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機床絲（sī）杠熱誤（wù）差的（de）測量與補償（cháng）研究

2019-6-24 來源：華中科技大學機械科學與工程（chéng）學院作者：劉宏偉陳吉紅向華

摘要: 為了提（tí）高數控機床的加工精度，提出了數控機床絲杠的熱誤差建（jiàn）模和補償方法。通過分析絲杠的（de）熱（rè）變形雲圖得出溫度傳（chuán）感器的布置位置。根據溫升與誤（wù）差的關係進行線性擬合建立（lì）熱誤差的數學模型。

利用 HNC－848 數控（kòng）係（xì）統的補償模塊進行參數設置從而實現在線實時補（bǔ）償。經過激（jī）光幹涉儀測量驗證該補償方法能夠有效地提高機床（chuáng）的加工（gōng）精度。

關鍵詞: 絲（sī）杠; 熱誤差; 實時補償（cháng）; 數控係統; 製造

隨著製造業的快速發展，各個行業（yè）對數控機（jī）床加工（gōng）精度提出了更高的要求。導致機（jī）床精度下（xià）降的原因有很多，由於熱變形（xíng）產生的誤差在機床總誤差中占60%左右。

機床在內外熱源的作用下開始膨脹，使得機床在加工過程中（zhōng）刀具和工件（jiàn）產生相對（duì）位移，進而導致加工精度下降。

機床溫升變形是指機床運動部件的摩擦發（fā）熱引起的局部結構變形，而這種變形又導致溫度急劇升（shēng）高，這兩個方麵是相互作用的（de）。絲杠作為細長杆由溫升變形所產生的熱誤差占有很大的（de）比重。為了減（jiǎn）小誤（wù）差，提高機床的加工精度通常的解決辦法是（shì）降溫和補償（cháng）兩種方法。

降溫的方（fāng）法是將機床放置在恒溫車間保持環境（jìng）溫度恒（héng）定，另外一種辦法是給發熱部件加裝冷卻係統，但（dàn）這兩種（zhǒng）辦法的成本都相當高，對絲杠的誤差控（kòng）製不明顯，特（tè）別是絲杠在開機預熱時變形量較大，即使在恒溫車間內對於（yú）南方北方不同的地域、冬天夏天（tiān）不同的（de）季節所（suǒ）產生的變形量也不一樣。

所以，對熱誤差進行補償是提高工件加工（gōng）精度較為有（yǒu）效的方法。

本文對工作台下的絲杠進行誤差的測（cè）量分析，采用線性擬合的方法建立機床熱誤差的（de）數學（xué）模型，將該模型集成在華中數控 HNC－848 的數控係統中（zhōng）對絲杠溫度和誤差數據進行采集和分析，實（shí）現機床的熱誤差補償。

1 、絲杠熱誤差的數據采集（jí）

依據三軸機床的 X 軸為例作（zuò）為研究對象，與之相匹配的絲杠長度為 500 mm。將兩個溫度傳感器分別布置在與伺服電動機相連接的絲杠軸（zhóu）承座上和離遠（yuǎn）端軸承座 40 mm 處的位置上。

機床在初始運行時，電動機的轉速（sù）為 3 000 r/min，環境溫度為 19. 7 ℃，經過 30min 預（yù）熱，這時檢測到絲杠溫度升高了 5 ℃ 。為研究絲杠的熱變形規律，應用了 Ansys

軟（ruǎn）件進行（háng）了相應的熱變（biàn）形分析，如圖（tú） 1 所示。

圖1 絲杠熱（rè）域分（fèn）布圖

可以看出絲杠靠近伺服電動機的一側發熱（rè）量最大，絲杠螺母處的發熱量次之，故在發熱量最大的熱源點埋一個溫度傳感器，為了能夠準確地測（cè）量出絲杠在不同溫度下的伸長量，在遠離（lí）伺服電動機 460 mm 處的絲杠中埋進了另一個溫度傳感（gǎn）器，該點的（de）溫度（dù）在整個絲杠中發熱（rè）量最小。為測量絲杠在不同溫度下的伸長量，采用了 API 激光幹涉儀進行（háng）了現場測試。

當（dāng）時的環境溫度為 19. 7 ℃，每升高1 ℃ 記（jì）錄下絲杠的膨脹量，並計算出相鄰兩點間的斜率值，如表 1 所示。X 軸的行程範圍是［0，500 mm］，測量起點為數控機床的坐標零（líng）點（diǎn），測量（liàng）的終（zhōng）點為（wéi）數（shù）控機床的 X 軸坐標點（diǎn） 460 mm 處。

表 1 溫升與斜率統計（jì）表

2 、熱（rè）誤（wù）差建模

在約束條件下，絲杠的受熱變形公式為：

圖（tú）2 不同測量點絲杠溫（wēn）升與熱誤差曲線圖

3 、熱誤差補償（cháng）分析

熱誤差補（bǔ）償是指人為地創建一個新的誤差來抵消當前（qián）成為問題（tí）的原始誤差。

機床開始（shǐ）起動時會經曆（lì）一個從（cóng）冷態到熱態的過（guò）程，此次機床（chuáng）的熱變形最嚴重，絲杠的熱（rè）伸長最快，以後逐漸減少並趨於穩定，停機後機床溫度下降絲杠開始回縮，為了減小溫度變化帶來的加工誤差，可采用預熱機床（chuáng）減少停機來保持機床的（de）熱平衡。

由於絲杠（gàng）在環境溫度高的情況下伸長量較大，可采取的措（cuò）施是利用絲杠上所埋的兩個溫度傳感器采集的溫度差值（zhí）作為熱膨脹補償的起點。機（jī）床開機運行 60 s 後開始實驗，在華中數控 HNC－848 的數控（kòng）係統中（zhōng）進行參數設（shè）定（dìng），如表 2。

表 2 華中數控 HNC－848 係（xì）統（tǒng）參數設置表

將（jiāng）計算得到的熱誤（wù）差值通過外（wài）部機床坐標係偏移( 原點平移) 疊加到位置控製信號中，從而實現熱誤差的實時補償，其補償原理見圖 3。在加工開始後，打開 HNC－848 係統的溫度補償（cháng）模塊，數控係統會每（měi）隔一分（fèn）鍾讀取一次溫度值，通過集成在內的補償（cháng）模型計算熱誤差（chà）的補償值，再發出相應的控製指令以實現在線實（shí）時補償。

圖3 熱誤差補償控製係統流程圖

圖4 補償前後（hòu）政策

4 、熱誤差補償效果驗證

在數控係統的（de）熱誤差補償關閉時，測試一組數據;然後打開熱誤差的補償（cháng）再測試一組數據。這（zhè）兩組數據為補償前後的值，所使用的測量儀器為 API 激（jī）光幹涉儀，測量環境為機床熱機 30 min 後（hòu）對三軸機床的 X 軸進行檢（jiǎn）測，補償前後的效果如圖 4 所示。

圖中虛線表示正向和反（fǎn）向的平均值，由此可以得出補償前（qián）機床的正反向誤差範圍是［－7 μm +6 μm］，補償後機床的正反向誤（wù）差範圍是［－1μm +9μm］，公差範圍由 13 μm減小到 10 μm，誤差（chà）減小了 23. 1%，補償效果較為顯著，機床的精度有了較（jiào）明顯的提高。

5 、結語

在華中數控 HNC－848 的數控係統中，這種補償方法是依據所建立（lì）的數學模型和相應的處理（lǐ）軟件集成在數控係統中（zhōng）實現的。通過此（cǐ）方法（fǎ）可在絲杠的不同溫度狀態下（xià）進行實時補償從而達到提高數控機床精度的目的。

針對機床（chuáng）熱誤差補償技術仍有以下兩個方麵有待進一步研究（jiū）:

(1) 當前的測量和建模是基於升溫（wēn）的基礎上（shàng）進行（háng）的，如果（guǒ）將機（jī）床的溫度升到（dào）最高點（diǎn），每下降 1 ℃采集一次數據（jù），這樣建立的（de）模型是否更優。

(2) 溫升範圍擴大，所產生的擬（nǐ）合曲線是否更精確，補償的效果是否會更好。

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