CN117182507A

CN117182507A - 一种数控机床a轴安装误差的补偿方法

Info

Publication number: CN117182507A
Application number: CN202311479060.1A
Authority: CN
Inventors: 叶梦传; 李欢; 周庆华; 高钦; 阳鹏
Original assignee: Hunan Zdcy Cnc Equipment Co ltd
Current assignee: Hunan Zdcy Cnc Equipment Co ltd
Priority date: 2023-11-08
Filing date: 2023-11-08
Publication date: 2023-12-08
Anticipated expiration: 2043-11-08
Also published as: CN117182507B

Abstract

本发明公开了一种数控机床A轴安装误差的补偿方法，包括：S100，设置量具、测量仪器；S200，控制A轴摆动不同角度，并在A轴处于不同角度的情况下驱动B轴移动，控制所述测量仪器对接所述量具，根据每次A轴的摆动角度以及在对应角度下所述测量仪器对接所述量具的移动数据，获得A轴与B轴轴心的安装误差及沿Y方向所述测量仪器到A轴轴心的距离；S300获得补偿量。本发明可以方便、快捷的计算出B轴相对于A轴的安装误差，能够提高加工精度，并且适用于多种轴系布置的数控机床，适于推广使用。

Description

一种数控机床A轴安装误差的补偿方法

技术领域

本发明涉及数控机床主轴精度补偿技术领域，特别涉及一种数控机床A轴安装误差的补偿方法。

背景技术

在数控机床设计时，A轴（刀架回转轴）的回转中心通常是与B轴(刀具回转轴)的回转中心共面的，但是在实际的生产装配过程中，A轴的回转中心与B轴的回转中心存在一定的安装误差(偏心距)，导致A轴转动时，刀具的实际位置和理论位置存在一定的误差。

在现有技术中，对于数控机床A轴安装误差的测量，通常是拆掉机床的外防护后，在机床上寻找精度较高的安装面作为基准面，分别测量A轴回转中心和B轴回转中心到该基准面的距离，进而换算出A轴的安装误差。该方法费时、费力，且精度不高，不利于机床精度的定期校正。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种数控机床A轴安装误差的补偿方法，能够方便、准确地测量数控机床A轴的安装误差并进行相应地补偿，从而提高加工精度，且适于推广使用。

根据本发明实施例的数控机床A轴安装误差的补偿方法，包括以下步骤：

S100，在数控机床上设置量具，在B轴上设置测量仪器；

S200，控制A轴摆动不同角度，并在A轴处于不同角度/>的情况下驱动B轴沿自身轴向的Y方向移动，从而控制所述测量仪器沿Y方向移动至对接所述量具，根据每次A轴的摆动角度/>以及在对应角度/>下所述测量仪器对接所述量具的移动数据，获得A轴与B轴轴心的安装误差/>及沿Y方向所述测量仪器到A轴轴心的距离/>；

S300，根据A轴的安装误差获得补偿量。

根据本发明实施例的数控机床A轴安装误差的补偿方法，至少具有如下有益效果：

采用上述步骤的数控机床A轴安装误差的补偿方法，先在B轴上设置测量仪器，再通过控制A轴的摆动角度以及在每个角度下测量仪器沿Y方向移动至对接量具时的行走距离，由于在摆动过程中A轴轴心以及量具位置均固定，因此在摆动角度前与摆动角度后的测量仪器沿Y方向移动的相对距离会与摆动角度成一定几何关系，通过解析该几何关系即可得到A轴与B轴轴心的安装误差及沿Y方向所述测量仪器到A轴轴心的距离/>，再基于安装误差进行坐标补偿即可。本发明只需要设置单一测量仪器，再控制A轴摆动即可通过数控机床的***自动计算出所要结果，方便、快捷，并且计算结果准确可靠，能够提高加工精度，并且适用于多种轴系布置的数控机床，适于推广使用。可以理解的是，当数控机床的B轴上已经设置有测针的时候，可以将之替代测量仪器。

根据本发明的一些实施例，在步骤S200中，至少进行三个角度下的移动测量，从而至少采集三次移动数据，通过摆动的角度值及所述测量仪器在Y方向对应移动的相对距离来建立A轴与B轴轴心的安装误差/>及沿Y方向所述测量仪器到A轴轴心的距离/>的二元一次方程组并计算求解。

根据本发明的一些实施例，步骤S200具体包括：

S201，在A轴角度为初始角时，控制所述测量仪器沿Y方向移动至对接所述量具，记录此时Y轴坐标值Y=/>；

S202，控制A轴摆动角度，控制所述测量仪器沿Y方向移动至对接所述量具，记录此时Y轴坐标值Y=/>；

S203，控制A轴摆动角度，控制所述测量仪器沿Y方向移动至对接所述量具，记录此时Y轴坐标值Y=/>；

S204，计算三次Y轴移动的相对距离，表示为、/>，其中/>表示从角度/>摆动至/>后，所述测量仪器在Y方向移动的相对距离，/>表示从角度/>摆动至/>后，所述测量仪器在Y方向移动的相对距离；

S205，建立与/>、/>、/>、/>及/>与/>、/>、/>、/>的二元一次方程组并求解、/>。

根据本发明的一些实施例，控制A轴初始角=0，二元一次方程组的表达式为：

，

得到、/>的表达式为：

，

。

根据本发明的一些实施例，步骤S300包括原坐标保持补偿，具体包括：

S301，采集补偿前A轴的转角及Y方向和竖直Z方向的坐标（/>，/>）；

S302，读取A轴下一旋转角度，并设定补偿后的坐标为（/>，/>）；

S303，计算造成的Y方向和Z方向产生的定位误差/>、/>，具体表达为：

，

S304，对A轴旋转角度后的坐标进行补偿，表达式为：

。

根据本发明的一些实施例，在每次控制A轴摆动之前，先控制所述测量仪器沿Y方向回退到安全位置。

根据本发明的一些实施例，所述测量仪器设置为千分表，所述测量仪器对接所述量具的触发条件为千分表读数为0。

根据本发明的一些实施例，所述测量仪器每次对接所述量具的同一端面。

根据本发明的一些实施例，所述数控机床包括：

床身；

立柱，设于所述床身；

Z轴移动导轨，能够沿竖直Z方向移动地设于所述立柱，所述A轴水平设于所述Z轴移动导轨的移动端；

刀架，能够沿Y方向移动地设于所述A轴，所述B轴设于所述刀架。

根据本发明的一些实施例，所述B轴设有刀具，所述刀架在所述B轴的一端设有主轴电机，所述测量仪器设于所述刀具远离所述主轴电机的一端。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明所应用的一种数控机床的结构示意图；

图2为图1所示应用的数控机床的另一视角示意图；

图3为A轴摆动角度与测量仪器沿Y方向移动至对接量具的一种位置关系示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，多个指的是两个以上。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

为此，参照图1至图3，本发明实施例提出一种数控机床A轴安装误差的补偿方法，主要包括以下步骤：

S100，先在数控机床上设置量具103，并在B轴上设置测量仪器107；

S200，控制A轴摆动不同角度，并在A轴处于不同角度/>的情况下驱动B轴沿自身轴向的Y方向移动，从而控制测量仪器107沿Y方向移动至对接量具103，根据每次A轴的摆动角度/>以及在对应角度/>下测量仪器107沿Y方向移动对接量具103的移动数据，获得A轴与B轴轴心的安装误差/>及沿Y方向测量仪器107到A轴轴心的距离/>；

S300，根据A轴的安装误差造获得补偿量。

在上述步骤中，量具103既可以采用量棒，也可以采用量块，只需要能够为测量仪器107提供一个精度高的被测基准，确保每一次测量仪器107移动对接的位置固定即可。由于量具103是提供一个精度高、相对于数控机床保持三维坐标固定的被测基准，因此其实际的安装位置以及安装形式可以根据数控机床的实际结构进行灵活调节。比如直接安装在数控机床的床身100上。又比如在床身100上设置有能够沿直线轴移动或者旋转轴转动的立柱101、A轴与B轴均设于立柱101上的时候，可以将量具103设置在立柱101上，这样在进行步骤S200测量计算的过程中，不论A轴转动多少角度、测量仪器107沿Y方向移动多少距离，量具103始终相对于A轴轴心保持固定，确保变量只有A轴的摆动角度以及在对应摆动角度下测量仪器107沿Y方向的移动数据。而量具103的安装形式，既可以是固定安装，也可以是摆动设置，从而在非测量阶段摆动至退出数控机床的加工区域。采用上述步骤的数控机床A轴安装误差的补偿方法，先在B轴上设置测量仪器107，再通过控制A轴的摆动角度以及在每个角度下测量仪器107沿Y方向移动至对接量具103时的行走距离，由于在摆动过程中A轴轴心以及量具103位置均固定，因此在摆动角度前与摆动角度后的测量仪器107沿Y方向移动的相对距离会与摆动角度成一定几何关系，通过解析该几何关系即可得到A轴与B轴轴心的安装误差及沿Y方向测量仪器107到A轴轴心的距离/>，再基于安装误差分析定位误差并进行坐标补偿即可。本发明只需要设置单一测量仪器107，再控制A轴摆动即可通过数控机床的***自动计算出所要结果，方便、快捷，并且计算结果准确可靠，能够提高加工精度，并且适用于多种轴系布置的数控机床，适于推广使用。可以理解的是，当数控机床的B轴上已经设置有测针的时候，可以将之替代测量仪器107。

在本发明的一些实施例中，在步骤S200中，至少进行三个角度下的移动测量，从而至少采集三次移动数据，通过摆动的角度值及测量仪器107在Y方向对应移动的相对距离来建立A轴与B轴轴心的安装误差/>及沿Y方向测量仪器107到A轴轴心的距离/>的二元一次方程组并计算求解。优选的，在步骤S200中可以只进行三个角度下的移动测量，从而建立包含两个方程的方程组进行解析，以确保最快的测量计算速度。

在本发明的一些实施例中，步骤S200具体包括：

S201，在A轴角度为初始角时，控制测量仪器107沿Y方向移动至对接量具103，记录此时Y轴坐标值Y=/>；

S202，先控制测量仪器107沿Y方向回退至安全位置，再控制A轴摆动角度，之后控制测量仪器107沿Y方向移动至对接量具103，记录此时Y轴坐标值Y=/>；

S203，先控制测量仪器107沿Y方向回退至安全位置，再控制A轴摆动角度，之后控制测量仪器107沿Y方向移动至对接量具103，记录此时Y轴坐标值Y=/>；

S204，计算三次Y轴移动的相对距离，表示为、/>，其中/>表示从角度/>摆动至/>后测量仪器107在Y方向移动的相对距离，/>表示从角度/>摆动至/>后测量仪器107在Y方向移动的相对距离；

为了方便计算，在本发明的一些实施例中，控制A轴初始角=0，二元一次方程组的表达式为：

，

得到、/>的表达式为：

，

。

其中、/>、/>、/>均为已知数据，因此可以快速计算出A轴与B轴轴心的安装误差及沿Y方向测量仪器107到A轴轴心的距离/>。可以理解的是，在/>不为0的情况下，在上述二元一次方程组以及/>、/>的表达式中，/>、/>均需要进行一定转换计算，替换为/>、，具体表达如下：

，

。

步骤S300可以分为刀具的原坐标保持补偿（即刀具发生角度旋转，但坐标保持原位的补偿情况）和下一工步的移动补偿（即刀具坐标发生变化的补偿情况）两种情况的应对。在实际进行数控螺旋锥齿轮的加工中，主要面对的情况是刀具在原坐标位置转动，即A轴旋转但坐标保持固定，属于刀具的原坐标保持补偿，在该情况下，S300具体包括：

S301，采集刀具在补偿前A轴的转角及Y方向和竖直Z方向的坐标（/>，/>）；

S302，读取A轴下一旋转角度，并设定刀具在补偿后的坐标为（/>，/>）；

，

S304，对A轴旋转角度后的坐标进行补偿，其表达式为：

。

在计算补偿之后，再根据补偿后的坐标来进行数控机床相应的移动、转动，确保刀具保持原坐标位置，进而确保加工精度和质量。

在本发明的一些实施例中，测量仪器107设置为千分表，测量仪器107对接量具103的触发条件为千分表读数为0。通过每次控制千分表接触量具103直至读数为0，可以确保每次沿Y方向移动的条件一致性，进而确保计算结果的精准可靠。

可以理解的是，在千分表每次移动接触量具103至读数为0的过程中，千分表每次都抵接量具103的同一端面，以确保结果的精准。

参照图1和图2，在本发明的一些实施例中，数控机床设置有床身100、立柱101、Z轴移动导轨102、A轴、刀架104、B轴、刀具106以及主轴电机105，其中立柱101能够沿X方向移动调节地安装在床身100上。Z轴移动导轨102竖直设置在立柱101的侧面。A轴水平设置在Z轴移动导轨102的移动端。刀架104沿Y方向移动地设置在A轴的端部，B轴设置在刀架104上。刀具106设置在B轴上，主轴电机105设于B轴的一端。量具103设置在床身100上，千分表设置在B轴远离主轴电机105的一端。

其实际工作时的测量及补偿过程的具体方法为：

S100，在床身100上设置量具103，在B轴上刀具106远离主轴电机105的一端设置千分表；

S201，控制A轴初始角度（该角度值通过数控机床的控制***实现），此时Y方向水平，控制千分表沿Y方向移动至对接量具103直至读数为0，记录此时数控机床***中Y轴坐标值Y=/>=64.2358mm；

S202，先控制千分表沿Y方向回退至安全位置，再控制A轴摆动角度，之后控制千分表沿Y方向移动至对接量具103的同一端面至读数为0，记录此时数控机床***中Y轴坐标值Y=/>=69.9592mm；

S203，先控制测量仪器107沿Y方向回退至安全位置，再控制A轴摆动角度，之后控制千分表沿Y方向移动至对接量具103同一端面至读数为0，记录此时数控机床***中Y轴坐标值Y=/>=78.0466mm；

S204，计算三次Y轴移动的相对距离，表示为：

=69.9592-64.2358=5.7234mm，

=78.0466-64.2358=13.8103mm，

其中表示从角度/>摆动至/>后测量仪器107在Y方向移动的相对距离，/>表示从角度/>摆动至/>后测量仪器107在Y方向移动的相对距离；

S205，建立与/>、/>、/>、/>及/>与/>、/>、/>、/>的二元一次方程组，具体如下：

，

将上述数据代入上述表达式得到以下表达式：

，

通过求解得到、/>的表达式如下：

，

代入数据得到以下两个表达式及结果：

，

；

S301，采集刀具106在补偿前A轴的转角=2°，以及刀具106在该转角下数控机床中Y方向和竖直Z方向的坐标（/>，/>），具体为（40，30）；

S302，读取A轴下一旋转角度=15°，设定A轴转动至/>=15°时刀具106保持原坐标的补偿后的坐标为（/>，/>）；

，

代入数据得到以下结果：

；

S304，对A轴旋转角度后的坐标进行补偿，其表达式为：

，

代入数据补偿后，得到补偿后的坐标为（40.0113，29.9983），即在刀具106需要保持原位置的情况下，A轴由2°切换至15°时，数控机床***对应的Y轴坐标和Z轴坐标需要由（40，30）切换为（40.0113，29.9983）。在计算补偿之后，再根据补偿后的坐标来进行数控机床相应的移动、转动，确保加工精度和质量。

需要说明的是，由于A轴由2°切换至15°为一连续转动的过程，因此对于刀具106的坐标调整需要基于前述计算方式实时联动，以确保加工精度和质量。

另外可以理解的是，在下一工步的移动补偿情况下，即刀具106位置需要移动。在这种情形下S300具体包括：

S3001，读取下一工步的A轴转角及刀具106需要移动至的对应坐标（Y0，Z0）；

S3002，计算转角下/>造成的Y方向和Z方向产生的定位误差/>、/>，具体表达为：

；

S3003，对刀具106需要移动至的对应坐标进行补偿，表示为（Y1，Z1），其中，

；

S3004，根据补偿的坐标进行刀具106移动控制。

结合图1，可以理解的是，由于重力作用，在相应的配合间隙下，B轴的回转中心会相对于A轴的回转中心向下偏移，因此在上述计算中，均采用负值。若是在其他情形下，、/>可以根据实际情形设置为正值或负值，并不局限于上述表达式的正负。

需要说明的是，由于A轴转动至是连续过程，因此若是初始阶段，直接控制刀具106移动至补偿后的坐标即可。

综上所述，采用本发明的数控机床A轴安装误差的补偿方法，可以快速准确地测量计算出B轴回转中心与A轴回转中心的安装误差，对刀具106坐标实现精确补偿，确保加工质量。测量仪器107和量具103在完成安装误差的测量之后即可进行拆除。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims

1.一种数控机床A轴安装误差的补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100，在数控机床上设置量具，在B轴上设置测量仪器；

S300，根据A轴的安装误差获得补偿量；

在步骤S200中，至少进行三个角度下的移动测量，从而至少采集三次移动数据，通过摆动的角度值及所述测量仪器在Y方向对应移动的相对距离来建立A轴与B轴轴心的安装误差/>及沿Y方向所述测量仪器到A轴轴心的距离/>的二元一次方程组并计算求解；

步骤S200包括：

S204，计算三次Y轴移动的相对距离，表示为、/>，其中/>表示从角度/>摆动至/>后，所述测量仪器在Y方向移动的相对距离，/>表示从角度/>摆动至后，所述测量仪器在Y方向移动的相对距离；

S205，建立与/>、/>、/>、/>及/>与/>、/>、/>、/>的二元一次方程组并求解/>、；

控制A轴初始角=0，二元一次方程组的表达式为：

，

得到、/>的表达式为：

，

；

步骤S300包括原坐标保持补偿：

S303，计算造成的Y方向和Z方向产生的定位误差/>、/>，表达为：

，

S304，对A轴旋转角度后的坐标进行补偿，表达式为：

。

2.根据权利要求1所述的数控机床A轴安装误差的补偿方法，其特征在于，在每次控制A轴摆动之前，先控制所述测量仪器沿Y方向回退到安全位置。

3.根据权利要求1所述的数控机床A轴安装误差的补偿方法，其特征在于，所述测量仪器设置为千分表，所述测量仪器对接所述量具的触发条件为千分表读数为0。

4.根据权利要求3所述的数控机床A轴安装误差的补偿方法，其特征在于，所述测量仪器每次对接所述量具的同一端面。