机床末端动态精度实时跟踪测量与闭环控制方法及系统

技术领域

本发明涉及机床校准技术领域，具体地，涉及机床末端动态精度实时跟踪测量与闭环控制方法及系统，尤其是涉及一种基于激光干涉跟踪仪测量场的机床末端动态精度实时跟踪测量与闭环控制方法与系统

背景技术

本发明基于激光干涉跟踪仪这一高精测量仪器在机床校准领域的应用，通过多台激光干涉跟踪仪组建测量场能够实现机床空间定位精度的测量。空间坐标的计算方法基于GPS全球定位系统，可以快速的获得机床末端的位置坐标。该方法可以直接获得机床实际加工中刀具的位置坐标，避免传统方法中对机床运动部件的逐步测量造成的累加误差，对于确定机床在加工中实际的运动精度具有现实的意义。

专利《基于多站etalon激光跟踪系统的转台误差检测方法》提出了使用激光干涉跟踪仪测量转台误差的方法，通过该方法无法获得实际加工中刀具的位置误差，仅仅测量了转台部件的单个误差。并且测量中，激光干涉跟踪仪需要多次转站安装，大大增加了测量时间与测量不确定度。

在机床误差补偿方法，专利《基于激光跟踪仪的机床误差动态补偿方法》提出了一种基于激光跟踪仪的补偿方法，激光跟踪仪可以直接获得机床空间位置的三维坐标数据，但精度较激光干涉跟踪仪差。激光干涉跟踪仪无法直接获得空间点的三维坐标数据，需要通过组网建立测量场，然后利用测量场内多台干涉跟踪的测量数据求解运算获得机床空间位置的三维坐标数据，再进行补偿。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种机床末端动态精度实时跟踪测量与闭环控制方法和系统。

根据本发明提供的一种机床末端动态精度实时跟踪测量与闭环控制方法，包括：

步骤S1：根据激光干涉跟踪仪测量场测得机床刀尖点实际位置与标准位置，获取机床刀尖点运动时的空间位置误差数据；

步骤S2：建立机床误差补偿参数模型，将误差数据输入模型中生成机床的补偿参数；

步骤S3：将补偿参数传入数控系统，根据补偿参数实时补偿机床刀尖点空间位置。

优选地，所述步骤S2包括以下子步骤：

步骤S2.1：对误差数据进行检查，排除异常数据和噪点数据；

步骤S2.2：将刀尖点空间位置坐标与理论位置比较获取所需补偿目标值，所述补偿目标值为理论位置与所测实际位置的差值；

步骤S2.3：通过机床空间误差模型求解与分离，计算出机床运动轴所需补偿值；

步骤S2.4：根据控制算法，计算数控系统当前的补偿参数。

优选地，所述补偿值采用PID控制器对数控系统进行补偿，位置式PID算法的控制量计算如下所示：

式中K

Δu(k)＝u(k)-u(k-1)

＝K

式中e(k)、e(k-1)和e(k-2)分别对应当前误差以及之前两次误差值，其输出量Δμ＝[Δx，Δy，Δz]为对上一次控制量的增量。

优选地，所述增量通过数控系统的TCP通讯实时补偿进机床NC程序插补后的运动控制量，具体如下所示：

式中，P

根据本发明提供的一种机床末端动态精度实时跟踪测量与闭环控制系统，包括：

模块M1：根据激光干涉跟踪仪测量场测得机床刀尖点实际位置与理论位置，获取机床刀尖点运动时的空间位置误差数据；

模块M2：建立机床误差补偿参数模型，将误差数据输入模型中生成机床的补偿参数；

模块M3：将补偿参数传入数控系统，根据补偿参数实时补偿机床刀尖点空间位置。

优选地，所述模块M2包括以下子模块：

模块M2.1：对误差数据进行检查，排除异常数据和噪点数据；

模块M2.2：将刀尖点空间位置坐标与理论位置比较获取所需补偿目标值，所述补偿目标值为理论位置与所测实际位置的差值；

模块M2.3：通过机床空间误差模型求解与分离，计算出机床运动轴所需补偿值；

模块M2.4：根据控制算法，计算数控系统当前的补偿参数。

优选地，所述补偿值采用PID控制器对数控系统进行补偿，位置式PID算法的控制量计算如下所示：

式中K

式中K

Δu(k)＝u(k)-u(k-1)

＝K

式中e(k)、e(k-1)和e(k-2)分别对应当前误差以及之前两次误差值，其输出量Δμ＝[Δx，Δy，Δz]为对上一次控制量的增量。

优选地，所述增量通过数控系统的TCP通讯实时补偿进机床NC程序插补后的运动控制量，具体如下所示：

式中，P

根据本发明提供的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时上述的机床末端动态精度实时跟踪测量与闭环控制方法的步骤。

根据本发明提供的一种设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的机床末端动态精度实时跟踪测量与闭环控制方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明通过实时补偿系统，将测量场与机床数控系统进行集成，解决了机床与测量场的闭环控制，实现了机床刀尖点空间坐标的实时补偿控制。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为基于激光干涉跟踪仪测量场的机床末端实时闭环控制系统图；

图2为本发明滤波器运算逻辑示意图；

图3为发明PID控制原理框图；

图4为激光干涉跟踪仪测量场测量大行程五轴机床空间定位精度示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供一种基于激光干涉跟踪仪测量场的机床末端动态精度实时跟踪测量与闭环控制方法，参照图1-图3所示，具体包括：

步骤S1：根据激光干涉跟踪仪测量场测得机床刀尖点实际位置与标准位置，获取机床刀尖点运动时的空间位置误差数据。本发明通过四台激光干涉跟踪仪搭建测量场，测量场实时检测机床刀尖点的运动数据，采用多边法计算模型计算刀尖点的运动数据。步骤S2：建立机床误差补偿参数模型，将误差数据输入模型中生成机床的补偿参数。

具体包括以下子步骤：

步骤S2.1：对误差数据进行检查，排除异常数据和噪点数据。本发明通过设置滤波器对误差数据进行检测，滤波器运算逻辑如图2所示，可得：

y

其中：

Q(s)是Q

其中

步骤S2.2：将刀尖点空间位置坐标与理论位置比较获取所需补偿目标值，所述补偿目标值为理论位置与所测实际位置的差值；

步骤S2.3:通过机床空间误差模型求解与分离，计算出机床运动轴所需补偿值；

步骤S2.4：根据控制算法，计算数控系统当前的补偿参数。

所述补偿值采用PID控制器对数控系统进行补偿，PID控制器是工业领域受到广泛应用的一种反馈闭环控制算法，具有原理简单，参数整定方式简便且易于实现等优点，其基本控制原理如图3所示，图中r为系统期望输入控制量，y为系统实际输出，e为输入与输出的偏差量，P、I、D分别为基于偏差量计算的相应比例、积分、微分控制量，u即为PID控制器的输出控制量。位置式PID算法的控制量计算如下所示：

式中K

Δu(k)＝u(k)-u(k-1)

＝K

式中e(k)、e(k-1)和e(k-2)分别对应当前误差以及之前两次误差值，其输出量Δμ＝[Δx，Δy，Δz]为对上一次控制量的增量。所述增量通过数控系统的TCP通讯实时补偿进机床NC程序插补后的运动控制量，具体如下所示：

式中，P

步骤S3：将补偿参数传入数控系统，根据补偿参数实时补偿机床刀尖点空间位置。

本实例如图4所示，图中四个点位置为激光干涉跟踪仪规划站位，箭头表示四台激光干涉跟踪仪指向靶标镜。激光干涉跟踪仪通过靶标镜所反射的激光与自身所发射的激光形成干涉获得靶标镜与激光干涉跟踪仪测量原点的位移量。图中四台干涉跟踪仪均可随着机床末端的靶标镜进行跟随运动。

本实例在数控系统的闭环控制模型基础上设计基于机床末端运动的坐标控制模型，首先对测量场所测得的末端运动数据进行滤波，排除异常测量值。然后控制器对其进行快速的解算，获得各个坐标的实时控制量。接着在数控系统的二次开发的基础上通过实时变量将控制量传入数控系统中，最终数控系统根据传入的实时变量实现机床末端运动的闭环控制。

通过本发明所提出的方法和系统，能够同时对机床运动的固定误差与随机误差进行补偿，使机床末端的运动精度接近激光干涉跟踪仪所构建测量场的测量精度。通过数控系统的二次开发，将测量场模块与机床模块进行集成，使系统具有高度的自动化与控制性能。

本发明还提供一种基于激光干涉跟踪仪测量场的机床末端动态精度实时跟踪测量与闭环控制系统，所述基于激光干涉跟踪仪测量场的机床误差补偿系统可以通过执行所述基于激光干涉跟踪仪测量场的机床误差补偿方法的流程步骤予以实现，即本领域技术人员可以将所述基于激光干涉跟踪仪测量场的机床误差补偿方法理解为所述基于激光干涉跟踪仪测量场的机床误差补偿系统的优选实施方式。

一种基于激光干涉跟踪仪测量场的机床末端动态精度实时跟踪测量与闭环控制系统，包括：

模块M1：根据激光干涉跟踪仪测量场测得机床刀尖点实际位置与标准位置，获取机床刀尖点运动时的空间位置误差数据。

模块M2：建立机床误差补偿参数模型，将误差数据输入模型中生成机床的补偿参数；具体包括以下子模块：

模块M2.1：对误差数据进行检查，排除异常数据和噪点数据；

模块M2.2：将刀尖点空间位置坐标与理论位置比较获取所需补偿目标值，所述补偿目标值为理论位置与所测实际位置的差值；

模块M2.3：通过机床空间误差模型求解与分离，计算出机床运动轴所需补偿值；

模块M2.4：根据控制算法，计算数控系统当前的补偿参数。

所述补偿值采用PID控制器对数控系统进行补偿，位置式PID算法的控制量计算如下所示：

式中K

式中K

Δu(k)＝u(k)-u(k-1)

＝K

式中e(k)、e(k-1)和e(k-2)分别对应当前误差以及之前两次误差值，其输出量Δμ＝[Δx，Δy，Δz]为对上一次控制量的增量。所述增量通过数控系统的TCP通讯实时补偿进机床NC程序插补后的运动控制量，具体如下所示：

式中，P

模块M3：将补偿参数传入数控系统，根据补偿参数实时补偿机床刀尖点空间位置。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，例如可以是硬盘，U盘等，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的基于激光干涉跟踪仪测量场的机床误差补偿方法的步骤。

本发明还提供一种设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的基于激光干涉跟踪仪测量场的机床误差补偿方法的步骤。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。