CN108490883B - 一种数控机床预热方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种数控机床预热方法，调用生成的预热程序后空载运行，使数控机床主轴及XYZ运动部件的温度在3D椭圆曲线平滑运动过程中逐渐达到或接近设定的温度。本方法既可用于数控机床长时间停止运行后的各运动部件的预热，也可用于数控机床高精度零部件加工前的机床各运动部件的热平衡，进一步实现数控机床精度标定、检测、补偿、加工前的机床热状态控制。应用本方法不需要进行特殊装置或试切，可根据该方法编写出机床可识别的代码作为机床内嵌子程序使用，能驱动主轴、机床运动轴等运动部件进行复杂的空间运动，运动时能涵盖指定空间所有坐标轴范围，能根据机床运动轴进给速度进行动态变更和全覆盖，能根据主轴转速范围进行主轴转速的全覆盖。

Description

一种数控机床预热方法
技术领域
本发明涉及数控机床的维护控制技术领域，特别数控机床的预热技术。
背景技术
目前在数控加工领域，随着高速高效等高性能加工机床的出现，对数控机床精度的保持与提升技术不断兴起和应用，对机床使用过程提出了更高的要求。一般来说，数控机床的精度决定了零件加工精度，除了数控机床固有的几何精度外，数控机床主轴及各运动坐标轴部件发热导致的精度损失也成为了数控机床加工前的重要关注内容之一。
根据相关文献研究表明，数控机床的热特性对加工精度有重要影响，几乎占到加工精度的半数以上。机床的主轴、XYZ运动轴件所使用的导轨、丝杠等部件都会在运动中因负载和摩擦作用而升温变形，但热变形误差链中最终影响加工精度的却是主轴和XYZ运动轴部件相对工作台的位移。因此，控制主轴和XYZ运动轴部件运行时的温升，是解决数控机床热态精度，提高数控机床性能和加工精度的有效方法。
经过研究发现，机床在长时间停止运行状态下和热平衡状态下的加工精度差异较大，究其原因，是因为数控机床的主轴和各运动轴在运行一段时间后，其温度相对维持在某一固定水平，且随着加工时间的变化，数控机床的热态精度趋于平稳，这就表明了加工前的主轴和运动部件预热是非常有必要的。
当前，数控加工行业内没有标准的数控机床预热方法，仅有少数企业对机床主轴有特定的预热处理方法，但方法单一，缺乏对数控机床主轴和各运动部件的全面、有效预热，亟需引入一种标准化、易使用、较全面的方法加以规范。
发明内容
针对上述不足，本发明提供一种标准化、易使用、较全面的数控机床预热方法
本发明的技术方案为：一种数控机床预热方法，在数控机床长时间停止运行状态下或进行高精度零部件加工前，依据数学3D椭圆参数曲线和预热的机床空间范围，以t为自变量，XYZ三个运动轴坐标作为参变量，按照一定的增量步距，以指定的XYZ运动轴的最大范围作为参数曲线的边界条件，并使得主轴转速和XYZ运动轴进给速度与自变量t关联，让其在指定范围内连续变化，生成数控机床可识别的数控程序，用以驱动机床各运动轴产生同步空载运动，并在运动过程中伴随主轴转速和进给速度的控制变换。
所述机床运动空间范围是机床的XYZ最大行程空间，或是待加工零部件的运行空间。
所述依据3D椭圆参数曲线生成的数控程序中的转速和进给速度将随着XYZ的同步运动进行数值变换，并可进行多次重复变换，且其变换范围涵盖指定的主轴转速范围和进给速度范围。
本发明方法在设定的时间后结束。
本发明方法在完成设定的运动步距和椭圆曲线数量后结束。
本发明方法在各运动部件的实际温度达到或接近设定温度时结束。
本发明的方法是在数控机床长时间停止运行状态下或进行高精度零部件加工前，依据特定数学3D椭圆参数曲线和预热的机床空间范围，生成数控机床可识别的数控程序，用以驱动机床XYZ运动轴产生同步空载运动，并在空载运动过程中伴随主轴转速和进给速度的控制变换，运行一段时间后或在主轴、XYZ运动轴温度均达到或接近某一设定温度时结束。
本发明的方法能驱动数控机床基于3D椭圆曲线进行平滑运动，能在运动后使得机床主轴和各运动部件在特定空间内进行XYZ全范围空载联动，在此过程中XYZ轴在运动过程中由于转速、进给速度以及随着3D椭圆平滑曲线轨迹的变化而产生速度、加速度、加加速度的平滑变换，从而保障数控机床在零部件加工前运动充分、润滑充分，温度变化均衡，减少机床长时间停止运行后启动机床带来的过载和非正常磨损。
本发明相比以往技术具有如下积极效果：
1、本发明创新地提供了一种数控机床的3D椭圆曲线预热程序生成方法，供数控机床在零部件加工前跳一段“热身舞”：“3D椭圆曲线舞”，可使数控机床主轴和XYZ运动部件在平滑的3D椭圆曲线运动过程中达到或接近某一设定温度，能够减少机床长时间停止运行后启动数控机床时给主轴与各运动轴部件带来的非正常磨损和精度损失。
2、本发明产生的数控程序主要用于数控机床空载运行，不需要专用设备和零件试切，可依据本发明生成标准的数控预热程序供数控机床调用，能更好地维护和保持数控机床精度,成本低廉，可操作性强
3、本发明规范了数控机床的预热动作,可在高精度零部件加工前使用，能在使用后反映机床的真实精度，为数控机床精度的测评与补偿提供技术基础。
附图说明：
下面结合附图对本发明的具体实例作进一步详细的说明。
附图1是应用本发明所形成的一种基于3D椭圆参数曲线的示意图。
附图2是应用本发明所形成的一种基于3D椭圆参数曲线的程序轨迹仿真示意图。
具体实施方式
下面结合附图1和附图2以实例进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
本发明一种数控机床预热方法，在数控机床长时间停止运行状态下或进行高精度零部件加工前，依据3D椭圆参数曲线和预热的机床空间范围，以t为自变量，XYZ三个运动轴坐标作为参变量，按照一定的增量步距，以指定的XYZ运动轴的最大范围作为参数曲线的边界条件，并使得主轴转速和XYZ运动轴进给速度与自变量t关联，让其在指定范围内连续变化，生成数控机床可识别的数控程序，用以驱动机床各运动轴产生同步空载运动，并在运动过程中伴随主轴转速和进给速度的控制变换。所述机床运动空间范围是机床的XYZ最大行程空间，或是待加工零部件的运行空间。所述依据3D椭圆参数曲线生成的数控程序中的转速和进给速度将随着XYZ的同步运动进行数值变换，并可进行多次重复变换，且其变换范围涵盖指定的主轴转速范围和进给速度范围。
本发明方法可在设定的时间后预热结束。
本发明方法可在完成设定的运动步距和椭圆曲线数量后结束，
本发明方法可在各运动部件的实际温度达到或接近设定温度时结束。
本发明一种数控机床预热方法，在数控机床长时间停止运行状态下，依据数学3D椭圆参数曲线和预热的机床空间范围，以t为自变量，XYZ三个运动轴坐标作为参变量，按照一定的增量步距，以指定的XYZ运动轴的最大范围作为参数曲线的边界条件，并使得主轴转速和XYZ运动轴进给速度与自变量t关联，让其在指定范围内连续变化，生成数控机床可识别的数控程序，用以驱动机床各运动轴产生同步空载运动，并在运动过程中伴随主轴转速和进给速度的控制变换。所述机床运动空间范围是机床的XYZ最大行程空间，或是待加工零部件的运行空间。所述依据3D椭圆参数曲线生成的数控程序中的转速和进给速度将随着XYZ的同步运动进行数值变换，并可进行多次重复变换，且其变换范围涵盖指定的主轴转速范围和进给速度范围。
预热方法可在各运动部件的实际温度达到或接近设定温度时结束。
本发明的基于3D椭圆参数曲线的数控机床预热方法，包括如下步骤：
步骤1：确定预热空间范围、主轴转速范围、进给速度范围
设定待加工零件的加工范围（预热空间范围）：
Xmax=800 mm，Ymax=400 mm， Zmax=200 mm；
主轴转速范围：R6=20000 rpm；
进给速度范围：R7=12000 mm/min；
步骤2：设定选用的3D椭圆参数曲线：
本例选择的3D椭圆参数曲线公式如下：
Xt=R3*t*COS(R2*360*t)
Yt=R4*t*SIN(R2*360*t)
Zt=R5*t*COS(1.5*R2*360*t)
其中：
t：自变量，取值为{0,1}，增量为0.0001
R2：椭圆圈数，本例中设为32
R3：椭圆长半轴，本例中R3=0.5*Xmax=400 mm
R4：椭圆短半轴，本例中R4=0.5*Ymax=200 mm
R5：3D椭圆半高，本例中R5=0.5*Zmax=100 mm
在计算机上CAD软件模拟的效果如附图1所示。
步骤3：编制基于3D椭圆参数曲线预热程序
按上述公式，以Siemens840D系统为例编制所得的预热程序如下：
注：本例中为避免与系统变量冲突，自变量t以变量R1代替
；PreHeat.spf
G71 G90 G40
T01 M06
TRAORI
SOFT FFWON
G54 D1
R1=0.0001 ;自变量t以R1代替
R2=32 ;椭圆圈数
R3=400 ;椭圆长轴
R4=200 ;椭圆长轴
R5=100 ; 3D椭圆半高
R6=20000 ;最大转速
R7=12000 ;最大进给速度
WHILE R1<=1.0 ;循环开始
R10=R3*R1*COS(R2*360*R1)
R11=R4*R1*SIN(R2*360*R1)
R12=R5*R1*COS(1.5*R2*360*R1)
G01 X=R10 Y=R11 Z=R12 F=(R7*R1) S=R6*R1 M03
R1=R1+0.0001 ;自变量增量0.0001
ENDWHILE ;循环结束
M30
步骤4：数控机床运行
依据上述程序，运行数控机床。
其在数控机床上仿真的运行效果如附图2所示，运行轨迹平滑变化，产生速度、加速度、加加速度的变换也平滑，能够减少机床各运动轴部件的非正常磨损和精度损失。

Claims (6)

1.一种数控机床预热方法，其特征在于，在数控机床长时间停止运行后或进行高精度零部件加工前，依据数学3D椭圆参数曲线和预热的机床运行空间范围，以t为自变量，XYZ三个运动轴坐标作为参变量，按照一定的增量步距，以指定的XYZ运动轴的最大范围作为参数曲线的边界条件，并使得主轴转速和XYZ运动轴进给速度与自变量t关联，让主轴转速和XYZ运动轴进给速度在机床运行空间范围内连续变化，生成数控机床可识别的数控程序，用以驱动机床各运动轴产生同步空载运动，并在运动过程中伴随主轴转速和进给速度的控制变换；
所述3D椭圆参数曲线公式如下：
Xt=R3*t*COS(R2*360*t)
Yt=R4*t*SIN(R2*360*t)
Zt=R5*t*COS(1.5*R2*360*t)
其中：t：自变量；R2：椭圆圈数；R3：椭圆长半轴；R4：椭圆短半轴；R5：3D椭圆半高。
2.根据权利要求1所述一种数控机床预热方法，其特征在于，所述机床运动空间范围是机床的XYZ最大行程空间，或是待加工零部件的运行空间。
3.根据权利要求1所述一种数控机床预热方法，其特征在于，所述依据3D椭圆参数曲线生成的数控程序中的转速和进给速度将随着XYZ的同步运动进行数值变换，并可进行多次重复变换，且其变换范围涵盖指定的主轴转速范围和进给速度范围。
4.根据权利要求1所述一种数控机床预热方法，其特征在于，所述预热方法在设定的时间后结束。
5.根据权利要求1所述一种数控机床预热方法，其特征在于，所述预热方法在完成设定的运动步距和椭圆曲线数量后结束。
6.根据权利要求1所述一种数控机床预热方法，其特征在于，所述预热方法在各运动部件的实际温度达到设定温度时结束。
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