一种无传感器实现机床热变形的误差补偿方法技术

一种无传感器实现机床热变形的误差补偿方法，属于数控机床机电匹配的监控技术领域。对于一台设计和制造合格的数控机床，在其用户使用过程中，由于温度场的变化，热变形使其定位精度发生变化，必然影响零件的加工精度。为避免热变形误差影响机床的高精度加工，通过对大量的机床结构和用户使用状况的调研、测量和数理分析，发现了数控铣床由于热变形引发、影响机床加工精度的主要原因。依据引发数控机床热变形的研究结论，采用一种热变形测量、建模和补偿的简便方法，即：无需部署温度传感器，通过热变形误差的精确测量，用最小二乘法取得热变形误差的经时拟合函数，基于数控系统进行热变形误差周期循环计算，采用NC同步或PLC随机监控策略和补偿方法，克服了数控机床热变形对高精度加工的影响。高精度加工的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种无传感器实现机床热变形的误差补偿方法


[0001]本专利技术涉及一种无传感器实现机床热变形的误差补偿方法，属于数控机床机电匹配的监控


技术介绍

[0002]机床业界长期以来针对影响机床精度的研究，以及经由技术人员大量的测量和数理分析，得出结论：机床热变形是影响其定位精度的主要因素之一。由此开展的机床热变形误差补偿技术研究，以及各类因机床热变形产生位置误差的补偿方案或方法成为数控机床提升精度不可或缺的重要途径。通过机床热变形误差的温度检测、建模及补偿的传统方法，受制于机床结构和数控系统的差异化影响，以及温度传感器位置和数量较难排布选择等问题，都未达到常态普及的水平，这对大量数控机床的高精度加工带来了不容忽视的困扰。
[0003]通过深度分析机床精度所受本体和所处环境两大热源的影响，即内部温度场和外部温度场，前者主要指机床运行过程中，其润滑系统、冷却系统、传动机构、电机，及切削相关刀具/工件/金属屑等相关机床本体影响温度因素的集合；后者主要指构成机床所在车间的建筑结构、照明灯、太阳光等影响室温或气温的因素集合。依据导热基本定律，热能量通过热传导、对流或热辐射的方式在具高低温差的物体间传递，即在温度场不稳定或温度未达到新的温度平衡点的过程中，机床本体或关键运动部件会发生自然连续微小的膨胀、收缩或弯曲物理变形现象。尤其针对机床正向设计及制造过程的分析发现：由热变形机理引发机床精度变化的各项因素，都是在设计和制造过程中首先得到重点评估和控制的。例如，通常影响机床定位精度的半闭环移动部件，应有机床温控系统和环境温度约束条件要求和设计应对；机床全闭环移动部件应有检测光栅或编码器安装约束条件要求和设计应对等。这些机床设计和制造过程的约束条件是满足机床合格定位精度的基石，是满足机床精度经时试验的基本要求，也是本专利技术的基础条件。
[0004]通过对高精度数控铣床用户使用情况的调研，以及大量充分测试、经时试验和数理统计分析，发现用户很难按照设备使用说明书要求使用机床，例如，环境温度，及机床关、开机前的预热运转操作等要求。即使是直线轴配置全闭环，主轴或主轴箱配置了润滑冷却系统等温度监控措施，但在机床主轴长期运转过程中，机床热变形误差很难避免，并得出影响机床加工精度的热变形误差主要是由主轴较高转速下长时间旋转引发，其热变形趋势是平行于Z轴（系统机械坐标系）的主轴轴向伸长，并与主轴运转时间密切相关的结论。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术的不足,本专利技术提供一种无传感器实现机床热变形的误差补偿方法。此方法的具体内容如下：为了克服现有技术的不足,本专利技术提供一种无传感器实现机床热变形的误差补偿方法。此方法的具体内容如下：步骤1：参照用户使用机床的工作班次和时间，模拟机床的运转状况，旋转主轴，以
10~60分钟为间隔，测量主轴基准端面Z轴方向的热变形偏差值，顺序记录机床整个运转周期内的各间隔点的偏差值并制表。
[0006]步骤2：根据热变形偏差值的经时记录表，以最小二乘法拟合出该机床主轴Z轴方向热变形偏差值的经时函数，合理选择拟合函数类型，拟合优度决定系数大于0.9为宜。
[0007]步骤3：依据机床配置数控系统控制单元的功能及实际需求，选择机床热变形误差补偿策略。策略1：采用NC同步运行功能进行热变形误差实时补偿；策略2：采用PLC设置的热变形误差阀值，超出误差阀值进行随机补偿。
[0008]步骤4：依据热变形补偿监控策略，编制周期循环的热变形补偿程序，执行拟合函数误差计算和补偿策略监控，用此误差计算结果作为系统机械坐标系Z轴坐标偏移值，触发补偿生效。
[0009]步骤5：在机床实际运转条件下，检验此补偿功能效果。
[0010]步骤6：应对机床不同的使用场景，重复步骤1~5，可构成此机床热变形补偿程序的使用场景集合。
[0011]本专利技术的优点是：结合数控机床结构配置和用户使用状况，机床无需排布温度传感器，通过机床热变形误差测量，获取热变形误差拟合函数，采用基于数控系统进行热变形误差的周期循环计算，通过NC同步或PLC随机的监控补偿方式，达到克服热变形对机床高精度加工的影响。多项实例验证不同的机床使用场景，采用此方法也可汇聚多样场景的应用集合，扩大了此方法便捷高效的适用范围。
附图说明
[0012]当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本专利技术以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本专利技术的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定，如图其中：图1为本专利技术实施例“机床热变形误差拟合曲线图”。
[0013]下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。
具体实施方式
[0014]显然，本领域技术人员基于本专利技术的宗旨所做的许多修改和变化属于本专利技术的保护范围。
[0015]本
技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本专利技术的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当称元件、组件被“连接”到另一元件、组件时，它可以直接连接到其他元件或者组件，或者也可以存在中间元件或者组件。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
[0016]本
技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
[0017]实施例1：一种无传感器实现机床热变形的误差补偿方法。
[0018]步骤1：针对一台数控铣床在其使用场景下进行测量，模拟此机床一个工作日的运转情况，记录其热变形偏差值，参见表1。记录表显示：机床在车间环境比较稳定的外部温度场中运行，热变形“实测偏移值”变化与主轴温度变化不敏感，与主轴旋转时间“经时”正相关。
[0019]表1 机床热变形偏差值经时记录表
序号工况时间车间温度(℃)主轴温度(℃)主轴工况转速(rpm)时间间隔(min)经时(min)实测偏差值（mm）拟合补偿值（mm）18:4515.817.35000:0000.0000.01829:3015.719.010000:45450.000
‑
0.00539:5017.219.815000:20650.000
‑
0.015410:0018.720.426000:10750.000
‑
0.019510:3018.725.426000:301050.030
‑
0.032611:0018.028.526000:301350.050
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0.044712:0018.828.426001:001950.070
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0.064812:3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无传感器实现机床热变形的误差补偿方法,其特征在于含有以下步骤：步骤1：参照用户使用机床的工作班次和时间，模拟机床的运转状况，旋转主轴，以10~60分钟为间隔，测量主轴基准端面Z轴方向的热变形偏差值，顺序记录机床整个运转周期内的各间隔点的偏差值并制表；步骤2：根据热变形偏差值的经时记录表，以最小二乘法拟合出该机床主轴Z轴方向热变形偏差值的经时函数，合理选择拟合函数类型，拟合优度决定系数大于0.9为宜；步骤3：依据机床配置数控系统控制单元的功能及实际需求，选择机床热变形误差补偿策略；策略1：采用NC同步运行功能进行热变形误差实时补偿；策略2：采用PLC设置的热变形误差阀值，超出误差阀值进行随机补偿；步骤4：依据热变形补偿监控策略，编制...

【专利技术属性】
技术研发人员：何江涛，姜野，
申请(专利权)人：北京北一机床有限责任公司，
类型：发明
国别省市：