邹彦松
东莞乔锋机械有限公司
摘要：在工业生产中，数控机床是最常用的生产设备之一，对提高生产效率和产品质量有着重要的影响。在数控机床使用过程中，受各种因素影响，会造成精度减低，工件变形。机床热误差是主要原因。本文主要对机床热误差实时补偿技术进行阐述，以供参考。
关键词：数控机床；热误差；实时补偿
引言
随着加工制造业的快速发展,对数控机床的要求越来越高,对主传动也提出需要大功率,大扭矩,高转速的要求。这必然导致主传动的发热量大大增加,从而产生了因发热而导致的误差即所谓的热变形误差,根据我们的实验,该误差是影响机床加工精度的主要来源,如何减少热变形误差是提高机床加工精度重要途径之一。
1数控机床热误差补偿
数控机床出现热误差是无法避免的，因为机床在运行中一定会散发热量，对于零部件的加工精度造成一定的影响。误差补偿就是控制和降低误差的人工手段。在加工之前人为设置误差，抵消造成热误差的原始数据，两者尽量在大小数值上保持相等，在方向上相反即可。
造成数控机床热变形最主要的原因是机床内部和外部环境中存在的各种各样热源．这些热源主要分为，机床电机转动及液压元件的能力损耗转化的热量，机床切削过程中产生的切削热，机床内部各运动部件的摩擦生热，周围环境的温度变化和热辐射等．要控制或降低数控机床热变形引起的误差，必须得对各类热源的强度、机床温度场的分布和机床热变形位移进行分析．据此，相关学者分析认为数控机床的热变形机理为:在机床工作过程中热源从各个部位产生了热量，不同程度影响了加工的精度;在给定条件下，有内外热源产生的热量传给机床各个部位，产生温升，使得相应的零部件产生热变形，并且机床在加工过程中刀具与工件之间产生了相对位移，继而使加工精度下降。
2数控机床热误差原因及误差补偿原理
2.1热误差原因
数控机床发生热变形误差主要存在于主传动中，主传动主要包括主轴箱、立柱、进给构件、工作台等。根据主传动的结构分析建立X，Y，Z空间坐标体系，可以发现当主轴的转速连续增高时，主轴箱的齿轮和轴承之间就会产生热量，打破机床内部的热平衡，并使主轴延Z轴向下伸长，形成进给误差。此时主轴箱上下温度存在温差，温度场使内部产生热应力，导致主轴箱发生X轴向偏转，进而促使Y轴向误差，X向则面产生无热漂移的对阵结构。虽然使用了全封闭环的控制方法，但仅能保障主轴箱与工作台的相对距离，无法控制主轴端面与工件的距离，从而造成热误差。
2.2数控机床误差补偿的原理
数控机床的热误差补偿主要是通过建立机床热误差数学模型，用来计算机床的热变形误差，通过对机床主轴运动进行修正，使机床的加工精度得以提高。为了减少热误差对数控机床的精密度的影响，需要从机床的结构设计上进行减少热源发热量的对称布局设计，使热误差因平衡作用而相互抵消。通过分析、统计、归纳以及原始误差的特点与规律，建立数学误差模型和形成误差平衡，早期是通过硬件进行弥补，例如，滚齿机的凸轮校正机构、校正尺装置等，因动态弥补性差，是非柔性的补偿方法，易造成补偿不及时，而影响数控机床的精度和使用寿命。使用BP神经网络方法进行误差实时补偿，即采集数控机床的实时温度及误差值，并完成动态校正和补偿。为了方便对温度进行感知和动态测量，根据多传感器原理，在系统中设置温度传感器和实时控制系统两部分来感知机床各结构的温度变化，传感器的布点及位置需结合数控机床易发生温变位置及不影响机床动作完成为基本原则，将所获得的数据输入到神经网络模型中，神经网络模型根据既定程序对热误差进行计算和预测，并将结果专递到主控中心，主控中心发出误差补偿指令，完成实时的误差补偿。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
3机床误差检测技术
3.1数控机床热误差测量
综合误差测量比较高效，同时测量结果也比较精准。大部分数控机床在误差测量中都采用综合误差测量的方法
误差的测量方法分为单误差测量和综合误差测量两种．一般说来，单误差测量更加精准，其测量原理简单易懂但耗时较长，而综合误差测量是一种快速有效的测量机床误差的方法．建立热误差模型时，应用温度传感器来测量机床温度关键点的温度值．而温度传感器的选择和布置位置是关键，这在一定程度上是根据经验选择及试凑的过程．一般是先基于工程判断在不同位置安装大量的传感器，然后采用统计相关知识分析来选出部分传感器用于测量误差的建模分析．所以，选择数量适当的温度传感器和适宜的安装位置是数控机床热误差测量的先决条件．。
3.2温度测点的布置技术
在建立热误差数学模型思维过程中，最重要的是选择温度测点。合适的温度测点能够简化数学建模，有效地提高热误差测量的精准度。在热误差的补偿系统中，确定温度测点的方法是试凑法。检测人员根据以往的测量经验在数控机床的相关位置安装大量的温度传感器，然后与最后的热误差作比较，删除与最后热误差相关系数最小的温度测量，然后根据最后留下的温度测点用于误差分量的数学建模。
3.3机床温度和热误差数据采集和建模
在满足一定精度的条件下,考虑到工厂生产实际使用中方便、可靠,本文采用2个甚至1个温度变量进行热误差建模,并经建模精度分析,可达到要求.由于机床主轴温度是影响机床热误差的最主要因素,故试验在机床主轴前轴承上安置1个温度传感器,也就是采用机床主轴1个温度变量进行热误差建模.采用机床主轴的常用转速为1800r/min,连续运行进行数据采集直至4h以后机床才达到初步热平衡。
3.4热误差实时补偿调整
据热误差实时补偿系统的仿真及投产实践结果来看，目前数控机床热误差设置的测点能够满足热效应的感测需求，并能结合数控机床零件形位公差的系统完成零件的实时检测和校正，降低了误差参与量。系统在运行一段时间后，温度传感器的传感灵敏度会出现下降，部分热误差较大的测点温度传感器受到较大损伤，需进行及时更换和调整。另外，要提升零件加工标准的规范和设计要求，能有效的针对零件加工需求对热误差实时补偿系统进行调整，从而保障数控机床加工的效率和精确度。
4热误差实时补偿未来研究的方向
温度测点的选择，通常在选择温度测点的时候不太会考虑机床设备的丝杠以及导轨等部件，因为这些部件的热量较校因此，在选择温度测点的时候可以适当增加温度关键点的选择，为建模获取更加精准、全面的数据。数控机床热误差受多种因素如室温、机床工况、加工周期等的影响，并呈现出非线性交互作用，因此检测和建模一般需要长时间的跟踪。如何高效率地建立准确稳健的数学模型是技术难点。现有的热误差实时补偿方法还不够完善。由于机床数控系统底层不开放，导致热误差实时补偿程序不能完全融入到数控系统中，制约了热误差补偿技术的进一步发展。
结语
利用热误差实时补偿技术可以大幅地降低机床的热变形误差,提高零件的加工精度,对现有机床的改造以及新设计机床都具有指导意义。现有的热误差实时补偿方法还不够完善．由于机床数控系统底层不开放，导致热误差误差实时补偿程序不能完全融入到数控系统中，需要进一步改进和完善。
参考文献
[1]杨建国.智能型数控机床多误差动态实时补偿系统及其应用[J].世界制造技术与装备市场,2017(2):112-114.
[2]盛伯浩，唐华．数控机床误差的综合动态补偿技术［J］．制造技术与机床，2017，47(6):19－21．
[3]刘又午，章青，赵小松，等．数控机床全误差模型和误差补偿技术的研究［J］．制造技术与机床，2018，53(7):46－52.
论文作者:邹彦松
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第21期
论文发表时间:2019/11/26
标签：误差论文; 机床论文; 数控机床论文; 温度论文; 主轴论文; 实时论文; 测量论文; 《中国西部科技》2019年第21期论文;