专利名称：一种对几何误差进行实时补偿的数字控制方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及计算机数字控制领域，具体是涉及一种对几何误差进行实时补偿的数 字控制方法及系统。
背景技术：
在机械制造业，特别是在机床制造业，如何尽量减小在制造过程中所产生的线位 移误差、角位移误差、反向间隙以及不平行度、不垂直度等几何误差，始终是极富创造性的 技术挑战。数控系统产生以后，采用数字控制技术在控制机械运动时实时进行误差补偿成 为数控系统中的核心技术之现有数控系统采用实时操作系统和插补迭代控制方法对坐标轴的轮廓运动进行 实时控制。插补精度与插补速度是其首要控制目的。为此，在现有数控系统中，位置误差、 反向间隙等与单轴有关的几何误差补偿由进给伺服系统中的嵌入式系统处理，一般采用32 位甚至64位高速DSP器件。这种技术方法对进给伺服系统中的芯片提出了很高的要求；更 重要的是，一旦这些误差发生了变化，这种技术方法需要对进给伺服系统中的嵌入式系统 进行重新调整，不具备开放性。不平行度和不垂直度等几何误差属于多轴之间的轴间误差。一般来说，在一定的 时间内，不平行度、不垂直度、线位移误差、角位移误差、反向间隙等几何误差是一种静态误 差。现有数控系统无法对轴间的不平行度、不垂直度等几何误差进行补偿。轴间的不平行 度、不垂直度等几何误差是现有数控系统的死角。本申请人的在先专利申请《计算机数字控制系统数据流关联控制方法与体系结 构》(中国专利申请号200710124304.9，申请日2007年10月29日)提出一种数据流关 联控制方法即DRC控制方法(Data-stream Related Control)。DRC控制方法取消了插补 迭代控制技术的实时控制功能，取代了现有数控系统中基于实时操作系统以插补迭代控制 算法为核心的控制技术与体系结构。DRC控制方法将开关视为虚拟坐标轴，将工艺参数视为 虚拟坐标轴的坐标值，从而将现有数控系统的多轴联动发展为多轴多参数联动。根据用户 程序，PC系统离线进行数值计算，包括刀具补偿计算、运动轨迹的数值计算，生成数据流和 控制流；对于联动的坐标轴和联动的工艺参数，进一步将数据流生成为“数据流形”，即本申 请所称的关联数据流，并进行局部优化，生成数据流分布矩阵。该控制方法的基本观念是， 所谓数字控制就是用“0”与“1”的数字信息控制产品的制造过程，也就是将控制量离散为 “0”与“1”的数据流。所谓数字控制系统就是对输入数据流进行数字处理以产生所预期的 结果。因而，从数据流的观点来看，任何数字设备都是数据流的合成装置。对于多维数据流， 在每个时序点上，如果数据流之间的“0” “1”信息是相互依存的，这种耦合关系称之为时序 关联性，其“0” “1”分布则称之为该多维数据流在该时序点的状态。相互之间具有时序关 联性的多维数据流称之为关联数据流。DRC控制方法将复杂的多轴联动的插补迭代实时控制问题以及工艺参数的实时控 制问题统统转化为PC系统中离线进行的一个信息处理问题，即多维关联数据流的生成问题。但上述技术方案中未对几何误差提出具体可靠的解决方法。
发明内容
本发明的目的是针对工作机，例如机床本体的几何误差提出一种对几何误差进行 实时补偿的数字控制方法，采用DRC控制方法解决几何误差的补偿问题，以提高控制系统 的精确度和稳定性。本发明还提出了采用上述方法的一种对几何误差进行实时补偿的数字控制系统。本发明的技术方案是，一种对几何误差进行实时补偿的数字控制方法，包括以下 步骤1)根据检测获得的机床本体的几何误差，控制信息制造系统建立结构常数数据库， 所述结构常数数据库包括用于存储轴间几何误差的坐标系参数子库和用于存储单轴几何 误差的精细结构常数子库；2)控制信息制造系统根据坐标系参数生成多维关联数据流；3) 控制信息制造系统根据轴的精细结构常数子库中的单轴几何误差对多维关联数据流进行 修正，生成精细结构多维关联数据流，并进行格式化；4)控制信息制造系统将精细结构多 维关联数据流发送给数据流控制器，用以控制工作机的执行机构动作。进一步的，还包括以下步骤5)控制信息制造系统接受用户指令对结构常数数据 库进行更新。所述步骤2)包括以下步骤2a)控制信息制造系统从结构常数数据库读取坐标系 参数，建立非正交离散坐标系；2b)控制信息制造系统在所述非正交离散坐标系中生成多 维关联数据流。所述轴间几何误差包括轴间不平行度、不垂直度。所述单轴几何误差包括每个轴的线位移误差、角位移误差、反向间隙。一种对几何误差进行实时补偿的数字控制系统，包括控制信息制造系统、与控制 信息制造系统连接的数据流控制器、与数据流控制器连接的工作机，所述控制信息制造系 统设有结构常数数据库，所述结构常数数据库包括用于存储轴间几何误差的坐标系参数子 库和用于存储单轴几何误差的精细结构常数子库，所述控制信息制造系统用于在非正交离 散坐标系中生成精细结构多维关联数据流，所述数据流控制器用于接受精细结构多维关联 数据流，并以设定的格式输出给工作机执行。本发明与现有技术对比所具有的有益效果是1.在现有数控系统中，无法对坐标轴之间的不平行度、不垂直度等几何误差进行 误差补偿，轴间的不平行度、不垂直度等几何误差是现有数控系统的死角。本发明将轴间的 不平行度、不垂直度等几何误差转化为非正交离散坐标系中多维关联数据流的生成问题， 简单有效地消除了不平行度、不垂直度等几何误差。2.轴间的不平行度、不垂直度是机床制造业的关键技术指标之一。在机床制造业， 为减小轴间的不平行度、不垂直度，在设计、加工、工艺装备、装配调试、维修等各方面都提 出了许多技术方法。本发明将轴间的不平行度、不垂直度等几何误差转化为非正交离散坐 标系的坐标系参数，可以随时方便地在结构常数数据库中这些误差值进行修正，在PC系统 中离线完成对不平行度、不垂直度的校正。这是一种简单有效的、开放的技术方法。从此， 轴间的不平行度、不垂直度不再是误差，而是坐标系参数，与功率、行程等一样可列入机床 的规格之中。因此，本发明将对机械制造的设计方法、加工工艺、工艺装备的设计与制造、装
4配调试工艺、维修方法等产生重大影响。3、在现有数控系统中，对于线位移误差、角位移误差、反向间隙等与单轴有关的几 何误差补偿，一般由进给伺服系统中的嵌入式系统处理。这种技术方法对进给伺服系统中 的芯片提出了很高的要求，例如采用32位甚至64位高速DSP器件。更重要的是，一旦这些 几何误差发生了变化，这种技术方法需要对进给伺服系统中的嵌入式系统进行重新调整， 不具备开放性。本发明在PC系统中离线完成对线位移误差、角位移误差、反向间隙等与单 轴有关的几何误差补偿。这种技术方法是开放式的，不仅更加简单，而且显著降低了对进给 伺服系统中的芯片的技术要求。
图1是具体实施方式
的结构示意图；图2是具体实施方式
的流程图。
具体实施例方式在本实施方式中，以先进制造领域中的数控机床作为工作机。如图1所示的一种数控机床的控制系统，包括控制信息制造系统1、数据流控制器 3和数控机床的执行机构4，控制信息制造系统1通过现场总线2与数据流控制器3连接。控制信息制造系统1的硬件平台为一般的PC系统，软件平台为图形界面操作系 统、CAD/CAM系统、通信系统等支持下的控制信息制造平台，用于生成多轴多参数联动的多 维关联数据流并传送给可编程数据流控制器3，由可编程的数据流控制器3完成多维关联 数据流的实时分配发送，数控机床的执行机构4包括开关系统和伺服系统，其中伺服系统 接收并执行多维关联数据流。控制信息制造系统采用DRC控制方法生成关于轮廓控制的多维关联数据流。关于 DRC控制方法可以参看本申请人的在先专利申请《计算机数字控制系统数据流关联控制方 法与体系结构》(中国专利申请号200710124304. 9，申请日2007年10月29日)、《一种工 艺参数关联数据流的实时控制方法》(中国专利申请号=200910106162. 2，申请日2009年 3月23日)。数据流控制器3为可编程的数据流控制器。数据流控制器3采用本申请人的在先 专利申请《一种可重构I/O芯片》(中国专利申请号=200920129919. 5，申请日2009年2月 18日)中提出的可重构I/O芯片。上述申请文件中，数据流关联控制方法是在正交离散坐标系中进行。所述正交离 散坐标系定义为轴的位移量为有理整数、轴的运动方向相互垂直的坐标系。通常的直角坐 标工作台、极坐标工作台等都是正交离散坐标系。针对控制对象即执行机构4的机床本体 的结构常数，本实施方式对DRC控制方法予以进一步改进，以适用于非正交离散坐标系。非 正交离散坐标系定义为轴的位移量为有理整数、轴的运动方向不相互垂直的坐标系。存在 不垂直度的直角坐标工作台是非正交离散坐标系，而车床中主轴与轴向进给轴不平行，因 而两轴的运动方向不垂直，也是非正交离散坐标系。从DRC控制方法的观点来看，轴的线位移误差、角位移误差、反向间隙，以及轴间 的不平行度、不垂直度等，都不是误差，而是构成一个非正交离散坐标系。因而，这些误差的补偿问题转化为在非正交离散坐标系中多维关联数据流的生成问题。这样一来，DRC控制 为轴间的不平行度、不垂直度等几何误差的补偿提供了一种简单有效的技术方法。本实施方式中，将轴的线位移误差、角位移误差、反向间隙，以及轴间的不平行度、 不垂直度等几何误差统统归结为非正交离散坐标系的结构常数。换言之，对于每一台工作 机即控制对象而言，这些误差构成非正交离散坐标系的个性化结构参数，用于描述该工作 机的精细运动结构。因而，在DRC控制技术中，这些误差不再是误差，而是该工作机的结构 常数。DRC控制机在控制信息制造平台上为该工作机建立一个结构常数数据库，并按照该工 作机的结构常数，为该工作机生成个性化的多维关联数据流，即提供个性化服务。结构常数数据库分为两个子库非正交离散坐标系的坐标系参数库和每个轴的精 细结构常数库。其中，坐标系参数库标识轴间的不平行度、不垂直度，也就是标识轴的宏观 运动结构。轴的精细结构常数库标识轴的线位移误差、角位移误差、反向间隙，也就是标识 轴的微观运动结构。一般来说，轴的线位移误差、角位移误差、反向间隙等与轴的位置有关， 是对轴的误差分布。根据误差分布的特征，将轴的位置划分为若干区间，这些区间不一定等 長。对于每一个区间，设定该误差的数值作为精细结构常数，例如以该区间内误差的平均值 作为该区间内的精细结构常数。所以，为应用DRC控制方法对执行机构的几何误差进行补偿，在控制信息制造系 统1中设有结构常数数据库，结构常数数据库包括用于存储轴间几何误差的坐标系参数子 库和用于存储每个轴的几何误差的精细结构常数子库，轴间几何误差如轴间不平行度、不 垂直度等，每个轴的几何误差如线位移误差、角位移误差、反向间隙等。控制信息制造系统1 首先根据坐标系参数子库建立非正交离散坐标系，在该非正交离散坐标中离线生成多维关 联数据流，并根据精细结构常数子库对每个轴的线位移误差、角位移误差、反向间隙进行校 正，生成精细结构多维关联数据流，然后通过现场总线2发送给可编程数据流控制器。可编 程数据流控制器将精细结构多维关联数据流实时分配、发送给执行机构，实时控制工作机 的机械运动，从而对轴的线位移误差、角位移误差、反向间隙，以及轴间的不平行度、不垂直 度等几何误差实时进行补偿。如图2所示，几何误差的实时补偿方法具体包括以下步骤。1)对于给定的工作机，即确定的执行机构4，将检测获得的机床本体的几何误差 输入到控制信息制造系统1，控制信息制造系统1为该工作机建立一个结构常数数据库， 该结构常数库包括两个子库关于多轴之间关系的非正交离散坐标系的坐标系参数子库和 关于单轴误差数值的精细结构常数子库；坐标系参数子库包括轴间的不平行度、不垂直度； 精细结构常数子库包括每个轴在轴的每个位置区间内的线位移误差、角位移误差、反向间 隙等。2)根据该工作机的坐标系参数，控制信息制造系统1建立起该工作机的非正交离 散坐标系。3)控制信息制造系统1在所述非正交离散坐标系中生成多维关联数据流。4)根据该工作机的精细结构常数，控制信息制造系统1离线对所述多维关联数据 流进行校正，生成精细结构多维关联数据流分布矩阵，并进行格式化。5)控制信息制造系统1离线生成DCFS文件，将格式化精细结构多维关联数据流分 布矩阵通过现场总线2发送给可编程数据流控制器3。6)可编程数据流控制器3设定系统参数和I/O接口参数，将格式化精细结构多维关联数据流分布矩阵中的控制信息写入数据流驱动器。7)可编程数据流控制器打开启动定时器，以速度定时器设定的操作速度，通过接 口电路，将精细结构多维关联数据流发送给执行结构的进给伺服系统，将控制流发送给执 行结构的开关系统，据以控制执行机构动作。结构常数数据库可以方便地根据用户的指令进行修改，当工作机的几何误差改变 时，只要输入改变后的几何误差值，控制信息制造系统1将根据修改后的几何误差在新的 非正交离散坐标系中生成精细结构多维关联数据流，并据以控制执行单元4。本发明适用于控制工作机的机械运动，对工作机的几何误差进行实时补偿，以提 高机械运动的精度。以上内容是结合具体的优选实施方式，以先进制造领域中的数控机床 作为工作机，对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些 说明。对于本发明所属技术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 以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
权利要求
一种对几何误差进行实时补偿的数字控制方法，包括以下步骤1)控制信息制造系统建立结构常数数据库，所述结构常数数据库包括用于存储轴间几何误差的坐标系参数子库和用于存储单轴几何误差的精细结构常数子库；2)控制信息制造系统根据坐标系参数生成多维关联数据流；3)控制信息制造系统根据轴的精细结构常数子库中的单轴几何误差对多维关联数据流进行修正，生成精细结构多维关联数据流，并进行格式化；4)控制信息制造系统将精细结构多维关联数据流发送给数据流控制单元，用以控制执行机构动作。
2.如权利要求1所述的对几何误差进行实时补偿的数字控制方法，其特征在于，还包 括以下步骤5)控制信息制造系统接受用户指令对结构常数数据库进行更新。
3.如权利要求2所述的对几何误差进行实时补偿的数字控制方法，其特征在于，所述 步骤2)包括以下步骤2a)控制信息制造系统从结构常数数据库读取坐标系参数，建立非 正交离散坐标系；2b)控制信息制造系统在所述非正交离散坐标系中生成多维关联数据 流。
4.如权利要求3所述的对几何误差进行实时补偿的数字控制方法，其特征在于所述 轴间几何误差包括轴间不平行度、不垂直度。
5.如权利要求3所述的对几何误差进行实时补偿的数字控制方法，其特征在于所述 单轴几何误差包括每个轴的线位移误差、角位移误差、反向间隙。
6.一种对几何误差进行实时补偿的数字控制系统，包括控制信息制造系统、与控制信 息制造系统连接的数据流控制器、与数据流控制器连接的执行机构，所述控制信息制造系 统设有结构常数数据库，所述结构常数数据库包括用于存储轴间几何误差的坐标系参数子 库和用于存储单轴几何误差的精细结构常数子库，所述控制信息制造系统用于在非正交离 散坐标系中生成精细结构多维关联数据流，所述数据流控制器用于接受精细结构多维关联 数据流，并按设定的格式输出给执行机构执行。
7.如权利要求6所述的对几何误差进行实时补偿的数字控制系统，其特征在于所述 轴间几何误差包括轴间不平行度、不垂直度。
8.如权利要求6所述的对几何误差进行实时补偿的数字控制系统，其特征在于所述 单轴几何误差包括每个轴的线位移误差、角位移误差、反向间隙。全文摘要
本发明公开了一种对几何误差进行实时补偿的数字控制方法及系统，将轴间的不平行度、不垂直度转化为非正交离散坐标系的坐标系参数，将单轴的线位移误差、角位移误差、反向间隙转化为轴的精细结构常数，在PC系统中离线完成上述几何误差的校正，从而为上述几何误差的实时补偿提出了一种简单有效的、开放的技术方法。本发明将轴间的不平行度、不垂直度作为坐标系参数，与功率、行程等一样列入机床的规格之中，因此将对机械制造的设计方法、加工工艺、工艺装备的设计与制造、装配调试工艺、维修方法等产生重大影响。
文档编号G05B19/404GK101893871SQ200910107400
公开日2010年11月24日 申请日期2009年5月22日 优先权日2009年5月22日
发明者江俊逢 申请人:江俊逢