CN109884983B - 一种从机床定位误差中分离热误差的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种从机床定位误差中分离热误差的方法，包括在机床传动系统中选择热敏测点并监测其温度变化，测量各个热敏测点的定位误差；从冷机状态开始，来回循环测量定位误差并记录热敏测点的温度值，直至传动系统达到热平衡状态；对每轮循环取相同部位的前后热敏测点定位偏差数据去除相同测试条件下的微小误差，得到剩余误差；分别将不同测量循环对应的剩余误差平均值减去冷机状态下的值，分离得到传动系统在不同温升状态下的热误差。该方法操作方便，数据处理快捷，可更准确、快速的实现机床丝杠传动系统中热误差的分离。

Description

一种从机床定位误差中分离热误差的方法和系统

技术领域

本发明属于数控机床误差测量、建模的应用领域，具体涉及一种从机床丝杠传动定位误差中分离出热误差的方法。

背景技术

丝杠作为机床加工过程中关键的传动装置，在工作过程中的发热会导致机床床身和其他零部件的受热膨胀，膨胀幅度的大小主要取决于温度和机床部件的材料特性，而由此引发的丝杠传动热误差会导致工作台的定位误差随温度的变化而变化。其中丝杠传动的定位误差主要包含有螺距误差、回程误差、形位误差、热误差、测量误差等，而测量误差一般可以通过规范操作测量器件和重复测量对其进行避免或者减小，对于定位误差结果影响较小，一般不予考虑。

如文献(王维，杨建国，姚晓栋，等.数控机床几何误差与热误差综合建模及其实时补偿[J].机械工程学报，2012，48(07):165-170，179.)采用激光干涉仪对立式加工中心的移动Y轴进行定位误差检测，测量起点为数控机床坐标零点，每25mm取一个测量点，根据行程取17个测量点，分别测量了机床不同温度状态下的定位误差，根据不同温度的定位误差值建立热误差模型。其实质是根据定位误差的变化间接反映热误差的规律，即拟合数据曲线的斜率与温度变化的关系来进行建模补偿，但未对热误差进行提取。

文献(刘宏伟，陈吉红，向华.机床丝杠热误差的测量与补偿研究[J]. 制造技术与机床，2018(03):154-156.)中采用ANSYS分析丝杠的热变形云图得出温度传感器的布置位置，根据丝杠受热变形公式，计算出一维变温热误差的微分方程，选用激光干涉仪测量丝杠在不同温度下的伸长量，最后利用最小二乘法将丝杠的温升和产生的热误差曲线进行拟合，建立热误差模型，但未计算出热误差的具体数值。

又如文献(孙磊.数控机床主轴热误差动态检测与分离研究[D].浙江大学,2013.)根据发热会引起机床主轴结构发生热膨胀从而导致热偏移这一原理，利用电涡流位移传感器来测量主轴热偏移参数，然后在LabVIEW中调用MATLAB进行复合编程，最后将传感器获取的热变形数据和温度数据进行多元线性回归建模和RBF神经网络建模，建立最终的热误差模型。而该方法也是仅仅通过获得热偏移参数来反映热误差在不同热源下的不同程度，并没有计算出热误差的具体数值。

德国西门子公司研发的840D数控系统中具有的温度补偿功能也能用来修正热误差带来的影响。通过测量定位误差并且拟合出定位误差在不同温度下的误差曲线，用误差曲线的斜率与位置偏移量的乘积加上与温度无关的温度补偿值，即可获得最终的补偿值，最后在插补周期内将根据温度计算得到的补偿值送入数控系统来修正轴的运动。但是此系统也未分离热误差数值。

又如实用新型专利(CN201720165697.7)公开了一种机床进给轴丝杠热误差的补偿装置，该方法利用红外线温度传感器分别检测丝杠螺母、螺母所在丝杠的位置、行程之间的丝杠等位置的温度，将检测到的温度值送入进给轴热误差实时计算模块，根据进给轴位置读取模块进而进行补偿，对于热误差的大小仅根据测得的温度值进行计算，并未提到热误差详细的提取或计算方法。

上述文献、专利中均提出了丝杠传动系统中热误差的测量与补偿，其主要是根据定位误差的变化间接研究热误差的规律，例如用定位误差—温度的误差拟合曲线的斜率与温度变化的关系来进行建模补偿，而所述文献或专利大都侧重于测点优化和误差建模的方法，对于丝杠传动定位误差中热误差的大小却并没有进行明确的计算或分离。整个丝杠传动系统在运行过程中丝杠、丝杠螺母、轴承等位置均会发热，引发热误差，而仅对于丝杠受热的变形量进行检测则不能准确的反应整个丝杠传动系统的热误差。在不考虑热误差影响时，相同的测试环境下螺距误差、回程误差、形位误差等均具有周期性或累积性，如不及时消除则可能会造成误差的累积，如何避免这些周期性误差对热误差的影响，对于提取热误差至关重要。本发明因此而来。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出一种从机床定位误差中分离热误差的方法，该方法操作方便，数据处理快捷，可更准确、快速的实现机床丝杠传动系统中热误差的分离。

本发明的技术方案是：

一种从机床定位误差中分离热误差的方法，包括以下步骤：

1)在机床传动系统中选择热敏测点并监测其温度变化，测量各个热敏测点的定位误差；

2)从冷机状态开始，来回循环测量定位误差并记录热敏测点的温度值，直至传动系统达到热平衡状态；

3)对每轮循环取相同部位的前后热敏测点定位偏差数据去除相同测试条件下的微小误差，得到剩余误差；

4)分别将不同测量循环对应的剩余误差平均值减去冷机状态下的值，分离得到传动系统在不同温升状态下的热误差。

优选的技术方案中，所述步骤2)中具体步骤包括，从冷机状态开始记为第一次循环测量，并且记录下每次循环的起点位置和终点位置，同时记录热敏测点在当前循环的温度值，设定固定步距，使工作台沿某一方向轴来回移动，每到达步距点位置时，记录一次定位误差，完成3次循环测量后，使传动系统发热，记录终点位置，准备开始下一轮循环；当第二轮循环开始时再次从第一轮测量的起点位置开始测量，以此循环，直到传动系统进入热平衡状态。

优选的技术方案中，所述步骤3)中去除相同测试条件下的微小误差的方法包括：

去除第一个步距测点和最后一个步距测点的数据后，对数据进行线性插值处理；

将剩余每一个步距测点经过插值处理后的定位误差值减去前一个步距点的值，即可去除相同测试条件下的微小误差。

本发明还公开了一种从机床定位误差中分离热误差系统，在传动系统的热敏点布置温度传感标签，所述温度传感标签采集热敏测点温度信号并无线传输给温度标签接收器，所述温度标签接收器连接上位机，在机床工作台固定线性反光镜，在主轴箱下方安装双频激光干涉仪的干涉镜，采集传动系统的定位误差；从冷机状态开始，来回循环测量定位误差并记录热敏测点的温度值，直至传动系统达到热平衡状态；对每轮循环取相同部位的前后热敏测点定位偏差数据去除相同测试条件下的微小误差，得到剩余误差；分别将不同测量循环对应的剩余误差平均值减去冷机状态下的值，分离得到传动系统在不同温升状态下的热误差。

优选的技术方案中，所述循环测量定位误差具体步骤包括，从冷机状态开始记为第一次循环测量，并且记录下每次循环的起点位置和终点位置，同时记录热敏测点在当前循环的温度值，设定固定步距，使工作台沿某一方向轴来回移动，每到达步距点位置时，记录一次定位误差，完成3次循环测量后，使传动系统发热，记录终点位置，准备开始下一轮循环；当第二轮循环开始时再次从第一轮测量的起点位置开始测量，以此循环，直到传动系统进入热平衡状态。

优选的技术方案中，所述去除相同测试条件下的微小误差的方法包括：

去除第一个步距测点和最后一个步距测点的数据后，对数据进行线性插值处理；

将剩余每一个步距测点经过插值处理后的定位误差值减去前一个步距点的值，即可去除相同测试条件下的微小误差。

本发明的优点是：

先在机床冷机状态下测得丝杠传动系统含有螺距误差、回程误差、形位误差等周期性的定位误差，拖动工作台使丝杠传动系统发热，周期性来回测量含有热误差的定位误差，然后通过线性插值法获得实际计算定位误差值，采用后一测点定位误差减去前一测点的方式消除相同测试条件下的微小误差，得到含有热误差和螺距、回程、形位等主要误差的剩余误差，最后将各个测点的来回行程剩余误差求平均，分别与冷机状态下的误差相减，确保数据处理过程中比较对应的是不同循环的测点在同一位置的热误差数据，得到丝杠传动系统各点在不同温升状态下的热误差。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明一种从机床定位误差中分离热误差系统的原理图；

图2是本发明一种从机床定位误差中分离热误差的方法流程图；

图3是本发明测量方法示意图；

图4是本发明运算数据取值示意图；

图5是本发明丝杠热误差曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例：

结合附图和具体实施方式对本专利作进一步说明：

如图2所示，一种机床定位误差中分离出热误差的方法，本实施例以丝杠传动系统为例进行说明。对丝杠传动系统的热敏点布置温度传感标签来采集测点温度信号并无线传输给读写器和上位机系统，同时在工作台固定线性反光镜，配合双频激光干涉仪，实现丝杠传动系统定位误差的采集。从冷机状态开始，以来回行程定步距暂停测量的方式对丝杠传动系统的温度与定位误差进行监测，直到热平衡状态结束。对每轮循环取相同一段丝杠部位的前后测点定位偏差数据先进行线性插值处理后再进行相减处理，去除相同测试条件下的微小误差，得到含有热误差和螺距、回程、形位等主要误差的剩余误差，分别将不同测量循环对应的剩余误差平均值减去冷机状态下的值，可去除螺距、回程、形位等误差，分离得到丝杠传动系统在不同温升状态下的热误差。

(1)测试系统搭建

如图1所示，以某龙门加工中心X轴的丝杠传动系统为例，分析丝杠传动系统包括电机1、丝杠2、第一轴承座3和第二轴承座4，工作台5通过丝杆螺母10固定在丝杆上，丝杠传动系统的主要发热源如轴承座、丝杆螺母、电机座等，选择其中位置之一作为热敏测点，本实施例选择第一轴承座3上的测点，布置温度传感标签6，采集热敏测点的温度，温度传感标签采集热敏测点温度信号并无线传输给温度标签接收器11，温度标签接收器 11连接上位机12。激光干涉仪测量系统测量工作台的定位误差，在机床工作台固定线性反光镜7，主轴箱8下方安装双频激光干涉仪的干涉镜9，双频激光干涉仪还包括激光发射器13，可快速获得工作台的移动位置，采用干涉镜不动，移动反射镜的架设方式，随工作台来回移动。

(2)数据测量

实验数据的测量方式如图3所示，取X轴某段行程S为测量范围，设置两端越程值为S1，以长度a为步距，使工作台沿X轴方向在行程S附近来回移动，每到达一个步距点位置时停止一次，让上位机得以采集丝杠传动系统的在该点的定位误差。并且记录每次循环的起点和终点位置。

(3)数据获取

如图3所示，取X轴某段行程S为测量范围，设置两端越程值为S1，以长度a为步距，使工作台沿X轴方向在行程S附近来回移动，每到达步距点位置时停止，让上位机得以采集丝杠传动系统的在该点的定位误差。从冷机状态开始，开始第1循环定位误差的测量，测得此时热敏测点温度为 T(1)，规定去行程(↑)开始测量的第一个点为第0点，测得定位误差为

第二个测量的数据点为第1点，测得定位误差为

…，S行程末端第j-1个测量的数据点为第j点，测得的定位误差为

其中，j＝S/a。测量完去行程(↑)的最后一个点后继续移动至越程量，反向运动，开始测量回程(↓) 时的定位误差，当到达行程S位置时停止，测得回程起始点定位误差为

继续以a步距运行，测量完回程的所有测点，当到达行程开始点时，测得定位误差为

完成1次来回行程定位误差的测量。重复测量三次，完成丝杠传动系统在冷机状态下定位误差的测量，测得的数据分别为：

第1循环3次测量完以后，继续来回拖动工作台，持续20分钟，使丝杠传动系统发热，待20分钟后，开始第2循环的测量，记录此时热敏测点温度为T(2)，按上述方式完成第2循环定位误差的测量。就这样来回拖动工作平台，每隔20分钟循环测量一次，直到丝杠传动系统达到热平衡状态为止，即丝杠热敏测点的温升变化趋于0或近似等于0，此时为第n循环，热敏测点温度为T(n)，采用上述方式记录对应来回行程步距点定位误差数据。

(4)热误差分离

在冷机状态下，即在第1循环测量的来回行程定位误差中，主要包含了螺距误差、回程误差、形位误差、热误差等。除除热误差外，其他误差在相同的测试环境下具有周期性，其变化值较小。为了消除每个测量循环带入的这些周期性误差，将每一个步距测点的定位误差值减去前一个步距点的定位误差，消除相同测试条件下的微小误差，得到含有热误差和螺距、回程、形位等主要误差的剩余误差；如第1循环处理后的数据为：

但是由于在本实验中采用的雷尼绍XL80双频激光干涉仪在测试的过程中开始一轮新的循环测试时的起点并非与上一轮完全一致，测试时通过手动归零的方式开始一轮新的循环，在计算各循环剩余误差用于分离热误差时，对比的并非丝杠同一位置的误差数据，为了保证精确性，在本方法中处理数据时，从第2循环开始，第1循环各测点对应在其余各循环同一位置的定位误差数据可由该循环在同一行程对应前后两个测点的实际测得数据通过线性插值的方法获得。用f表示插值系数，f^↑表示去行程(↑)，f^↓表示回程(↓)；通过在测量时记录的位置得到对应测点的偏移量k,用k^↑表示去行程(↑)，k^↓表示回程(↓)，如图4所示；即可计算得到各点的插值系数，比如第1循环第1次去行程(↑)时第1点对应第2循环相同位置的定位误差实际大小应为

其中

这样就可以通过线性插值法获得各循环相对第1循环相同位置的实际误差值；同时由于每轮循环的起点和终点位置均与上一轮有偏差，将每轮循环各个行程的第一个步距和最后一个步距的数据删除，只取中间运行时重合度较高的部位的测量数据；如第n循环处理后的数据为：

为简化计算，不妨令

以此类推，可将上式简化写成：

经过插值法处理获得新的误差数据后，再将每一个步距测点的定位误差值减去前一个步距点的定位误差，消除相同测试条件下的微小误差，得到含有热误差和螺距、回程、形位等主要误差的剩余误差，如第n循环处理后的数据为：

分别将每个测点处理后的3次来回行程值相加求平均，得到含有热误差的剩余误差平均值

其中

式中下标n表示当前为第n循环。

分别将各个循环的剩余误差平均值与第1循环冷机状态下的剩余误差平均值相减，得到丝杠传动系统各点在不同温升ΔT下的热误差，即：

结合具体的测量数值对本发明作进一步详细说明：

测试环境温度为13.4℃，冷机状态下开始，测量行程范围为0-2500mm (本例计算数据时实际选用的量程为100-2400mm)，越程量设为10mm,丝杠转速设定为6000rpm，以100mm为步距测量工作台的定位误差。

冷机状态下开始第1轮循环测量，来回测量三次，获得第一组定位误差数据，如下表所示：

本例中一共测得26个(0——25)测点数据，但是在后续实际计算处理时只取其中24个(1——24)测点数据；完成3次循环测量后，来回拖动工作台20分钟使丝杠发热，20分钟后记录终点位置开始下一轮循环。

实验结果显示，当系统运行120分钟左右时，热敏测点的温度值增幅较小，此时判定丝杠传动系统达到热平衡状态，在120分钟内共测得5组定位误差数据。

(3)热误差分离

得到定位误差数据后，根据公式(1)将第2循环至第5循环的测量数据通过线性插值法计算出对比第1循环相同位置测点的定位误差数据，如下表所示；

第2循环定位误差数据(插值后)(单位：μm)

第3循环定位误差数据(插值后)(单位：μm)

第4循环定位误差数据(插值后)(单位：μm)

第5循环定位误差数据(插值后)(单位：μm)

然后根据公式(2)对数据进行处理，消除相同测试条件下的微小误差，得到含有热误差和螺距、回程、形位等主要误差的剩余误差。然后根据公式 (3)将各点的来回剩余误差相加求平均，得到含有热误差和螺距、回程、形位等主要误差的剩余误差平均值，如下表所示：

序号	第1循环	第2循环	第3循环	第4循环	第5循环
						1	0.93	2.13	1.88	2.72	3.07
2	0.00	0.18	1.38	2.35	2.45
						3	1.12	1.58	2.92	3.43	4.05
4	1.63	2.83	3.72	4.62	5.20
						5	1.65	3.25	4.70	5.27	5.55
6	0.85	3.03	4.18	4.95	5.13
						7	0.50	2.03	3.70	4.52	4.60
8	0.33	2.13	3.55	4.30	4.60
						9	-0.45	1.60	3.28	3.78	3.78
10	-0.50	1.25	2.67	3.40	3.57
						11	-2.33	0.45	1.83	2.42	2.42
12	-3.40	-0.98	0.75	1.15	1.43
						13	-3.78	-1.62	-0.12	0.60	0.65
14	-2.03	-0.87	0.60	1.70	1.63
						15	-0.07	0.53	2.10	2.95	3.23
16	0.02	1.63	3.10	4.12	4.28
						17	-0.53	1.48	2.95	3.67	3.87
18	-1.62	0.78	2.45	3.18	3.22
						19	-1.53	0.08	1.80	2.55	2.98
20	-0.68	0.90	2.43	3.12	3.05
						21	-0.18	1.47	3.27	4.25	4.37
22	0.45	2.40	3.82	4.67	4.80
						23	0.67	2.60	4.03	4.90	5.10

最后根据公式(4)，将不同温度所对应循环求得的值分别与第1循环相减，求出不同温升状态下对应的热误差，分别在温升为：9.6℃、7.8℃、6.5℃、 4.9℃时分离出相对应的热误差数据，绘制成曲线图，如图5所示。如在温升为9.6℃时计算出热误差最大值为5.17μm，最小值为0.95μm，平均值为 2.56μm。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (6)

1.一种从机床定位误差中分离热误差的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）在机床传动系统中选择热敏测点并监测其温度变化，测量各个热敏测点的定位误差；

2）从冷机状态开始，来回循环测量定位误差并记录热敏测点的温度值，直至传动系统达到热平衡状态，即热敏测点的温升变化趋于0或近似等于0；

3）对每轮循环取相同部位的前后热敏测点定位偏差数据去除相同测试条件下的微小误差，得到剩余误差；

4）分别将不同测量循环对应的剩余误差平均值减去冷机状态下的值，分离得到传动系统在不同温升状态下的热误差。

2.根据权利要求1所述的从机床定位误差中分离热误差的方法，其特征在于，所述步骤2）中具体步骤包括，从冷机状态开始记为第一次循环测量，并且记录下每次循环的起点位置和终点位置，同时记录热敏测点在当前循环的温度值，设定固定步距，使工作台沿某一方向轴来回移动，每到达步距点位置时，记录一次定位误差，完成3次循环测量后，使传动系统发热，记录终点位置，准备开始下一轮循环；当第二轮循环开始时再次从第一轮测量的起点位置开始测量，以此循环，直到传动系统进入热平衡状态。

3.根据权利要求1所述的从机床定位误差中分离热误差的方法，其特征在于，所述步骤3）中去除相同测试条件下的微小误差的方法包括：

去除第一个步距测点和最后一个步距测点的数据后，对数据进行线性插值处理；

将剩余每一个步距测点经过插值处理后的定位误差值减去前一个步距点的值，即可去除相同测试条件下的微小误差。

4.一种从机床定位误差中分离热误差系统，其特征在于，在传动系统的热敏点布置温度传感标签，所述温度传感标签采集热敏测点温度信号并无线传输给温度标签接收器，所述温度标签接收器连接上位机，在机床工作台固定线性反光镜，在主轴箱下方安装双频激光干涉仪的干涉镜，采集传动系统的定位误差；从冷机状态开始，来回循环测量定位误差并记录热敏测点的温度值，直至传动系统达到热平衡状态，即热敏测点的温升变化趋于0或近似等于0；对每轮循环取相同部位的前后热敏测点定位偏差数据去除相同测试条件下的微小误差，得到剩余误差；分别将不同测量循环对应的剩余误差平均值减去冷机状态下的值，分离得到传动系统在不同温升状态下的热误差。

5.根据权利要求4所述的从机床定位误差中分离热误差系统，其特征在于，所述循环测量定位误差具体步骤包括，从冷机状态开始记为第一次循环测量，并且记录下每次循环的起点位置和终点位置，同时记录热敏测点在当前循环的温度值，设定固定步距，使工作台沿某一方向轴来回移动，每到达步距点位置时，记录一次定位误差，完成3次循环测量后，使传动系统发热，记录终点位置，准备开始下一轮循环；当第二轮循环开始时再次从第一轮测量的起点位置开始测量，以此循环，直到传动系统进入热平衡状态。

6.根据权利要求4所述的从机床定位误差中分离热误差系统，其特征在于，所述去除相同测试条件下的微小误差的方法包括：

去除第一个步距测点和最后一个步距测点的数据后，对数据进行线性插值处理；

将剩余每一个步距测点经过插值处理后的定位误差值减去前一个步距点的值，即可去除相同测试条件下的微小误差。

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