CN107168242A - 一种数控机床半闭环进给轴的原点热漂移误差测试及建模方法 - Google Patents
一种数控机床半闭环进给轴的原点热漂移误差测试及建模方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种数控机床半闭环进给轴的原点热漂移误差测试及建模方法，属于数控机床误差补偿领域。该方法包括以下步骤：采用激光干涉仪和温度传感器按照特定的测量方式得到进给轴的原点热漂移误差及相应的关键点温度；基于传热理论预测丝杠在原点位置的实时温度；在分析半闭环进给轴原点热漂移误差成因的基础上，建立原点热漂移误差与主要温度变量的关系模型。试验结果表明，原点热漂移误差的预测及补偿效果良好。本发明所用的特定测试方法效率高，模型的预测精度高，热漂移误差的在线计算速度快，解决了数控机床半闭环进给轴的原点热漂移误差这一重要类型误差的补偿问题。
Description
技术领域
本发明涉及数控机床误差补偿领域，具体为一种数控机床半闭环进给轴的原点热漂移误差测试及建模方法。
背景技术
机床的热误差是困扰机床行业几十年的难题。由于机床热误差的存在，导致的问题在于：单件的加工精度易不合格；批量加工零件的一致性差，废品率高；为了减少热误差，机床开机后需要热机，能耗损失大；若工件的加工精度要求高，还需要高成本打造恒温车间。
数控机床的热误差包括进给轴热误差和主轴热误差两部分。进给轴的热误差很大，对其进行热误差建模及补偿也是非常困难的。实际上，进给轴的热误差分为两部分：行程范围内的热膨胀误差和原点的热漂移误差。根据理论分析，进给轴行程范围内的热膨胀误差主要是由于环境温度变化和机床运动生热而产生的。原点的热漂移误差主要是由于原点侧的轴承座发热、行程范围内的丝杠热传导、环境温度变化等引起的。
尽管原点的热漂移误差可以通过对刀方式进行消除，但是在加工过程中的对刀操作不仅对操作者的技术水平要求高，而且增加了操作者的劳动强度，更对生产线的自动运行造成了很大困扰。因此，有必要通过误差自动补偿的方法抑制原点热漂移误差造成的不良影响。
对于数控机床进给轴的热误差建模方法，国内外都开展过广泛的研究。2007年，Y.Kang等在《International Journal of Machine Tools&Manufacture》第47卷发表文章《Modification of a neural network utilizing hybrid filters for thecompensation of thermal deformation in machine tools》，结合前馈神经网络和混合滤波器对热误差进行补偿。2010年，X.Li等在《Key Engineering Materials》第455卷发表文章《Application of a Bayesian Network to Thermal Error Modeling and Analysisfor Machine Tool》，提出了一种基于贝叶斯网络的热误差动态建模方法。2010年，苏瑞尧等在专利“工具机热误差智能调适装置及其方法”申请号：201010606270.9中，提供了一种基于支持向量回归热误差模型的热误差智能调适装置及方法。2011年，姚晓栋等在专利“基于时间序列算法的数控机床热误差实时补偿建模方法”申请号：201110085996.7中，采用时间序列算法建立机床的热误差模型。2011年，苗恩铭等在专利“数控机床热误差补偿高次多阶自回归分布滞后建模方法”申请号：201110379618.X中，提供了一种高次多阶自回归分布滞后建模方法。2011年，姚晓栋等在专利“数控机床定位误差动态实时补偿系统”申请号：201210258793.8中，将机床的定位误差按照影响因子法分解为冷态下的几何误差、室温变化引起的定位误差以及螺母运动温度变化引起的定位误差三个部分并分别进行建模。2013年，项四通等在专利“基于人机界面二次开发的数控机床误差补偿系统及方法”申请号：201310245088.9中，基于人机界面二次开发，给出了面向西门子840d数控系统的补偿方法以及线性的进给轴热误差补偿模型。2015年，W.L.Feng等在《International Journal ofMachine Tools&Manufacture》第93卷发表文章《Thermally induced positioning errormodelling and compensation based on thermal characteristic analysis》，分析了丝杠在升温和降温阶段的传热过程并分别建立了升温和降温阶段的热特性模型，解决了丝杠在热分布不均匀状态下的热误差预测问题。
通过对进给轴热误差补偿技术的分析发现，目前都是针对进给轴在行程范围内的热膨胀误差开展研究。而对于进给轴的原点热漂移误差，却几乎没有学者进行过研究。一方面，是由于按照ISO 230-2和GB 17421.2标准进行检测不易发现原点的热漂移现象；另一方面，是由于对机床热行为规律的了解不够深入和透彻。
发明内容
本发明的目的在于给出一种进给轴特殊热误差的测试及预测方法，弥补现有进给轴热误差测试及预测方法的缺陷，实现对进给轴综合热误差的完整预测和补偿。
本发明的技术方案：
一种数控机床半闭环进给轴的原点热漂移误差测试及建模方法，采用激光干涉仪和温度传感器按照特定的测量方式得到进给轴的原点热漂移误差及相应的关键点温度；基于传热理论预测丝杠在原点位置的实时温度；建立原点热漂移误差与主要温度变量的关系模型；辨识原点热漂移误差模型中的参数。
具体步骤如下：
第一步，半闭环进给轴的原点热漂移误差和温度测试
第一温度传感器4和第二温度传感器6分别布置在前轴承座3和丝杠附近的床身13上；激光干涉仪的分光镜7通过磁力表座固定在工作台8上，反光镜10通过磁力表座固定在主轴11上；
在原点热漂移误差测试时，测试系统中“材料温度补偿”的温度设置成20℃，以得到丝杠在测试环境温度下的真实误差值；
a将工作台8移动到半闭环进给轴的原点位置，并在原点位置执行“清零”操作；
b半闭环进给轴以任意的速度在行程范围内往复运动进行升温，每隔一段时间～10min让工作台8回到原点位置，记录激光干涉仪的原点热漂移误差值以及对应的第一温度传感器4和第二温度传感器6的温度变量值；反复运动和测试，重复5～7次；
c半闭环进给轴停止在原点位置进行降温，每隔一段时间～10min记录激光干涉仪的原点热漂移误差值以及对应的第一温度传感器4和第二温度传感器6的温度变量值；反复降温和测试，重复4～6次；
升温阶段和降温阶段测试得到的原点热漂移误差值记为ed，升温阶段和降温阶段第一温度传感器4和第二温度传感器6测试得到的温度变量值分别记为δTbr和δTb；
第二步，丝杠在原点位置的实时温度预测
将行程范围内的丝杠5离散化成D段，每段长度为L；以行程范围内的丝杠5为分析对象，按如下方式建立丝杠5的温度场预测模型；
式中，c为丝杠5的比热容，ρ为丝杠5的材料密度，S为丝杠5的等效截面积，为在t时刻丝杠5Li段的实时温度，qf(t)为螺母9在(t-Δt,t)时间段内摩擦Li产生的总热量，qc(t)为在(t-Δt,t)时间内Li段丝杠向空气的散热量，qt(t)为在(t-Δt,t)时间内Li段丝杠沿轴向的热传导量，q为螺母9摩擦Li一次产生的热量，N为在(t-Δt,t)时间内螺母9摩擦Li的次数，h为对流散热系数，S'为丝杠Li段与空气的换热面积，Tf(t)为丝杠5周围空气的温度，用床身13的温度代替，λ为丝杠5的热传导系数。
对式(1)进行求解，得到丝杠5任意一段Li的实时温度值i＝1时，即为丝杠5在原点位置的实时温度
第三步，建立半闭环进给轴的原点热漂移误差与关键温度变量的关系模型
半闭环进给轴的原点热漂移误差由前轴承座3的温升δTbr、原点位置的温升和环境温升δTb共同引起；轴承座3的温升δTbr和原点位置的温升导致工作台8靠近主轴，环境温升δTb导致工作台8远离主轴，且半闭环进给轴的原点热漂移误差与δTbr、δTL1、δTb近似呈线性相关，半闭环进给轴的原点热漂移误差通过式(2)计算：
式中，ed为原点的热漂移误差，α,β,χ,γ为待定系数；
第四步，辨识原点热漂移误差模型中的参数
将第一步得到的不同时刻的原点热漂移误差值ed、关键点温度变量值δTbr和δTb，以及第二步得到的丝杠在原点位置的实时温度代入式(2)，采用最小二乘法对α,β,χ,γ进行求解。
本发明的有益效果是：
1提高工件的加工精度，即提高机床的加工范围和加工能力。
2解决批量零件加工时一致性差的问题，降低废品率，提高机床的工序能力指数。
3消除或减少机床在加工过程中的对刀过程，降低对操作者的技术要求，减小操作者的劳动强度，提高生产效率。
4提出了一种进给轴新类型热误差的测试及预测方法，为掌握和提升数控机床进给轴的综合精度提供了新方法。
附图说明
图1为半闭环进给轴的结构及温度测点布置示意图。
图2为半闭环进给轴的原点热漂移误差测试流程图。
图3为立式加工中心X轴的关键点温度测试结果图。
图4为立式加工中心X轴的原点热漂移误差在补偿前后的对比图。
图5为立式加工中心Y轴的关键点温度测试结果图。
图6为立式加工中心Y轴的原点热漂移误差在补偿前后的对比图。
图7为立式加工中心Z轴的关键点温度测试结果图。
图8为立式加工中心Z轴的原点热漂移误差在补偿前后的对比图。
图中：1激光干涉仪的激光头；2伺服电机；3前轴承座；4第一温度传感器；5丝杠；6第二温度传感器；7激光干涉仪的分光镜；8工作台；9螺母；10激光干涉仪的反光镜；11主轴；12后轴承座；13床身。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案和有益效果更加清晰明了，下面结合半闭环进给轴原点热漂移误差的测试和建模的具体实施方式并参照附图，对本发明作详细说明。本实施例是以本发明的技术方案为前提进行的，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以一台立式加工中心X轴原点热漂移误差的测试和建模为例，详细说明本发明的实施方式。X轴的最大移动速度为30000mm/min，行程范围为0～500mm。
第一步，半闭环进给轴的原点热漂移误差和温度测试
第一温度传感器4和第二温度传感器6分别布置在前轴承座3和丝杠附近的床身13上。激光干涉仪的分光镜7通过磁力表座固定在工作台8上，反光镜10通过磁力表座固定在主轴11上。温度测点布置和激光干涉仪安装示意图如图1所示。
在误差测试时，测试系统中“材料温度补偿”的温度设置成20℃。a将工作台移动到进给轴的原点位置，并在原点位置执行“清零”操作。b然后，进给轴以10000mm/min的速度在0～500mm全行程范围内往复运动进行升温，每隔10min让工作台回到原点位置，记录激光干涉仪的误差数据以及对应的温度传感器4和6的温度值。c反复运动和测试，重复6次。d进给轴停止在原点位置进行降温，每隔10min记录激光干涉仪的误差数据以及对应的第一温度传感器4和第二温度传感器6的温度值。e反复降温和测试，重复5次。测试流程如图2所示。
提取各次测试的误差数据以及对应的第一温度传感器4和第二温度传感器6的温度值，温度数据如图3所示，误差数据如图4中的测试值所示。
第二步，丝杠在原点位置的实时温度预测
将行程范围内的丝杠5离散化成50段，每段长度为10mm。以行程范围内的丝杠5为分析对象，按如下方式建立丝杠5的温度场预测模型。
式中，c为丝杠5的比热容，ρ为丝杠5的材料密度，S为丝杠5的等效截面积，为在t时刻丝杠5Li段的实时温度，qf(t)为螺母9在(t-Δt,t)时间段内摩擦Li产生的总热量，qc(t)为在(t-Δt,t)时间内Li段丝杠向空气的散热量，qt(t)为在(t-Δt,t)时间内Li段丝杠沿轴向的热传导量，q为螺母9摩擦Li一次产生的热量，N为在(t-Δt,t)时间内螺母9摩擦Li的次数，h为对流散热系数，S'为丝杠Li段与空气的换热面积，Tf(t)为丝杠5周围空气的温度，近似用床身13的温度代替，λ为丝杠5的热传导系数。
对式1进行求解，可以得到丝杠5任意一段Li的实时温度值i＝1时，即为丝杠5在原点位置的实时温度。
第三步，建立原点热漂移误差与关键温度变量的关系模型
进给轴的原点热漂移误差由前轴承座3的温升δTbr、原点位置的温升和环境温升δTb共同引起。前轴承座3的温升δTbr和原点位置的温升导致工作台靠近主轴，环境温升δTb导致工作台远离主轴，且原点热漂移误差与δTbr、δTb近似呈线性相关，原点的热漂移误差通过式2计算：
式中，ed为原点的热漂移误差，α,β,χ,γ为待定系数。
第四步，辨识原点热漂移误差模型中的参数
将第一步得到的不同时刻的原点热漂移误差值ed、关键点温度变量值δTbr和δTb，以及第二步得到的丝杠在原点位置的实时温度代入式2，采用最小二乘法对α,β,χ,γ进行求解，辨识的结果为：α＝11.13，β＝-14.99，χ＝-13.83，γ＝-3.26。
采用本发明所提供的建模方法，对X轴原点热漂移误差的预测效果如图4所示。
采用同样的方式，对立式加工中心Y、Z轴的原点热漂移误差进行测试、建模和补偿，结果如图5～8所示。
应该说明的是，本发明的上述具体实施方式仅用于示例性阐述本发明的原理和流程，不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明精神和范围的情况下所做的任何修改和等同替换，均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种数控机床半闭环进给轴的原点热漂移误差测试及建模方法，其特征在于，具体步骤如下：
第一步，半闭环进给轴的原点热漂移误差和温度测试
第一温度传感器(4)和第二温度传感器(6)分别布置在前轴承座(3)和丝杠附近的床身(13)上；激光干涉仪的分光镜(7)通过磁力表座固定在工作台(8)上，反光镜(10)通过磁力表座固定在主轴(11)上；
在原点热漂移误差测试时，测试系统中“材料温度补偿”的温度设置成20℃，以得到丝杠在测试环境温度下的真实误差值；
(a)将工作台(8)移动到半闭环进给轴的原点位置，并在原点位置执行“清零”操作；
(b)升温阶段：半闭环进给轴以任意的速度在行程范围内往复运动进行升温，每隔一段时间让工作台(8)回到原点位置，记录激光干涉仪的原点热漂移误差值以及对应的第一温度传感器(4)和第二温度传感器(6)的温度变量值；反复运动和测试，重复5～7次；
(c)降温阶段：半闭环进给轴停止在原点位置进行降温，每隔一段时间记录激光干涉仪的原点热漂移误差值以及对应的第一温度传感器(4)和第二温度传感器(6)的温度变量值；反复降温和测试，重复4～6次；
升温阶段和降温阶段测试得到的原点热漂移误差值记为ed，升温阶段和降温阶段第一温度传感器(4)和第二温度传感器(6)测试得到的温度变量值分别记为δTbr和δTb；
第二步，丝杠在原点位置的实时温度预测
将行程范围内的丝杠(5)离散化成D段，每段长度为L；以行程范围内的丝杠(5)为分析对象，按如下方式建立丝杠(5)的温度场预测模型；
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式中，c为丝杠(5)的比热容，ρ为丝杠(5)的材料密度，S为丝杠(5)的等效截面积，为在t时刻丝杠(5)Li段的实时温度，qf(t)为螺母(9)在(t-Δt,t)时间段内摩擦Li产生的总热量，qc(t)为在(t-Δt,t)时间内Li段丝杠向空气的散热量，qt(t)为在(t-Δt,t)时间内Li段丝杠沿轴向的热传导量，q为螺母(9)摩擦Li一次产生的热量，N为在(t-Δt,t)时间内螺母(9)摩擦Li的次数，h为对流散热系数，S'为丝杠Li段与空气的换热面积，Tf(t)为丝杠(5)周围空气的温度，用床身(13)的温度代替，λ为丝杠(5)的热传导系数；
对式(1)进行求解，得到丝杠(5)任意一段Li的实时温度值时，即为丝杠(5)在原点位置的实时温度
第三步，建立半闭环进给轴的原点热漂移误差与关键温度变量的关系模型
半闭环进给轴的原点热漂移误差由前轴承座(3)的温升δTbr、原点位置的温升和环境温升δTb共同引起；轴承座(3)的温升δTbr和原点位置的温升导致工作台(8)靠近主轴，环境温升δTb导致工作台(8)远离主轴，且半闭环进给轴的原点热漂移误差与δTbr、δTb近似呈线性相关，半闭环进给轴的原点热漂移误差通过式(2)计算：
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式中，ed为原点的热漂移误差，α,β,χ,γ为待定系数；
第四步，辨识原点热漂移误差模型中的参数
将第一步得到的不同时刻的原点热漂移误差值ed、温度变量值δTbr和δTb，以及第二步得到的丝杠在原点位置的实时温度代入式(2)，采用最小二乘法对α,β,χ,γ进行求解。
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