CN108356603B - 五轴数控机床主轴热变形误差补偿方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种五轴数控机床主轴热变形误差补偿方法及系统，该方法包括以下步骤：在机床完全冷机状态下开机运行用于加工的程序，获取主轴的热传递滞后时间t1、升温时间t2、最大变形量S_max以及主轴热变形量与热机时间对应关系的指数型曲线的指数系数k并录入到数控系统补偿参数中；数控系统实时计算热机时间t对应的主轴热变形量s；数控系统计算刀轴方向；根据刀轴方向将主轴热变形量s分解到三个直线轴上分别对三个直线轴进行补偿。本发明根据机床主轴热变形量和热机时间的关系，事先标定变形量，在热机过程中实时沿刀轴方向进行补偿，从而保证零件的加工精度，成本低、调试周期短。

Description

五轴数控机床主轴热变形误差补偿方法及系统

技术领域

本发明涉及数控加工技术领域，尤其涉及一种五轴数控机床主轴热变形误差补偿方法及系统。

背景技术

高精密加工技术近几年成为数控加工技术领域研究的重点和今后的发展方向，其研究的内容包括高精密机床、高分辨电机、高响应伺服驱动以及高精度插补和综合误差补偿。研究表明：机床的空间几何误差和热误差是影响加工精度最主要原因之一，比重占70%以上，因此通过系统补偿技术提高加工精度是有效的技术手段，尤其是在目前将五轴高档数控机床作为战略物质的工业大环境下，显得格外至关重要。

五轴数控机床提高加工精度常用做法是在进给轴上安装光栅尺，通过高精密外部反馈设备，解决进给轴几何误差和热误差引起的运动精度的问题。但是在加工过程中，主轴长时间运转，沿刀轴方向存在热变形，加工尺寸因此会受到影响。传统的热误差补偿是根据机床主轴热变形量和机床温度的关系，是基于有温度传感器的方式，该方式对于采集卡及温度传感器的安装、布线、功能调试需要较长的周期和一定的成本投入。

发明内容

本发明的目的在于提供一种五轴数控机床主轴热变形误差补偿方法及系统，旨在用于解决现有的机床在热机过程中由于主轴变形量引起的加工精度的问题。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种五轴数控机床主轴热变形误差补偿方法，包括以下步骤：

S1，在机床完全冷机状态下开机运行用于加工的程序，获取主轴的热传递滞后时间t1、升温时间t2和最大变形量S_max，根据滞后时间t1、升温时间t2和最大变形量S_max计算主轴热变形量与热机时间对应关系的指数型曲线的指数系数k，并将滞后时间t1、升温时间t2、最大变形量S_max以及指数系数k的值录入到数控系统补偿参数中；

S2，数控系统根据滞后时间t1、升温时间t2、最大变形量S_max以及指数系数k建立主轴热变形量与热机时间对应的关系模型，通过关系模型实时计算热机时间t对应的主轴热变形量s；

S3，数控系统计算刀轴方向；

S4，数控系统根据刀轴方向将主轴热变形量s分解到三个直线轴上分别对三个直线轴进行补偿。

进一步地，所述步骤S2中建立的主轴热变形量与热机时间对应的关系模型如下：

其中，t为热机时间，s为主轴热变形量，t1为热传递滞后时间，t2为升温时间，S_max为最大变形量，k为指数系数。

进一步地，所述步骤S3中数控系统计算刀轴方向的方法如下：

当五轴数控机床为双摆头型，

当五轴数控机床为双转台型，

当五轴数控机床为混合型，

其中，、分别为五轴数控机床的两个旋转轴的旋转矩阵，为刀具初始方向坐标，为刀轴方向。

进一步地，还包括以下步骤

S5，在机床完全冷机状态下开机运行用于加工的程序，不开启补偿功能情况下，每隔1分钟记录一次在加工位置附近的主轴整体向刀轴方向的伸长量；

S6，在机床完全冷机状态下开机运行用于加工的程序，开启补偿功能情况下，每隔1分钟记录一次在加工位置附近的主轴整体向刀轴方向的伸长量；

S7，比较补偿前和补偿后的测试数据，当开启补偿功能后主轴伸长量的减小量满足要求后，主轴热误差补偿功能完成，如果不满足要求，重复步骤S1至步骤S7，直到补偿效果满足要求。

本发明还提供一种五轴数控机床主轴热变形误差补偿系统，包括参数获取模块、主轴热变形量计算模块、刀轴方向计算模块以及补偿模块；

所述参数获取模块用于获取主轴的热传递滞后时间t1、升温时间t2和最大变形量S_max以及指数系数k，并建立主轴热变形量与热机时间对应的关系模型；

所述主轴热变形量计算模块用于根据主轴热变形量与热机时间对应的关系模型实时计算热机时间t对应的主轴热变形量s；

所述刀轴方向计算模块用于计算刀轴方向；

所述补偿模块用于根据刀轴方向将主轴热变形量s分解到三个直线轴上分别对三个直线轴进行补偿。

进一步地，所述参数获取模块建立的主轴热变形量与热机时间对应的关系模型如下：

其中，t为热机时间，s为主轴热变形量，t1为热传递滞后时间，t2为升温时间，S_max为最大变形量，k为指数系数。

进一步地，所述刀轴方向计算模块计算刀轴方向的方法如下：

当五轴数控机床为双摆头型，

当五轴数控机床为双转台型，

当五轴数控机床为混合型，

其中，、分别为五轴数控机床的两个旋转轴的旋转矩阵，为刀具初始方向坐标，为刀轴方向。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的这种五轴数控机床主轴热变形误差补偿方法及系统，根据机床主轴热变形量和热机时间的关系，事先标定变形量，在热机过程中实时沿刀轴方向进行补偿，从而保证零件的加工精度，该方法是基于无温度传感器的热误差补偿，能够实时补偿沿刀轴方向主轴热变形量，属于低成本、调试周期短的经济型补偿方案。

附图说明

图1为本发明实施例提供的主轴热变形量与热机时间对应关系曲线图；

图2为本发明实施例提供的五轴数控机床主轴热变形误差补偿方法流程图；

图3为本发明实施例提供的主轴热变形量补偿流程示意图；

图4为本发明实施例提供的五轴数控机床主轴热变形误差补偿系统方框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，通过对多台机床进行热机测试，采集样本数据发现，主轴热变形量和热机时间存在特定的关系，可以用指数型曲线表达。主轴热变形量的变换规律与以下因素相关：

（1）热传递滞后时间t1，即开机之后主轴过了多久出现热变形。主轴运转一段时间后，热量才会传递给主轴。由于热传递滞后的因素，主轴热变形现象会延迟一段时间。

（2）升温时间t2，即当前工况下从冷机到热稳定所需的时间。该时间范围内，主轴热变形量和热机时间为指数型曲线关系。

（3）最大变形量S_max，即热机阶段稳定后主轴的变形量。热机阶段稳定后，主轴变形量最大，且保持恒定。

（4）补偿系数k，即主轴热变形量和热机时间对应关系曲线的指数系数。当主轴热变形量上升越快，系数越大。

则主轴热变形量s与热机时间t之间存在以下关系：

因此，只要获取热传递滞后时间t1 、升温时间t2、最大变形量S_max以及补偿系数k，就可以根据热机时间t计算出主轴热变形量s。

实施例1：

如图2和图3所示，本发明实施例根据上述原理提供一种五轴数控机床主轴热变形误差补偿方法，包括以下步骤：

S1，在机床完全冷机状态下开机运行用于加工的程序，获取主轴的热传递滞后时间t1、升温时间t2和最大变形量S_max，根据滞后时间t1、升温时间t2和最大变形量S_max计算主轴热变形量与热机时间对应关系的指数型曲线的指数系数k，并将滞后时间t1、升温时间t2、最大变形量S_max以及指数系数k的值录入到数控系统补偿参数中。

S2，数控系统根据滞后时间t1、升温时间t2、最大变形量S_max以及指数系数k建立主轴热变形量与热机时间对应的关系模型，通过关系模型实时计算热机时间t对应的主轴热变形量s。

对主轴热变形误差进行补偿除了需要主轴热变形量s外，还需要刀轴方向。三轴机床主轴热变形是沿Z轴方向，而五轴机床的主轴热变形是沿刀轴方向。五轴机床分为三种基本类型：双摆头型、双转台型和混合型，不同的五轴机床类型，获取刀轴矢量算法不同。因此该方法进一步包括：

S3，数控系统计算刀轴方向。

S4，数控系统根据刀轴方向将主轴热变形量s分解到三个直线轴上分别对三个直线轴进行补偿。

上述方法根据机床主轴热变形量和热机时间的关系，事先标定变形量，在热机过程中实时沿刀轴方向进行补偿，从而保证零件的加工精度，该方法是基于无温度传感器的热误差补偿，能够实时补偿沿刀轴方向主轴热变形量，成本低、调试周期短。

进一步地，所述步骤S2中建立的主轴热变形量与热机时间对应的关系模型具体如下：

其中，t为热机时间，s为主轴热变形量，t1为热传递滞后时间，t2为升温时间，S_max为最大变形量，k为指数系数。

上述公式是根据主轴热变形量与热机时间对应的指数型关系得到的，通过上述公式可以实时计算出主轴的热变形量。

进一步地，所述步骤S3中数控系统计算刀轴方向的具体方法如下：

当五轴数控机床为双摆头型，

当五轴数控机床为双转台型，

当五轴数控机床为混合型，

其中，、分别为五轴数控机床的两个旋转轴的旋转矩阵，为刀具初始方向坐标，为刀轴方向。

通过上述方法可以获得各类型五轴数控机床对应的刀轴方向，从而根据刀轴方向将主轴热变形量s分解到三个直线轴上分别对三个直线轴进行补偿。

如图3所示，进一步地，为了确保补偿效果，该方法还包括以下步骤

S5，在机床完全冷机状态下开机运行用于加工的程序，不开启补偿功能情况下，每隔1分钟记录一次在加工位置附近的主轴整体向刀轴方向的伸长量；

S6，在机床完全冷机状态下开机运行用于加工的程序，开启补偿功能情况下，每隔1分钟记录一次在加工位置附近的主轴整体向刀轴方向的伸长量；

S7，比较补偿前和补偿后的测试数据，正常情况下，开启补偿功能后，主轴伸长量整体会减小。当开启补偿功能后主轴伸长量的减小量满足要求后，主轴热误差补偿功能完成，如果不满足要求，重复步骤S1至步骤S7，直到补偿效果满足要求。

不同客户对补偿效果的要求不同，通过上述方法可以判断补偿效果是否满足要求，且在不满足要求时，继续进行补偿，直到补偿效果满足要求。

实施例2：

如图4所示，本发明实施例还提供一种五轴数控机床主轴热变形误差补偿系统，包括参数获取模块、主轴热变形量计算模块、刀轴方向计算模块以及补偿模块；各模块的功能由计算机程序执行。

所述参数获取模块用于获取主轴的热传递滞后时间t1、升温时间t2和最大变形量S_max以及指数系数k，并建立主轴热变形量与热机时间对应的关系模型。本实施例中，所述参数获取模块建立的主轴热变形量与热机时间对应的关系模型如下：

其中，t为热机时间，s为主轴热变形量，t1为热传递滞后时间，t2为升温时间，S_max为最大变形量，k为指数系数。

所述主轴热变形量计算模块用于根据主轴热变形量与热机时间对应的关系模型实时计算热机时间t对应的主轴热变形量s。

所述刀轴方向计算模块用于计算刀轴方向，具体计算方法如下：

当五轴数控机床为双摆头型，

当五轴数控机床为双转台型，

当五轴数控机床为混合型，

其中，、分别为五轴数控机床的两个旋转轴的旋转矩阵，为刀具初始方向坐标，为刀轴方向；

所述补偿模块用于根据刀轴方向将主轴热变形量s分解到三个直线轴上分别对三个直线轴进行补偿。

该系统运行于五轴数控机床的数控装置中，可自动对主轴热变形误差进行补差。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种五轴数控机床主轴热变形误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，在机床完全冷机状态下开机运行用于加工的程序，获取主轴的热传递滞后时间t1、升温时间t2和最大变形量S_max，根据滞后时间t1、升温时间t2和最大变形量S_max计算主轴热变形量与热机时间对应关系的指数型曲线的指数系数k，并将滞后时间t1、升温时间t2、最大变形量S_max以及指数系数k的值录入到数控系统补偿参数中；

S2，数控系统根据滞后时间t1、升温时间t2、最大变形量S_max以及指数系数k建立主轴热变形量与热机时间对应的关系模型，通过关系模型实时计算热机时间t对应的主轴热变形量s；

S3，数控系统计算刀轴方向v；

S4，数控系统根据刀轴方向v将主轴热变形量s分解到三个直线轴上分别对三个直线轴进行补偿；

所述步骤S3中数控系统计算刀轴方向v的方法如下：

当五轴数控机床为双摆头型，v＝Μ₁·Μ₂·v′

当五轴数控机床为双转台型，v＝v′

当五轴数控机床为混合型，v＝Μ₂·v′

其中，Μ₁、Μ₂分别为五轴数控机床的两个旋转轴的旋转矩阵，v′为刀具初始方向坐标，v为刀轴方向。

2.如权利要求1所述的五轴数控机床主轴热变形误差补偿方法，其特征在于：所述步骤S2中建立的主轴热变形量与热机时间对应的关系模型如下：

其中，t为热机时间，s为主轴热变形量，t1为热传递滞后时间，t2为升温时间，S_max为最大变形量，k为指数系数。

3.如权利要求1所述的五轴数控机床主轴热变形误差补偿方法，其特征在于：还包括以下步骤

S5，在机床完全冷机状态下开机运行用于加工的程序，不开启补偿功能情况下，每隔1分钟记录一次在加工位置附近的主轴整体向刀轴方向的伸长量；

S6，在机床完全冷机状态下开机运行用于加工的程序，开启补偿功能情况下，每隔1分钟记录一次在加工位置附近的主轴整体向刀轴方向的伸长量；

S7，比较补偿前和补偿后的测试数据，当开启补偿功能后主轴伸长量的减小量满足要求后，主轴热误差补偿功能完成，如果不满足要求，重复步骤S1至步骤S7，直到补偿效果满足要求。

4.一种五轴数控机床主轴热变形误差补偿系统，其特征在于：包括参数获取模块、主轴热变形量计算模块、刀轴方向计算模块以及补偿模块；

所述参数获取模块用于获取主轴的热传递滞后时间t1、升温时间t2和最大变形量S_max以及指数系数k，并建立主轴热变形量与热机时间对应的关系模型；

所述主轴热变形量计算模块用于根据主轴热变形量与热机时间对应的关系模型实时计算热机时间t对应的主轴热变形量s；

所述刀轴方向计算模块用于计算刀轴方向v；

所述补偿模块用于根据刀轴方向v将主轴热变形量s分解到三个直线轴上分别对三个直线轴进行补偿；

所述刀轴方向计算模块计算刀轴方向v的方法如下：

当五轴数控机床为双摆头型，v＝Μ₁·Μ₂·v′

当五轴数控机床为双转台型，v＝v′

当五轴数控机床为混合型，v＝Μ₂·v′

其中，Μ₁、Μ₂分别为五轴数控机床的两个旋转轴的旋转矩阵，v′为刀具初始方向坐标，v为刀轴方向。

5.如权利要求4所述的五轴数控机床主轴热变形误差补偿系统，其特征在于：所述参数获取模块建立的主轴热变形量与热机时间对应的关系模型如下：

其中，t为热机时间，s为主轴热变形量，t1为热传递滞后时间，t2为升温时间，S_max为最大变形量，k为指数系数。