專(zhuān)利名稱(chēng)：用于在數(shù)控機(jī)床上補(bǔ)償靜態(tài)誤差的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在通用機(jī)械上，尤其是數(shù)控機(jī)床上實(shí)現(xiàn)靜態(tài)誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ê拖到y(tǒng)?？梢詰?yīng)用本發(fā)明的其它種類(lèi)機(jī)械例如是測(cè)量設(shè)備、各種銑床、電浸蝕設(shè)備、等離子加工設(shè)備和噴水加工設(shè)備。
數(shù)控機(jī)床在通過(guò)充分的校正運(yùn)行安裝之后，在某一段運(yùn)行之后，顯示的加工位置已不再對(duì)應(yīng)于由機(jī)載控制所提供的那些加工位置。這些位置誤差不是由于機(jī)床上傳輸系統(tǒng)的錯(cuò)誤運(yùn)行，而是由于機(jī)床車(chē)身錯(cuò)誤的幾何形狀、裝配誤差、或者象在運(yùn)行期間基座下沉、損壞、碰撞等其它原因所造成。由于在控制所要求的位置和機(jī)床所到達(dá)的實(shí)際位置之間的這些偏差，有必要進(jìn)行機(jī)床的重新校正以使機(jī)床恢復(fù)到安裝時(shí)的“理想”初始狀態(tài)。
然而，迄今為止，這些重新校正很少實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗鼈冃枰褂冒嘿F的測(cè)量?jī)x器。因此，它們的應(yīng)用已被局限于其中最終的產(chǎn)品成本和需要的精度容許其應(yīng)用的領(lǐng)域，例如航空和航海發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域。
對(duì)于校正測(cè)量，在現(xiàn)有技術(shù)中一個(gè)理論上可能的交換是使用一個(gè)激光干涉儀，這是一臺(tái)成本低廉的儀器。然而，由于這些重新校正需要進(jìn)行大量的測(cè)量(大約數(shù)千次)，對(duì)于每次測(cè)量干涉儀必須使用大約半個(gè)小時(shí)以便激光束對(duì)準(zhǔn)反射鏡，因此要重新校正一臺(tái)機(jī)床需要幾個(gè)月時(shí)間。
因此，在現(xiàn)有技術(shù)中目前沒(méi)有合適的裝置或系統(tǒng)使重新校正的機(jī)床能實(shí)現(xiàn)所謂的靜態(tài)誤差補(bǔ)償(SEC)。
本發(fā)明的目的是通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單、快速和低廉的程序提供使靜態(tài)誤差補(bǔ)償(SEC)應(yīng)用于通用機(jī)械，尤其是數(shù)控機(jī)床的一種方法和一個(gè)系統(tǒng)，來(lái)解決前面的技術(shù)問(wèn)題。
如從下列說(shuō)明將變得清楚的本發(fā)明的上述目的和其它目的及優(yōu)點(diǎn)借助于一種方法和一個(gè)系統(tǒng)被獲得，以實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1和5所分別要求的SEC；本發(fā)明的最佳實(shí)施例和變型在從屬權(quán)利要求中被要求。
本發(fā)明通過(guò)作為非限制性的實(shí)例給出的一些最佳實(shí)施例，根據(jù)附圖，被更好地說(shuō)明，其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明系統(tǒng)的一個(gè)最佳實(shí)施例的框圖；圖1A是圖1中實(shí)施例的更詳細(xì)的框圖；圖2是圖1中系統(tǒng)的測(cè)量激光裝置的透視剖視圖；圖3是數(shù)控銑床的前透視圖，它可能是本發(fā)明系統(tǒng)的一部分；及圖4表示在本發(fā)明的方法中利用的誤差矩陣的應(yīng)用實(shí)例。
根據(jù)圖1，要執(zhí)行靜態(tài)誤差補(bǔ)償(SEC)的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)用的實(shí)施例被表示。在圖1中，參考數(shù)字1表示一臺(tái)傳統(tǒng)類(lèi)型的數(shù)控機(jī)床，3表示作用于機(jī)床1以便控制它的運(yùn)行的控制裝置，而5表示安裝在數(shù)控雙旋光頭上的測(cè)量激光裝置。這個(gè)高層圖可以通過(guò)在圖1A中的排列更詳細(xì)地被表示；其中參考數(shù)字1表示傳統(tǒng)類(lèi)型的數(shù)控機(jī)床；3表示作用于機(jī)床1以便控制它的運(yùn)行的控制裝置；3’表示在控制裝置3內(nèi)部的一個(gè)靜態(tài)誤差補(bǔ)償模塊；4表示在控制裝置3和第二測(cè)量系統(tǒng)5之間的一個(gè)接口，測(cè)量系統(tǒng)5通常包括安裝在數(shù)控雙旋光頭上的一個(gè)測(cè)量激光裝置。測(cè)量激光裝置5通過(guò)模塊4被連接到控制裝置3，通過(guò)它交換涉及本發(fā)明方法的信息和數(shù)據(jù)。
就在本文件中使用的術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，根據(jù)圖1A，SEC補(bǔ)償模塊3使用所謂的“誤差模型”，即“一個(gè)空間網(wǎng)格的體元(voxel)”(將在下文敘述的術(shù)語(yǔ))和與此相關(guān)聯(lián)的相關(guān)誤差，以便在目前的機(jī)床1的位置產(chǎn)生誤差(補(bǔ)償步驟)。
相反，接口4使用所謂的“誤差表格”，即需要?jiǎng)?chuàng)造所謂的“誤差矩陣”根據(jù)由三對(duì)參考值描述的它的自由度用于檢驗(yàn)的機(jī)身位置的一個(gè)數(shù)據(jù)表格。而術(shù)語(yǔ)“誤差矩陣”意味著根據(jù)從坐標(biāo)系描述的機(jī)體的剛性旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換誤差(也見(jiàn)圖4)表示自由度的一個(gè)矩陣，該坐標(biāo)系符合Denavit和Hartemberg協(xié)定。這樣的矩陣僅在它目前的位置根據(jù)從上述的三個(gè)局部參考值所描述的自由度描述上述機(jī)身狀態(tài)。
因此，如上面所見(jiàn)的，接口4對(duì)于每個(gè)軸線(xiàn)位置(實(shí)際上只為將來(lái)體元(voxels)的頂點(diǎn)(vertexes)使用誤差表格計(jì)算用于每個(gè)Denavit和Hartemberg參考系統(tǒng)的誤差矩陣。通過(guò)在本文獻(xiàn)中所述的程序(由動(dòng)態(tài)的Denavit和Hartemberg理論得出)它建立了用于那些確定的軸線(xiàn)位置的機(jī)床的總靜態(tài)誤差。用這種方式，它在下面將被敘述的校正或誤差模型的產(chǎn)生步驟中建立了誤差模型。
圖2是發(fā)明的系統(tǒng)中測(cè)量激光裝置5的透視剖視圖。所示的裝置5是由Leiea AG公司制造的LTD500型裝置，而其它的等效裝置，不僅在操作原理方面(例如，基于光度學(xué)原理的系統(tǒng))而且在形態(tài)方面(遠(yuǎn)程非接觸傳感器)，可在市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)的裝置可同樣有效地應(yīng)用。測(cè)量激光裝置5實(shí)際上包括在圖2中被表示的與裝置5分開(kāi)的反光鏡7，因?yàn)樗环旁谝粶y(cè)量的物體上。在檢驗(yàn)時(shí)，反光鏡7被放在機(jī)床1的工具卡頭9上。裝置5進(jìn)一步包括，包含由發(fā)動(dòng)機(jī)11操縱以便繞圖2中的第一軸線(xiàn)A旋轉(zhuǎn)的編碼器9’的測(cè)量頭8，和由發(fā)動(dòng)機(jī)15操縱以便繞垂直于第一軸線(xiàn)A的第二軸線(xiàn)B旋轉(zhuǎn)的編碼器13。進(jìn)一步還提供有位置檢測(cè)器17，光束分離器19，干涉儀21和絕對(duì)距離儀23。上面提到的元件對(duì)于所示的產(chǎn)品是標(biāo)準(zhǔn)的并且它們的運(yùn)行只是簡(jiǎn)短地被敘述，用于更好地理解本發(fā)明。
裝置了使用它自己的測(cè)量頭8繞與傾斜的鏡19相耦合的二個(gè)軸線(xiàn)A和B旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)通常基于極點(diǎn)確定方法，即激光束的方向和測(cè)量頭8與反光鏡7之間的距離一起被測(cè)量。這些測(cè)量通過(guò)一臺(tái)內(nèi)部計(jì)算機(jī)(未表示)以直到1000次/秒的速度被進(jìn)行并被轉(zhuǎn)換成更普通的笛卡爾坐標(biāo)。激光束沿著它的傳輸路徑直接向后反射到激光頭8上，只要反射器7不移動(dòng)。當(dāng)反射器7移動(dòng)時(shí)，發(fā)射的激光束已不再撞擊反射器7的光學(xué)中心。相反，反射的光束根據(jù)滑動(dòng)速度跟隨平行路徑。這個(gè)平行移動(dòng)在位置檢測(cè)器17上(包括在測(cè)量頭8內(nèi)部的二維位置傳感的光電二極管)通過(guò)電壓測(cè)量被確定并且它被分解成為由干涉儀21完成的距離測(cè)量。為傾斜的反光鏡19計(jì)算的角度修正值被轉(zhuǎn)換成角度信號(hào)并發(fā)送到電機(jī)11，15的放大器(未表示)以便使激光束重新指向反射器7的中心。這個(gè)計(jì)算每秒進(jìn)行3000次，能進(jìn)行任何路徑的連續(xù)跟蹤。由于反光鏡7以平行于反射器7的移動(dòng)角度移動(dòng)激光束，因此最大跟蹤速度不受距離很大影響。類(lèi)似于通常所有的干涉儀，沒(méi)有絕對(duì)的距離可以被確定。有可能只確定距離的變化-即反射器7移向測(cè)量頭8多遠(yuǎn)或移開(kāi)多遠(yuǎn)。為了獲得需要的絕對(duì)距離的測(cè)量以確定極點(diǎn)，測(cè)量必須總是以在其絕對(duì)距離是已知的一個(gè)點(diǎn)上(在本發(fā)明中這個(gè)點(diǎn)被稱(chēng)為“零點(diǎn)”)定位的反射器7開(kāi)始。干涉儀21的計(jì)數(shù)脈沖隨后從這個(gè)開(kāi)始距離加或減以執(zhí)行測(cè)量。
圖3是本發(fā)明可以以非限定的方式作用于其上的數(shù)控機(jī)床1的簡(jiǎn)要透視圖。要被表示的機(jī)床1是由本發(fā)明的申請(qǐng)人改進(jìn)型的銑床，此外連接的控制裝置3(帶有相關(guān)的視頻顯示器25、鍵盤(pán)27和按鈕面板29)，已知的元件例如銑床卡頭9，主軸31和一對(duì)防護(hù)門(mén)33一起被表示。圖3中所示的機(jī)床1是已知結(jié)構(gòu)和運(yùn)行的機(jī)床并且在此將不做進(jìn)一步的敘述。
根據(jù)本發(fā)明由上文所討論的系統(tǒng)實(shí)行的方法現(xiàn)在特別參照?qǐng)D1A將詳細(xì)敘述。
首先通過(guò)模塊4將測(cè)量激光裝置5連接到機(jī)床1的控制裝置3，此后，機(jī)床1的零點(diǎn)通過(guò)模塊4從控制裝置3傳輸?shù)綔y(cè)量激光裝置5被自動(dòng)地完成，以便使它如上文所提到的，通過(guò)測(cè)量來(lái)運(yùn)行。
然后，一個(gè)指令被發(fā)送以獲取機(jī)床1從控制裝置3到測(cè)量激光裝置5的測(cè)量點(diǎn)在這個(gè)測(cè)量點(diǎn)上和被有效地表示的其它點(diǎn)上，對(duì)應(yīng)的控制將在測(cè)量值和存儲(chǔ)值之間進(jìn)行，以完成將來(lái)可能的校正(就是靜態(tài)誤差)。
通過(guò)得到n次的數(shù)值(這里n缺省值為500)和傳遞由此得到的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差(數(shù)據(jù)修正和分散的最佳指數(shù))，測(cè)量激光裝置5隨后完成上述測(cè)量點(diǎn)的自動(dòng)檢測(cè)。如果標(biāo)準(zhǔn)偏差太高，這意味著測(cè)量不穩(wěn)定并且必須通過(guò)消除不穩(wěn)定原因(特別是振動(dòng))或增加取值次數(shù)n被重復(fù)進(jìn)行。
每個(gè)角度自動(dòng)獲取最多在等于4.5÷5秒時(shí)間內(nèi)完成。
一旦具有統(tǒng)一的測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量激光裝置5將關(guān)于這個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過(guò)模塊4發(fā)送到控制裝置3。
前面的發(fā)送指令以取得這個(gè)點(diǎn)，自動(dòng)地檢測(cè)和發(fā)射測(cè)量數(shù)據(jù)m次的步驟對(duì)于他們來(lái)說(shuō)所必需的多個(gè)點(diǎn)被重復(fù)進(jìn)行以進(jìn)行正確而有效的測(cè)量。參數(shù)m取決于機(jī)器的尺寸和要被采樣的誤差的彎曲度。
當(dāng)控制裝置3具有可獲得的所需要的m測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，它繼續(xù)產(chǎn)生機(jī)床1的靜態(tài)誤差模型；通過(guò)這個(gè)一旦確定的模型，將有可能完成靜態(tài)誤差補(bǔ)償(SEC)。
要完成上述的方法，控制裝置3包括目前通過(guò)以C語(yǔ)言編寫(xiě)的軟件程序所開(kāi)發(fā)的一套算法，它能完成-機(jī)床的校正(建立)；及-機(jī)床的靜態(tài)誤差補(bǔ)償，就是其值不受外部因素影響的那些誤差的補(bǔ)償。
就校正而言，如已看到的，下列內(nèi)容被用于數(shù)控程序的組合中機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)和所謂的“第二絕對(duì)測(cè)量系統(tǒng)”，即測(cè)量激光裝置5，其中由干涉儀21發(fā)射的和由雙旋轉(zhuǎn)頭8定向的激光束，在平行于放在機(jī)床1上代替機(jī)床的反射鏡7的傾角(incidence)的方向上被反射。絕對(duì)距離的資料(借助于干涉計(jì)的光束)和雙旋光頭8的定位角度是必要和充分條件以確定放在機(jī)床旁邊的反射器7的絕對(duì)位置。
用上述數(shù)據(jù)，軟件校正程序被啟動(dòng)，它包括下列步驟-確定一套小立方體單元的尺寸(從用于圖像的常用術(shù)語(yǔ)“象元”(pixel)類(lèi)推，本文下面稱(chēng)作“體元”(“voxel”))基于已知的快速傅立葉變換器(FFT)技術(shù)的程序確定用其靠模機(jī)床的運(yùn)行被描述的最小體元尺寸；這可以是機(jī)床軸線(xiàn)位置函數(shù)的一個(gè)值；-獲取靜態(tài)誤差；-采集用于機(jī)床1的工作體積已被分成的所有體元頂點(diǎn)的靜態(tài)誤差值。
該靜態(tài)誤差獲取程序又被分成下列步驟-將參考指令從模塊4中的校正軟件發(fā)到機(jī)床1的控制裝置3；-在機(jī)床1定位后，借助測(cè)量裝置5的校正軟件命令執(zhí)行測(cè)量循環(huán)；-在測(cè)量結(jié)束時(shí)，借助校正軟件，獲取來(lái)自機(jī)床1上的測(cè)量系統(tǒng)和來(lái)自測(cè)量裝置5的測(cè)量值；-記錄，在前面的步驟中作為相對(duì)于機(jī)床1的控制裝置3的預(yù)先控制參考值的靜態(tài)誤差值，所測(cè)量的值之間的差；-發(fā)出相對(duì)于新參考值的指令。
如所能見(jiàn)到的，校正軟件在這個(gè)步驟中實(shí)際上完成了預(yù)先指出的方法步驟。
該目的在于建立誤差模型，即獲得用于所有體元頂點(diǎn)，包括描述機(jī)床工作區(qū)域的空間網(wǎng)格的靜態(tài)誤差值。
要做到這點(diǎn)，在校正程序中，用于體元頂點(diǎn)的靜態(tài)誤差值的收集，作為一種交換，或通過(guò)檢測(cè)在機(jī)床1的工作范圍內(nèi)所有體元頂點(diǎn)的這些值，或通過(guò)應(yīng)用下列策略，被完成-總是通過(guò)上面的檢測(cè)循環(huán)，僅獲取足夠點(diǎn)數(shù)的靜態(tài)誤差值，用這樣一種方式收集需要的信息以了解每個(gè)單一機(jī)床軸線(xiàn)的運(yùn)行情況。
因此理論基礎(chǔ)是控制裝置3根據(jù)理想的笛卡兒運(yùn)動(dòng)控制機(jī)床1。實(shí)際上每個(gè)軸上裝有更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樗◣缀握`差(見(jiàn)圖4)。因此目標(biāo)是了解每個(gè)軸的真實(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(機(jī)器的自由度)(及隨后的真實(shí)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換(圖4))并動(dòng)態(tài)地控制它們以重建機(jī)床在任意位置假設(shè)的誤差，其中它引導(dǎo)“該機(jī)床”(或工藝驅(qū)動(dòng)器)。
這個(gè)方案的發(fā)展具有了在定向機(jī)器人運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的解決方案的數(shù)學(xué)理論方面的基礎(chǔ)，基于Denavit和Hartemberg方法(1955)，能將由用于機(jī)床1的某一軸局部三數(shù)組(三個(gè)參考值)所描述的每一個(gè)點(diǎn)，通過(guò)在對(duì)于該軸的局部三數(shù)組鏈之間的矩陣乘積，轉(zhuǎn)換成絕對(duì)參考系統(tǒng)。通過(guò)將每個(gè)局部三數(shù)組與參考的該軸的自由度相結(jié)合，有可能通過(guò)這組矩陣的乘積去描述從任何一個(gè)這樣的三數(shù)組所描述的任何點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。本下文中一個(gè)簡(jiǎn)明的應(yīng)用例子將為Denavit和Hartemberg方法所提供，假設(shè)三數(shù)組j-1和三數(shù)組j分別作為帶有它們的自由度的軸j-1和軸j整體的局部參考系統(tǒng)。用這些假設(shè)，三數(shù)組j的位置可以借助三數(shù)組j-1通過(guò)能由下列矩陣被說(shuō)明的一個(gè)矢量所描述變換矩陣j→j-1cos(θj)-sin(θj)·cosαjsin(θj)·sin(αj)aj·cos(θj)sin(θj)cos(θj)·cos(αj)-cos(θj)·sin(αj)aj·sin(θj)0sin(αj)cos(αj)dj0001]]>這里θ是j的自由度。
通過(guò)預(yù)相乘說(shuō)明關(guān)于三數(shù)組j所描述的一個(gè)點(diǎn)的位置的矢量，用于變換矩陣j→j-1，獲得說(shuō)明由三數(shù)組j-1所描述的這個(gè)點(diǎn)的位置的一個(gè)矢量。這組變換矩陣的乘積能通過(guò)再上升成為被檢驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)鏈?zhǔn)挂粋€(gè)局部的參考值變換成一個(gè)總的參考值。
隨后，靠模機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)被說(shuō)明，通過(guò)插入，將誤差組合到上面那組乘積，將機(jī)床點(diǎn)在每個(gè)矩陣變換之前變換成一個(gè)“誤差矩陣”的絕對(duì)參考系統(tǒng)，誤差矩陣說(shuō)明由軸的移動(dòng)所產(chǎn)生的靜態(tài)誤差，由其所述的矩陣為上述軸(或自由度)的某一位置所聯(lián)結(jié)。
在一種與變換矩陣的相同的方式中，誤差矩陣取決于它參考的軸的位置值，它設(shè)法只說(shuō)明軸的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換誤差。如前面所提到的，只有必要點(diǎn)的測(cè)量適于提供必要的信息以了解每單個(gè)機(jī)床軸的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)這種方法，能夠計(jì)算在機(jī)床工作區(qū)域的任何點(diǎn)和在體元頂點(diǎn)的靜態(tài)誤差值。
根據(jù)圖4，將更詳細(xì)地說(shuō)明怎樣對(duì)每個(gè)自由度位置，能創(chuàng)立/組合誤差矩陣。如已敘述的誤差矩陣就是，根據(jù)預(yù)定的參考系統(tǒng)，在根據(jù)一自由度的某一預(yù)定位置上要說(shuō)明裝有該自由度的機(jī)體旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換誤差的那組必要信息。根據(jù)Denavit和Hartemberg協(xié)議，適合定位的參考系統(tǒng)描述和描述了檢驗(yàn)的機(jī)身的自由度。根據(jù)這個(gè)機(jī)體的位置，誤差矩陣產(chǎn)生了。要產(chǎn)生誤差矩陣的必要信息包含于一個(gè)誤差表格。
如圖4所示，所表示的機(jī)體裝有由在圖中表示的局部三數(shù)組所說(shuō)明和描述的一個(gè)自由度。局部三數(shù)組的z軸識(shí)別該自由度。Dy和Dz表示用于這個(gè)機(jī)體的靜態(tài)誤差。這些誤差是高度z的函數(shù)。明顯地，也存在一個(gè)Dz，未在圖中表示。
在高度Z有確定的點(diǎn)數(shù)，這個(gè)誤差的資料能夠填入誤差表格，象在表I中表I
已知高度Z能在誤差表格中搜索必要的信息以根據(jù)涉及自由度的局部三數(shù)組重建檢驗(yàn)機(jī)體的真實(shí)位置。
這些信息通過(guò)Denavit和Hartemberg協(xié)議被轉(zhuǎn)換成矩陣。因此，誤差矩陣相對(duì)于檢驗(yàn)機(jī)身的目前的Z位置被創(chuàng)建。
通過(guò)預(yù)相乘所獲得的用于變換矩陣的誤差矩陣，能在絕對(duì)參考系統(tǒng)中變換誤差。這個(gè)變換能進(jìn)一步根據(jù)角度誤差考慮軸線(xiàn)位置的杠桿作用。
通過(guò)這個(gè)程序，然后能說(shuō)明在一個(gè)開(kāi)放的運(yùn)動(dòng)鏈中的誤差。用于那個(gè)功能的必要條件就是用于單一軸線(xiàn)的單一誤差矩陣僅說(shuō)明關(guān)于這個(gè)軸的誤差，也就是好象機(jī)床的其它自由度沒(méi)有誤差。換句話(huà)說(shuō)，這是運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的幾何誤差分解。用于這個(gè)分解的基礎(chǔ)是確定誤差的原因。
一旦這個(gè)是已知的，那么實(shí)際上能估算(就是沒(méi)有執(zhí)行直接的測(cè)量而是簡(jiǎn)單地采用了前面說(shuō)明的程序)在機(jī)床上的任何位置上的靜態(tài)誤差值。這個(gè)程序隨后被采用以計(jì)算在所有以誤差模型(需要在圖1中用于補(bǔ)償步驟的模塊3)這樣的方式建立的體元頂點(diǎn)中的誤差值。
就機(jī)床1的靜態(tài)誤差補(bǔ)償來(lái)說(shuō)，能夠完成它的軟件程序以這樣的方式被建立，以便包括含有在機(jī)床1的某一位置上的靜態(tài)誤差值的誤差模型；根據(jù)這個(gè)表格，程序能用足夠的速度計(jì)算并由此補(bǔ)償機(jī)床的靜態(tài)誤差。補(bǔ)償速度是足以使補(bǔ)償模塊在一個(gè)有用的周期內(nèi)能夠完成靜態(tài)誤差補(bǔ)償，這樣使得根據(jù)缺少補(bǔ)償?shù)那闆r使機(jī)床產(chǎn)生更好的幾何運(yùn)行狀態(tài)。
根據(jù)前面規(guī)定的“足夠速度”的概念，補(bǔ)償模塊獲取機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)的值和根據(jù)包含于誤差模型中的值處理對(duì)應(yīng)于通過(guò)獲取提供的目前機(jī)床位置的靜態(tài)誤差值。
程序和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下誤差模塊以分別的方式說(shuō)明機(jī)床1在它的工作空間內(nèi)的誤差。因此它在于對(duì)于其頂點(diǎn)的一個(gè)空間格/柵，機(jī)床1的靜態(tài)誤差值是可利用的，如果機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)指出該機(jī)床在這個(gè)點(diǎn)被定位。隨后機(jī)床的工作區(qū)域“進(jìn)行分割”成為一組體元，對(duì)于所有體元，在八個(gè)頂點(diǎn)的誤差值如前面提到的可精確的利用。
因此，根據(jù)從前面的步驟已知的機(jī)床的真實(shí)位置，補(bǔ)償模塊搜索包含這個(gè)點(diǎn)的體元。一旦這個(gè)體元的地址是已知的，它通過(guò)線(xiàn)性插入法計(jì)算在實(shí)際重要的點(diǎn)上的靜態(tài)誤差值，從用于體元頂點(diǎn)的八個(gè)可利用的值開(kāi)始并了解其機(jī)床的位置。
最后，濾除操作被執(zhí)行，以避免在利用補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)行狀態(tài)下突然的變化，并且隨后補(bǔ)償通過(guò)使機(jī)床1定位在由獲取值和預(yù)先處理的值(測(cè)量位置+誤差)的代數(shù)和所給定的一個(gè)點(diǎn)上的空間內(nèi)而被完成。
權(quán)利要求
1.一種用于在機(jī)器上，尤其是數(shù)控機(jī)床上完成靜態(tài)誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ涮卣髟谟谒ㄏ铝胁襟Ea.將激光測(cè)量裝置(5)連接到數(shù)控機(jī)床(1)的控制裝置(3)；b.將所述機(jī)床(1)的0點(diǎn)從所述控制裝置(3)自動(dòng)地發(fā)送到所述激光測(cè)量裝置(5)；c.將用于所述機(jī)床(1)采用的測(cè)量點(diǎn)的一個(gè)指令從所述控制裝置(3)發(fā)送到所述的光測(cè)量裝置(5)；d.借助所述的激光測(cè)量裝置(5)自動(dòng)地檢測(cè)所述測(cè)量點(diǎn)n次之后，從所述點(diǎn)沒(méi)有變化產(chǎn)生；e.將由所述的激光測(cè)量裝置(5)檢測(cè)的關(guān)于所述機(jī)床(1)的所述點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送到所述控制裝置(3)；f.對(duì)m個(gè)測(cè)量點(diǎn)重復(fù)前面從c)到e)的步驟；g.生成所述數(shù)控機(jī)床(1)的靜態(tài)誤差的模型；h.根據(jù)所述的生成模型，執(zhí)行靜態(tài)誤差補(bǔ)償(SEC)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種方法，其特征在于n通常等于500次。
3.如權(quán)利要求1所述的一種方法，其特征在于m取決于機(jī)器尺寸并取決于要被采樣的誤差的彎曲度。
4.如權(quán)利要求1所述的一種方法，其特征在于所述的自動(dòng)檢測(cè)步驟d)在4.5和5秒之間變化的時(shí)間內(nèi)被完成。
5.一種用于在機(jī)械上，尤其是數(shù)控機(jī)床上完成靜態(tài)誤差補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)，其特征在于它包括-一個(gè)數(shù)控機(jī)床(1)；-一個(gè)連接到所述機(jī)床(1)并適于控制所述機(jī)床(1)的運(yùn)行的控制裝置(3)；-安裝在數(shù)控雙旋光頭(8)上的一個(gè)激光測(cè)量裝置(5)，所述的激光測(cè)量裝置(5)被連接到所述控制裝置(3)。
6.如權(quán)利要求5所述的一個(gè)系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)控機(jī)床(1)是一臺(tái)銑床。
7.如權(quán)利要求5所述的一個(gè)系統(tǒng)，其特征在于所述的激光測(cè)量裝置(5)實(shí)際上包括-連接到所述機(jī)床(1)的工具卡頭(9)的一個(gè)反光鏡(7)；-包含由電機(jī)(11)以繞第一軸(A)旋轉(zhuǎn)的方式操作的一個(gè)編碼器(9’)，和由電機(jī)(15)以繞垂直于所述第一軸(A)的第二軸(B)旋轉(zhuǎn)的方式所操作的一個(gè)編碼器(13)的一個(gè)測(cè)量頭(8)；-一個(gè)位置檢測(cè)器(17)；-一個(gè)光束分散器(19)；-一個(gè)干涉儀(21)；及-一個(gè)絕對(duì)距離表(23)。
8.如權(quán)利要求5所述的一個(gè)系統(tǒng)，其特征在于所述的控制裝置(3)包括-校正裝置；及-用于所述機(jī)床(1)的靜態(tài)誤差補(bǔ)償裝置。
9.如權(quán)利要求8所述的一個(gè)系統(tǒng)，其特征在于所述的校正裝置適于完成下列步驟-通過(guò)根據(jù)FFT技術(shù)確定最小體元尺寸的一個(gè)程序，確定體元的尺寸，用其機(jī)床(1)的幾何運(yùn)行被說(shuō)明；-獲取靜態(tài)誤差；-采集用于機(jī)床(1)的工作體積已被分成的所有體元頂點(diǎn)的靜態(tài)誤差值。
10.如權(quán)利要求9所述的一個(gè)系統(tǒng)，其特征在于所述的靜態(tài)誤差獲取程序包括下列步驟-從一個(gè)校正軟件發(fā)出一個(gè)參考指令給機(jī)床(1)的控制裝置(3)；-在機(jī)床(1)定位之后，借助于校正軟件發(fā)出執(zhí)行測(cè)量循環(huán)的命令給測(cè)量裝置(5)；-在測(cè)量結(jié)束時(shí)，借助于校正軟件，獲取來(lái)自機(jī)床(1)承載測(cè)量系統(tǒng)和來(lái)自測(cè)量裝置(5)的測(cè)量值；-記錄在前面的步驟中測(cè)量值之間的差作為相對(duì)于預(yù)先控制的關(guān)于機(jī)床(1)的控制裝置(3)的參考值的靜態(tài)誤差值；及-發(fā)出關(guān)于一個(gè)新參考值的指令。
11.如權(quán)利要求9所述的一個(gè)系統(tǒng)，其特征在于用于體元頂點(diǎn)的所述靜態(tài)誤差采集步驟是通過(guò)檢測(cè)用于在機(jī)床(1)工作范圍內(nèi)所有體元頂點(diǎn)的這些值來(lái)完成的。
12.如權(quán)利要求9所述的一個(gè)系統(tǒng)，其特征在于用于體元頂點(diǎn)的所述靜態(tài)誤差值采集步驟通過(guò)下列步驟被完成-獲取僅用于足夠點(diǎn)數(shù)的靜態(tài)誤差值，以這種方式采集必要的信息以了解機(jī)床(1)的每單個(gè)軸的運(yùn)行狀態(tài)；及-說(shuō)明機(jī)床(1)的幾何運(yùn)行狀態(tài)。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于部分點(diǎn)的所述值的獲取步驟以定向機(jī)器人運(yùn)行問(wèn)題解決方案的數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，并能將由機(jī)床(1)的一個(gè)軸的局部參考三數(shù)組所描述的每個(gè)點(diǎn)，通過(guò)在對(duì)于各個(gè)軸的局部三數(shù)組鏈之間的矩陣乘積，變換成絕對(duì)參考系統(tǒng)，使每個(gè)局部三數(shù)組與所參照的軸的自由度相關(guān)聯(lián)的所述理論通過(guò)這組矩陣乘積，能夠說(shuō)明由任意一個(gè)這樣的三數(shù)組所描述的任何點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。
14.如權(quán)利要求13所述的一個(gè)系統(tǒng)，其特征在于說(shuō)明機(jī)床(1)的幾何運(yùn)行狀態(tài)的所述步驟，通過(guò)在每個(gè)變換矩陣之前將一個(gè)誤差矩陣插入所述那組乘積以將一個(gè)機(jī)床點(diǎn)變換成絕對(duì)參考系統(tǒng)，被完成，所述的誤差矩陣是與所述的變換矩陣相同形式的矩陣并且說(shuō)明由所述矩陣與其相關(guān)聯(lián)的軸的移動(dòng)所產(chǎn)生的靜態(tài)誤差，所述的誤差矩陣是這樣的以便根據(jù)所參照的軸線(xiàn)的位置值，說(shuō)明僅有的軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換誤差。
15.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于機(jī)床(1)的所述靜態(tài)誤差補(bǔ)償裝置包括包含有在機(jī)床(1)的預(yù)定位置內(nèi)的靜態(tài)誤差值的一個(gè)誤差表格，所述的補(bǔ)償裝置能完成下列步驟-根據(jù)所述的誤差表格，計(jì)算并隨后用這樣的補(bǔ)償速度補(bǔ)償機(jī)床(1)的靜態(tài)誤差，以這樣的補(bǔ)償速度，補(bǔ)償裝置能在有用的時(shí)間內(nèi)完成靜態(tài)誤差的補(bǔ)償，以便相對(duì)于沒(méi)有補(bǔ)償?shù)那闆r產(chǎn)生機(jī)床(1)更好的幾何運(yùn)行狀態(tài)；-獲取機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)的值；-根據(jù)包含于所述誤差表格中的值，處理對(duì)應(yīng)于通過(guò)獲取步驟提供的現(xiàn)有機(jī)床位置的靜態(tài)誤差值。
16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的誤差表格以分別的方式說(shuō)明機(jī)床(1)在它的工作體積中的誤差，所述的誤差表格包括一個(gè)空間格/柵，對(duì)于其頂點(diǎn)機(jī)床(1)的靜態(tài)誤差值是可利用的，如果機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)指出機(jī)床在這個(gè)點(diǎn)被定位時(shí)。
17.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于所述補(bǔ)償裝置能夠進(jìn)一步完成下列步驟-使機(jī)床(1)的工作區(qū)域分成一組體元，誤差值可用在所有所述體元的八個(gè)頂點(diǎn)；-根據(jù)機(jī)床(1)的真實(shí)位置，搜索包含這個(gè)點(diǎn)的體元；-通過(guò)線(xiàn)性插入法，計(jì)算在重要點(diǎn)上的靜態(tài)誤差值，從可用于體元頂點(diǎn)的八個(gè)值開(kāi)始并了解其中機(jī)床位置；-過(guò)濾，以便在利用補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)行狀態(tài)下避免突然的變化；以及-補(bǔ)償誤差，所述的補(bǔ)償步驟，通過(guò)將機(jī)床(1)定位在由獲取值和預(yù)先處理值(測(cè)量位置+誤差)的代數(shù)和所給出的一個(gè)點(diǎn)的空間內(nèi)而被完成。
全文摘要
用于在數(shù)控機(jī)床上完成靜態(tài)誤差補(bǔ)償?shù)囊粋€(gè)系統(tǒng)和一種方法被說(shuō)明。該方法包括如下步驟:將一個(gè)測(cè)量激光裝置(5)連接到一臺(tái)數(shù)控機(jī)床(1)上;自動(dòng)地將機(jī)床(1)的0點(diǎn)發(fā)送到激光裝置(5);將采用機(jī)床(1)m測(cè)量點(diǎn)的指令從控制裝置(3)發(fā)送到激光裝置(5);自動(dòng)地檢測(cè)測(cè)量點(diǎn)并從激光裝置(5)發(fā)送合并的數(shù)據(jù)給控制裝置(3);生成機(jī)床(1)的靜態(tài)誤差模型;根據(jù)所述的生成模型執(zhí)行靜態(tài)誤差補(bǔ)償。
文檔編號(hào)G05B19/404GK1308741SQ99808472
公開(kāi)日2001年8月15日 申請(qǐng)日期1999年7月5日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月10日
發(fā)明者吉烏斯佩·莫爾非諾 申請(qǐng)人:菲迪亞公司