发明的数控系统中针对机床空间垂直度误差进行补偿处理的方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质，可以直接通过向数控系统输入测量出的垂直度误差，让数控系统在控制机床运动时，直接运动到刀路指定的理想坐标系下的位置。避免了由于机床在装配时，导致进给轴之间相互不垂直产生的加工误差，大大提高了数控机床的加工精度。特别是在大型数控机床上，行程越大时，垂直度误差越大。而大型机床的装配也是非常麻烦的。当用户由于机床的垂直度误差非常大而需要调整机床的装配时，可以使用本发明避免调整机床装配。节约了大量的成本。

附图说明

图1为本发明的机床的实际坐标系与理想正交坐标系的示意图。

图2为本发明的数控系统中针对机床空间垂直度误差进行补偿处理的方法的流程图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

本发明的该数控系统中针对机床空间垂直度误差进行补偿处理的方法，其中包括以下步骤：

(1)输入垂直度误差参数；

(2)数控系统根据参数进行矩阵计算；

(3)根据刀路指定的理想位置和所述的步骤(2)的计算结果得到补偿模型；

(4)计算得到补偿值；

(5)实时修正数控系统的输出位置。

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(1)还包括以下步骤：

通过测量设备，测量机床的垂直度误差参数。

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(3)具体包括以下步骤：

根据加工刀路指定的理想位置进行刀路加工。

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(4)具体包括以下步骤：

数控系统根据加工刀路的指定位置和矩阵计算的结果得到垂直度误差补偿量。

本发明的该数控系统中用于针对机床空间垂直度误差进行补偿处理的装置，其中所述的装置包括：

处理器，被配置成执行计算机可执行指令；

存储器，存储一个或多个计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现上述的数控系统中针对机床空间垂直度误差进行补偿处理的方法的各个步骤。

本发明的该数控系统中用于针对机床空间垂直度误差进行补偿处理的处理器，其中所述的处理器被配置成执行计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现上述的数控系统中针对机床空间垂直度误差进行补偿处理的方法的各个步骤。

本发明的该计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述的计算机程序可被处理器执行以实现上述的数控系统中针对机床空间垂直度误差进行补偿处理的方法的各个步骤。

本发明的具体实施方式中，数控系统可以根据用户输入的空间垂直度误差参数，进行误差补偿，提高机床加工精度。省去了调整机床装配的复杂流程，提高了加工良品率，节约了调机成本。

本发明通过如下措施可以达到补偿机床垂直度误差的目的：

由于机床的导轨方向是在实际坐标系下的，实际坐标系与理想坐标系之间的误差为空间垂直度误差。客户输入到数控系统的刀路位置为理想坐标系下的位置，本发明的技术方案主要是根据输入的空间垂直度误差值，计算出机床移动到理想坐标系下的点时，实际机床坐标系下应该移动到的坐标来进行误差补偿。

此处补充一点线性代数的知识用于理解本发明的原理：

在向量空间中，如果存在一组向量可以表示该空间中的所有向量，此时称这组向量为该空间的一组基。

空间上的同样的一个点，可以被不同组的基来表示。

三维空间最常用的一组基就是(1，0，0)，(0，1，0)，(0，0，1)，称为标准正交基。

数控机床的刀路也是根据这一组标准正交基来生成的。

为简化模型，本方案后续以XYZ三个进给轴进行描述，但本方式适用于所有轴类型的数控机床及系统。

由于机床的装配问题，导致数控机床导轨不垂直，理想情况下，机床的坐标系应该与标准正交基所在的坐标系重合，但实际情况如图1所示。

X’Y’Z’表示机床的实际坐标系；XYZ表示理想正交坐标系。

将实际坐标系的X’轴与理想坐标系下X轴重合。

α表示X’Y’之间的角度；β表示Y’Z’之间的角度；γ表示X’Z’之间的角度。

设标准正交基为E＝[e1，e2，e3]，以实际坐标系所在方向，长度为单位长度的基为E’＝[e1’，e2’，e3’]。

空间上的点A，在理想坐标系下的坐标为(x，y，z)，在实际坐标系下的坐标为(x’，y’，z’)。

则点A可以被两组基分别表示为：

A＝E＊[xyz]＝E’＊[x’y’z’]；

两边同时乘以E’的逆矩阵得到

[x’y’z’]＝E’

也就是：

实际坐标系下点A的坐标＝实际坐标系的基矩阵的逆矩阵＊标准正交基矩阵＊理想坐标系的坐标。

下面求解实际坐标系下的基矩阵的值。

由上图可知：

e1’＝(1，0，0)e2’＝(cos(α)，sin(α)，0)；

设e3’＝(i，j，k)，则

e3’·e2’＝cos(β)……(1)

e3’·e1’＝cos(γ)……(2)

|e3’|＝1……(3)

根据公式(1)(2)(3)求解可以得到：

i＝cos(γ)；

所以实际坐标系的基矩阵为：

其中，α表示X’Y’之间的角度，β表示Y’Z’之间的角度，γ表示X’Z’之间的角度，i、j、k分别是e3’的X、Y、Z方向的分量长度。

理想坐标系的矩阵为单位矩阵，同时理想坐标系下的点为刀路的输入，此时可以得到实现坐标系下数控系统应该走到的坐标。

在实际加工中，该方法的使用步骤如图2所示。图2中的补偿模型，就是求出实际坐标系的三个基，然后根据刀路里面的理想位置求出实际坐标系下的坐标，得到补偿值，即为理想坐标和实际坐标之间的差值。数控系统输出的是实际坐标系下的位置，输入是刀路中的理想坐标系的位置，需要根据实际坐标系的基和刀路中的理想坐标系的位置，求出刀路指定位置在实际坐标系下的坐标。

本发明已在数控系统中得到应用，并取得较好的加工效果，消除了机床的垂直度误差。

本发明现已在维宏数控系统上实现，具体实施步骤如下：

1、通过测量设备，将机床的垂直度误差测量出来。

2、将垂直度误差输入数控系统。

3、数控系统根据2中的输入进行矩阵计算。

4、进行刀路加工。

5、数控系统根据加工刀路的指定位置和3中计算的结果得到垂直度误差补偿量。

6、实时修正数控系统的输出位置。

本实施例的具体实现方案可以参见上述实施例中的相关说明，此处不再赘述。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行装置执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，相应的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

采用了本发明的数控系统中针对机床空间垂直度误差进行补偿处理的方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质，可以直接通过向数控系统输入测量出的垂直度误差，让数控系统在控制机床运动时，直接运动到刀路指定的理想坐标系下的位置。避免了由于机床在装配时，导致进给轴之间相互不垂直产生的加工误差，大大提高了数控机床的加工精度。特别是在大型数控机床上，行程越大时，垂直度误差越大。而大型机床的装配也是非常麻烦的。当用户由于机床的垂直度误差非常大而需要调整机床的装配时，可以使用本发明避免调整机床装配。节约了大量的成本。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。