CN108803484A - 一种机床开关机时热误差补偿系统的智能处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机床开关机时热误差补偿系统的智能处理方法，属于数控机床热误差补偿技术领域。针对目前热误差补偿方法在机床热态启动时补偿效果变差的问题，本发明在热误差补偿过程中，以一定的周期记录进给轴和主轴的相关热特性数据。在补偿装置随机床启动时，补偿软件在启动初始化中根据关机时间判断为热态启动还是冷态启动。若为热态启动则根据关机时间及记录的热特性数据计算出进给轴和主轴当前的热状态，并将该热状态作为热误差模型计算的初始值。该策略的优点在于：解决了热误差补偿状态必须在机床冷态时启动的问题，提高了机床热启动时的补偿精度，增加了热误差补偿的适用情况。

Description

一种机床开关机时热误差补偿系统的智能处理方法

技术领域

本发明涉及数控机床热误差补偿领域，具体为一种机床开关机时热误差补偿系统的智能处理方法。

背景技术

在影响机床精度的诸多因素中，热变形所在比重原来越大。而且机床精度越高，受热变形的影响越大。德国阿亨工业大学H.Brauning分析在使用现代机床制造零件的加工误差中，热变形引起的加工误差占总误差的50％。英国和日本的学者也得出了类似结论。

从上个世纪30年代瑞士最早发现机床热变形是影响定位精度的主要因素以来，国内外学者对机床热变形机理、热误差建模和热误差实时补偿等技术进行了大量研究。

1967年日本的Yoshida和Honda通过应变仪测量出机床的热变形，并通过分析试验数据得到了机床热变形与温度分布之间的关系。1973年Okushima采用有限元模型对机床的热变形进行预测，并通过在机床关键位置上增加外部热源的方式来控制机床热变形。1984年日本学者小岛辉一通过安装在主轴箱上的检测装置对机床热误差进行检测，并基于数控系统的补偿接口实现了加工中心热误差的补偿。1985年美国的M.A.Donmey等提出机床主轴热误差与温度近似成指数函数关系，其表达式为Σ＝a₀+a₁ΔT+a₂(ΔT)²+a₃(ΔT)³，其中a_i(i＝0,1,2,3)为转化系数；ΔT为温升。1993年日本OKK公司基于模糊控制理论的主轴头热误差补偿装置可以基于温度对主轴头的润滑油供应量进行精确控制，从而使机床与环境温度尽量统一，已达到减小热误差的目的。该装置可以实现24小时内主轴头热误差控制在20微米以内。

1985年北京机床研究所针对一台数控线切割机进行了热误差补偿。1992年浙江大学根据热变形规律的非线性等特显，提出了基于模糊集理论设计的前馈补偿控制方法，并取得了良好效果。1996年天津大学在一台加工中心上利用多自由度检测装置对主轴热误差进行了检测，在机床关键位置布置了12各温度传感器，基于人工神经网络建立了主轴热误差与温度的关系模型，并通过实际加工验证了补偿效果。

随着热误差建模和补偿技术的不断突破，热误差实时补偿得到了广泛应用，并申请了大量专利。

1991年Hermle.Harald发明的机床热误差补偿装置可以实现对机床加工过程中产生的线性热膨胀误差快速而准确地补偿，该装置获得了德国专利。H.Youden David发明的热误差补偿装置可实时检测精密车床的热误差，并将误差信息反馈给数控系统，从而实现了热误差的实时补偿，该装置获得了美国专利。1992年Schmid Robert发明的适用于数控加工中心的热误差补偿系统获得了德国专利。2002年日本FANUC提出了一种基于主轴运行生热和热传导原理的热误差计算方法，获得了欧盟专利。2010年日本大畏提出了基于转速变化和温度的数控机床主轴热误差补偿方法，该方法获得了美国专利。

专利“数控机床热误差贝叶斯网络补偿方法”，申请号：CN200810163140.5中，提出了一种基于贝叶斯网络的热误差预测模型。该模型具有表达直观、建模精度高和自适应的特点。在专利“一种精密卧式加工中心主轴热误差补偿方法”，申请号：CN201210118165.X中，基于有限元分析软件ANSYS-Workbench对主轴温度场和热变形进行了分析，利用最小二乘法建立了热误差模型，最终实现了主轴的热误差补偿。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：CN201310245088.9中，提出了基于数控系统HMI二次开发的数控机床热误差补偿系统，在不需要外部上位机的情况下实现热误差补偿。

通过对热误差补偿实施现状的分析，上述研究成果和专利在进行热误差补偿时，要求机床初始状态必须为冷态，即可近似认为机床整体温度场均匀，且等于环境温度。当补偿装置随着机床热态启动时，补偿效果就会变差。这就大大限制了热误差补偿的应用。

发明内容

针对现有补偿方法在补偿装置随机床热态重启后补偿效果变差的问题，本发明提出了一种机床开关机时热误差补偿系统的智能处理策略，提高了热误差补偿精度和适用范围。

本发明的所依托的热误差建模和补偿方法为：

(1)进给轴热误差模型将丝杠离散化为若干段，认为每段内温度均匀。基于丝杠的摩擦生热、热传导和热对流机理，建立了丝杠温度场的数学模型。在任意时刻通过对离散化的丝杠温度进行积分，即可得到当前的丝杠热膨胀误差。

(2)主轴热误差模型依据主轴当前时刻的温度以及前两个时刻主轴误差，推导出当前时刻的主轴热误差值。

本发明的技术方案：

在热误差实时补偿过程中以一定的周期记录模型和热特性相关数据，在机床热重启后的补偿系统初始化中，根据记录的数据及当前的温度等信息，应用热误差模型离线计算出当前机床的热状态，并将该状态作为热误差实时补偿的初始状态。

一种机床开关机时热误差补偿系统的智能处理方法，步骤如下：

第一步，记录实时补偿过程中的数据

在实时补偿过程中对如下进给轴和主轴热状态数据进行记录；

(1)根据进给轴热误差模型的需求，以周期为T_{f_save}，将如下数据保存到相应的文件中：

(1.1)当前各进给轴丝杠温度场数据：在进给轴热误差模型中，将丝杠以一定长度离散化为若干段，每段丝杠内温度均匀；丝杠各段温度的集合就是丝杠的温度场；

(1.2)当前各进给轴床身、前轴承座和后轴承座温度数据；

(1.3)当前的系统时间；

(2)根据主轴热误差模型的需求，以周期为T_{f_save}×10，将如下数据保存到相应的文件中：

(2.1)当前时刻主轴热误差模型相关的温度值；

(2.2)主轴当前时刻及前一时刻的热误差值；

(2.3)当前的系统时间；

第二步，读取记录的数据并进行判断

在机床关机重启后，补偿系统在初始化时将读取记录文件中的数据；当机床下电时热误差实时补偿系统也随之立即断电，这有可能造成最后一次保存的数据不完整；因此在读取记录文件时，使用倒数第二次保存的数据；

由当前系统时间和文件中记录的时间，计算出上次关机到此次开机的时间t_ss；根据进给轴的热特性，设置进给轴时间阈值t_f，当t_ss大于t_f时，判断进给轴为冷态启动；当t_ss小于等于t_f时则为热态启动；根据主轴的热特性，设置主轴时间阈值t_sp，当t_ss大于t_sp时，判断主轴为冷态启动；当t_ss小于等于t_sp时则为热态启动；

第三步，计算进给轴当前的热状态

(1)当进给轴冷态启动时，认为整根丝杠温度均匀，且温度等于丝杠附近的床身温度，因此将床身温度确定为丝杠温度场的初始状态；

(2)当进给轴热态启动时，整根丝杠的温度场可能不均匀，且高于丝杠附近的床身温度；因此在补偿系统启动初始化时，需要根据保存的数据和当前的各温度测点数据，应用进给轴热误差模型，离线地将关机过程中各时刻丝杠的温度场计算出来，计算公式如下：

其中：为丝杠L_i段在t+Δt时刻的温度，为丝杠L_i段在t时刻的温度，λ为热传导系数，A为丝杠的截面积，为丝杠L_i-1段在t时刻的温度，为丝杠L_i+1段在t时刻的温度，L为每段丝杠的长度，h为对流散热系数，S为丝杠L_i段与空气的换热面积，T_f(t)为t时刻与丝杠表面接触的空气温度，c为丝杠材料的比热容，m为每段丝杠的质量；

将本次机床开机时刻的丝杠温度场作为进给轴热误差模型计算的初始状态；

第四步，计算主轴当前的热状态

(1)当主轴冷态启动时，认为主轴整体温度均匀，且等于床身温度；因此将主轴X、Y和Z方向的热误差初值赋为0；

(2)当主轴热态启动时，主轴整体温度不均匀，且高于床身温度；因此在热误差补偿系统启动初始化时，需要根据保存的数据和当前的各温度测点数据，应用主轴热误差模型，离线地计算出关机过程中各时刻的主轴热误差，计算公式如下：

E_i＝a₁×y_i (2)

其中：E_i为当前时刻的主轴热误差值，a₁为系数，y_i为当前时刻一阶滞后响应处理值，其计算公式为：

y_i＝y_i-1+a₂×{a₃×(T_i-1-T_i-2)+[(T_i-T_i-1)-(T_i-1-T_i-2)]/a₄-y_i-1} (3)

其中：y_i-1为前一时刻一阶滞后响应处理值，a₂、a₃和a₄为系数，T_i、T_i-1和T_i-2为当前时刻、前一时刻和前两时刻主轴关键位置的温度值；

将机床开机时刻的主轴热误差作为主轴热误差模型计算的初始值。

本发明的有益效果：当机床热态重启时，可根据记录的数据计算出重启后机床的热状态，并将该状态作为热误差模型计算的初值，这样就解决了热误差补偿状态必须在机床冷态时启动的问题，提高了机床热启动时的补偿精度，增加了热误差补偿的适用情况。

附图说明

图1为机床开关机时热误差补偿系统的智能处理策略流程图。

图2(a)为未使用智能处理策略时机床热态重启前后进给轴热误差补偿效果。

图2(b)为使用智能处理策略时机床热态重启前后进给轴热误差补偿效果。

具体实施方式

为了使本发明技术方案和优点更加清晰明了，下面以某型立式加工中心的X轴热误差补偿为例，结合附图对本发明的实施方式进行说明。

测试过程为：

X轴测试行程为5mm～505mm，热机方式为在130mm～380mm范围内，以6000mm/min的速度往复运动50分钟，热机完成后测试热机后的X轴的定位误差，之后补偿装置随机床下电关机，在机床静止20分钟后重新补偿装置随机床重新上电开机。补偿装置和机床启动完成后再进行X轴定位误差测试，验证该智能处理策略的效果。

基于以上测试过程，本发明的具体实施方式为：

第一步，记录实时补偿中的数据

在X轴热机过程中，根据进给轴热误差模型的需求，以1s为周期将如下数据保存到相应的文本文档(txt文件)中：

a)当前各进给轴丝杠温度场数据：在进给轴热误差模型中，将丝杠以一定长度离散化为若干段，每段丝杠内近似认温度均匀。丝杠各段温度的集合就是丝杠的温度场。

b)当前各进给轴床身、前轴承座和后轴承座温度数据。

c)当前的系统时间，格式为年/月/日/时/分/秒。

第二步，读取记录的数据并进行判断

在补偿装置随机床重新启动后，补偿软件启动初始化时读取记录的txt文件中的倒数第二条记录。由当前系统时间和文件中记录的时间，可以计算出上次关机到此次开机的时间t_ss为21分32秒(包含了机床和补偿值装置的开机时间)。根据X轴的热特性设置进给轴时间阈值t_f为两小时，因此可判断本次启动为热态启动。

第三步，计算进给轴当前的热状态

本次X轴为热态启动，因此在热误差补偿软件启动初始化时，要读取的保存数据和当前的各温度测点数据，应用进给轴热误差模型，如式(1)所示，离线地将关机过程中各时刻丝杠的温度场计算出来，并将本次机床开机时刻的丝杠温度场作为进给轴热误差模型计算的初始状态。

图2(a)给出了使用该智能处理策略时机床热启动前后定位误差曲线。为了进行对比，在未使用该智能处理策略的情况下重新进行了上述测试，此次t_ss为21分45秒，图2(b)为这种情况下的机床热启动前后定位误差曲线。

Claims (1)

1.一种机床开关机时热误差补偿系统的智能处理方法，其特征在于，步骤如下：

第一步，记录实时补偿过程中的数据

在实时补偿过程中对如下进给轴和主轴热状态数据进行记录；

(1)根据进给轴热误差模型的需求，以周期为T_{f_save}，将如下数据保存到相应的文件中：

(1.1)当前各进给轴丝杠温度场数据：在进给轴热误差模型中，将丝杠以一定长度离散化为若干段，每段丝杠内温度均匀；丝杠各段温度的集合就是丝杠的温度场；

(1.2)当前各进给轴床身、前轴承座和后轴承座温度数据；

(1.3)当前的系统时间；

(2)根据主轴热误差模型的需求，以周期为T_{f_save}×10，将如下数据保存到相应的文件中：

(2.1)当前时刻主轴热误差模型相关的温度值；

(2.2)主轴当前时刻及前一时刻的热误差值；

(2.3)当前的系统时间；

第二步，读取记录的数据并进行判断

在机床关机重启后，补偿系统在初始化时将读取记录文件中的数据；当机床下电时热误差实时补偿系统也随之立即断电，这有可能造成最后一次保存的数据不完整；因此在读取记录文件时，使用倒数第二次保存的数据；

由当前系统时间和文件中记录的时间，计算出上次关机到此次开机的时间t_ss；根据进给轴的热特性，设置进给轴时间阈值t_f，当t_ss大于t_f时，判断进给轴为冷态启动；当t_ss小于等于t_f时则为热态启动；根据主轴的热特性，设置主轴时间阈值t_sp，当t_ss大于t_sp时，判断主轴为冷态启动；当t_ss小于等于t_sp时则为热态启动；

第三步，计算进给轴当前的热状态

(1)当进给轴冷态启动时，认为整根丝杠温度均匀，且温度等于丝杠附近的床身温度，因此将床身温度确定为丝杠温度场的初始状态；

(2)当进给轴热态启动时，整根丝杠的温度场可能不均匀，且高于丝杠附近的床身温度；因此在补偿系统启动初始化时，需要根据保存的数据和当前的各温度测点数据，应用进给轴热误差模型，离线地将关机过程中各时刻丝杠的温度场计算出来，计算公式如下：

其中：为丝杠L_i段在t+Δt时刻的温度，为丝杠L_i段在t时刻的温度，λ为热传导系数，A为丝杠的截面积，为丝杠L_i-1段在t时刻的温度，为丝杠L_i+1段在t时刻的温度，L为每段丝杠的长度，h为对流散热系数，S为丝杠L_i段与空气的换热面积，T_f(t)为t时刻与丝杠表面接触的空气温度，c为丝杠材料的比热容，m为每段丝杠的质量；

将本次机床开机时刻的丝杠温度场作为进给轴热误差模型计算的初始状态；

第四步，计算主轴当前的热状态

(1)当主轴冷态启动时，认为主轴整体温度均匀，且等于床身温度；因此将主轴X、Y和Z方向的热误差初值赋为0；

(2)当主轴热态启动时，主轴整体温度不均匀，且高于床身温度；因此在热误差补偿系统启动初始化时，需要根据保存的数据和当前的各温度测点数据，应用主轴热误差模型，离线地计算出关机过程中各时刻的主轴热误差，计算公式如下：

E_i＝a₁×y_i (2)

其中：E_i为当前时刻的主轴热误差值，a₁为系数，y_i为当前时刻一阶滞后响应处理值，其计算公式为：

y_i＝y_i-1+a₂×{a₃×(T_i-1-T_i-2)+[(T_i-T_i-1)-(T_i-1-T_i-2)]/a₄-y_i-1} (3)

其中：y_i-1为前一时刻一阶滞后响应处理值，a₂、a₃和a₄为系数，T_i、T_i-1和T_i-2为当前时刻、前一时刻和前两时刻主轴关键位置的温度值；

将机床开机时刻的主轴热误差作为主轴热误差模型计算的初始值。