CN112809451B - 机床主轴温度修正方法、热伸长量补偿方法、介质及机床 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机床主轴温度修正方法、热伸长量补偿方法、介质及机床。所述机床主轴温度修正方法包括：获取一修正时间段内的主轴转速；其中，所述修正时间段的终点为当前时刻；根据所述修正时间段内的主轴转速，获取当前时刻的主轴指数加权平均转速；根据所述当前时刻的主轴指数加权平均转速，获取当前时刻的温度修正系数；获取当前时刻机床主轴的温度，并获取该机床主轴的温度相对于一初始温度的温度变化量，其中，所述初始温度为机床冷态下主轴的温度；利用所述当前时刻的温度修正系数对所述温度变化量进行修正，以得到修正后的主轴温度变化量。根据所述修正后的主轴温度变化量获取到的主轴的热伸长量具有较高的精度。

Description

机床主轴温度修正方法、热伸长量补偿方法、介质及机床

技术领域

本发明属于程序控制系统领域，涉及一种修正方法，特别是涉及一种机床主轴温度修正方法、热伸长量补偿方法、介质及机床。

背景技术

机床热误差是指机床热变形致使机床按某种操作规程指令所产生的实际响应与该操作规程所预期产生的响应之间的差异。大量研究表明，热变形误差是数控机床的最大误差源，占总误差的40％～70％，因此由热变形导致的精度下降问题就显得日益突出。在没有热误差补偿的情况下，为了保证加工精度，在加工之前需要热机半小时到1小时，且中间休息时也不能让机床停下来，目的是保证机床始终处于热平衡的状态，造成了能源的浪费，也难以保证加工质量的一致性。

目前已有的热误差补偿方案主要基于事先建立的、关于温度变化量和热伸长量关系的数学模型，根据当前测温点的温度值来获取温度变化量进而得到热伸长量。然而，在对机床主轴的温度进行测量时，温度传感器一般是放在主轴外壳上，主轴内部的温度传到外壳上需要一定的时间，这会导致温度传感器采集到的温度相对于热伸长量有严重的滞后性，因此，直接依据采集到的温度值获取温度变化量进而获取热伸长量的方案存在补偿精度较低的问题，该问题在主轴转速变化较快时尤为明显。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种机床主轴温度修正方法、热伸长量补偿方法、介质及机床，用于解决现有技术中直接依据采集到的温度值获取温度变化量进而获取热伸长量的方案存在补偿精度较低的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明的第一方面提供一种机床主轴温度修正方法、热伸长量补偿方法、介质及机床；所述机床主轴温度修正方法包括：获取一修正时间段内的主轴转速；其中，所述修正时间段的终点为当前时刻；根据所述修正时间段内的主轴转速，获取当前时刻的主轴指数加权平均转速；根据所述当前时刻的主轴指数加权平均转速，获取当前时刻的温度修正系数；获取当前时刻机床主轴的温度，并获取该机床主轴的温度相对于一初始温度的温度变化量，其中，所述初始温度为机床冷态下主轴的温度；利用所述当前时刻的温度修正系数对所述温度变化量进行修正，以得到修正后的主轴温度变化量。

于所述第一方面的一实施例中，获取当前时刻的主轴指数加权平均转速的实现方法包括：获取所述修正时间段内补偿点的数量；所述补偿点是指获取主轴转速和主轴温度的时间点；获取所述修正时间段内各补偿点的主轴转速；根据所述修正时间段内补偿点的数量以及所述修正时间段内各补偿点的主轴转速，获取所述当前时刻的主轴指数加权平均转速。

于所述第一方面的一实施例中，获取所述当前时刻的主轴指数加权平均转速的一种实现方法包括：若所述修正时间段内补偿点的数量大于一点数阈值n，则所述当前时刻的主轴指数加权平均转速为：

其中，x_t-i为t-i时刻的主轴转速，α为指数加权平均系数。

于所述第一方面的一实施例中，获取所述当前时刻的主轴指数加权平均转速的一种实现方法包括：若所述计算起始时刻到当前时刻之间的补偿点的数量p小于一点数阈值n，则所述主轴指数加权平均转速为：

其中，x_t-p为t-p时刻的主轴转速，α为指数加权平均系数。

于所述第一方面的一实施例中，所述机床主轴温度修正方法还包括：建立目标函数并利用最小梯度下降法求解所述目标函数，以得到所述指数加权平均系数和所述点数阈值。

于所述第一方面的一实施例中，所述当前时刻的温度修正系数的计算公式为：coeff_t＝(S_t/10000)^e，其中，coeff_t为所述当前时刻的温度修正系数，S_t为所述当前时刻的主轴指数加权平均转速，e为获得温度修正系数的算法参数。

于所述第一方面的一实施例中，所述机床主轴温度修正方法还包括：建立目标函数并利用最小梯度法求解所述目标函数，以得到所述温度修正系数的算法参数。

本发明的第二方面提供一种机床主轴热伸长量补偿方法，所述机床主轴热伸长量补偿方法包括：获取机床主轴的温度变化量和热伸长量之间的关系模型；采用本发明第一方面任一项所述的机床主轴温度修正方法获取修正后的主轴温度变化量；根据所述修正后的主轴温度变化量和所述关系模型获取机床的热伸长量。

本发明的第三方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现本发明第一方面任一项所述的机床主轴温度修正方法，和/或本发明第二方面所述的机床主轴热伸长量补偿方法。

本发明的第四方面提供一种机床，所述机床包括：存储器，存储有一计算机程序；处理器，与所述存储器通信相连，调用所述计算机程序时执行本发明第一方面任一项所述的机床主轴温度修正方法，和/或本发明第二方面所述的机床主轴热伸长量补偿方法；显示器，与所述处理器和所述存储器通信相连，用于显示所述机床主轴温度修正方法和/或所述机床主轴热伸长量补偿方法的相关GUI交互界面。

如上所述，本发明所述机床主轴温度修正方法、热伸长量补偿方法、介质及机床的一个技术方案具有以下有益效果：

所述机床主轴温度修正方法根据当前时刻的主轴指数加权平均转速获取当前时刻的温度修正系数，并根据所述当前时刻的温度修正系数对温度变化量进行修正以得到修正后的主轴温度变化量。该修正后的主轴温度变化量能够对温度采集的滞后性所导致的精度下降问题进行补偿，因此，根据所述修正后的主轴温度变化量获取到的主轴的热伸长量具有较高的补偿精度。

附图说明

图1显示为本发明所述机床主轴温度修正方法于一具体实施例中的流程图。

图2A显示为本发明所述机床主轴温度修正方法于一具体实施例中步骤S11的流程图。

图2B显示为本发明所述机床主轴温度修正方法于一具体实施例中补偿点的时间分布图。

图2C显示为本发明所述机床主轴温度修正方法于一具体实施例中主轴转速随时间变化的示例图。

图3显示为本发明所述机床主轴温度修正方法于一具体实施例中的流程图。

图4显示为本发明所述热伸长量补偿方法于一具体实施例中的流程图。

图5显示为本发明所述机床与一具体实施例的结构示意图。

元件标号说明

500 机床

510 存储器

520 处理器

530 显示器

S11～S15 步骤

S111～S113 步骤

S31～S35 步骤

S41～S43 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。此外，此外，在本文中，诸如“第一”、“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

目前已有的热误差补偿方案主要基于已经建立的、关于温度变化量和热伸长量关系的数学模型，根据当前测温点的温度值来获取温度变化量进而得到热伸长量。然而，在对机床主轴的温度进行测量时，温度传感器一般是放在主轴外壳上，主轴内部的温度传到外壳上需要一定的时间，这会导致温度传感器采集到的温度相对于热伸长量有严重的滞后性，因此，直接依据采集到的温度值获取温度变化量进而获取热伸长量的方案存在补偿精度较低的问题，该问题在主轴转速变化较快时尤为明显。

针对这一问题，本发明提供一种机床主轴温度修正方法。所述机床主轴温度修正方法根据当前时刻的主轴指数加权平均转速获取当前时刻的温度修正系数，并根据所述当前时刻的温度修正系数对温度变化量进行修正以得到修正后的主轴温度变化量。该修正后的主轴温度变化量能够对温度采集的滞后性所导致的精度下降问题进行补偿，因此，根据所述修正后的主轴温度变化量获取到的主轴的热伸长量具有较高的补偿精度。

请参阅图1，于本发明的一实施例中，所述机床主轴温度修正方法包括：

S11，获取一修正时间段内的主轴转速。其中，所述修正时间段的起点时刻例如为机床的启动时刻或者机床启动之后的任一时刻，所述修正时间段的终点时刻为当前时刻。

S12，根据所述修正时间段内的主轴转速，获取当前时刻的主轴指数加权平均转速。

S13，根据所述当前时刻的主轴指数加权平均转速，获取当前时刻的温度修正系数。所述温度修正系数用于对所述机床主轴的温度变化量进行修正，以补偿温度采集的滞后性所导致的精度下降。

S14，获取当前时刻机床主轴的温度，并获取该机床主轴的温度相对于一初始温度的温度变化量，其中，所述初始温度为机床冷态下主轴的温度。

S15，利用所述当前时刻的温度修正系数对所述温度变化量进行修正，以得到修正后的主轴温度变化量。具体地，将所述当前时刻的温度修正系数与所述温度变化量相乘即可获得所述修正后的主轴温度变化量。

根据以上描述可知，本实施例所述机床主轴温度修正方法根据当前时刻的主轴指数加权平均转速获取当前时刻的温度修正系数，并根据所述当前时刻的温度修正系数对温度变化量进行修正以得到修正后的主轴温度变化量。该修正后的主轴温度变化量能够对温度采集的滞后性所导致的精度下降问题进行补偿，因此，根据所述修正后的主轴温度变化量获取到的主轴的热伸长量具有较高的补偿精度。

请参阅图2A，于本发明的一实施例中，获取当前时刻的主轴指数加权平均转速的实现方法包括：

S111，获取所述修正时间段内补偿点的数量；所述补偿点是指获取主轴转速和主轴温度的时间点。例如，在机床的工作过程中，若每隔1分钟利用温度传感器测量一次测温点的温度，并测量一次主轴转速，则在时间轴上每隔1分钟为一个补偿点。请参阅图2B，显示为所述补偿点的时间分布示例图，图中，所述修正时间段的起点为第m个补偿点对应的时刻。

S112，获取所述修正时间段内各补偿点的主轴转速。

S113，根据所述修正时间段内补偿点的数量以及所述修正时间段内各补偿点的主轴转速，获取所述当前时刻的主轴指数加权平均转速。

可选的，若所述修正时间段内补偿点的数量p大于一点数阈值n，则所述当前时刻的主轴指数加权平均转速为：

其中，x_t-i为t-i时刻的主轴转速，α为指数加权平均系数。

若所述修正时间段内补偿点的数量p小于一点数阈值n，则所述主轴指数加权平均转速为：

其中，x_t-p为t-p时刻的主轴转速，α为指数加权平均系数。

当根据所述修正后的主轴温度变化量获得的热伸长量存在突变时，可能会导致温度修正系数的突变，进而会引起热伸长量的突变，导致加工质量的下降。针对这一问题，于本发明的一实施例中，在对所述温度变化量进行修正以前，所述机床主轴温度修正方法还包括：根据所述当前时刻的温度修正系数coeff_t与上一补偿点的温度修正系数coeff_t-1之间的差值，对所述当前时刻的温度修正系数coeff_t进行后处理。具体地，若coeff_t-coeff_t-1＞a，则coeff_t＝coeff_t-1+a；若coeff_t-coeff_t-1＜-a，则coeff_t＝coeff_t-1-a，其中，a为一预设值，例如为0.02。

于本发明的一实施例中，所述机床主轴温度修正方法还包括：建立目标函数并利用最小梯度下降法求解所述目标函数，以得到所述指数加权平均系数α和所述点数阈值n。本实施例中，所述目标函数为

其中，Prediction_t是根据关系模型计算出的t时刻补偿点的主轴热伸长量，是一关于修正后主轴温度变化量的函数，其可以表示为

其中coeff_t是t时刻的温度修正系数，T_{t_old}是t时刻的主轴温度相对冷态温度的温度变化量。所述关系模型用于描述机床主轴的温度变化量和热伸长量之间的关系，二者之间的关系也可以通过以上公式中的函数f来表示。所述关系模型可以通过实际测量得到，例如，可以在机床主轴旋转的过程中，每隔一固定的时间间隔测量一次机床主轴测温点的温度和机床主轴Z向的热伸长量，从而获取若干个数据点，通过对该数据点进行拟合即可得到所述关系模型。Error_t是t时刻补偿点的主轴热伸长量的实际值，其可以通过实际测量等方式获得。需要说明的是，本实施例中采用最小梯度下降法求解所述目标函数

仅为一种可行的求解方式，具体应用中也可以采用其他方式求解所述目标函数，此处不作限制。

于本发明的一实施例中，所述当前时刻的温度修正系数的计算公式为：coeff_t＝(S_t/10000)^e，其中，coeff_t为所述当前时刻的温度修正系数，S_t为所述当前时刻的主轴指数加权平均转速，e为获得温度修正系数的算法参数，所述温度修正系数的算法参数可以由用户预先指定。

优选地，本实施例所述机床主轴温度修正方法还包括：建立目标函数并利用最小梯度法求解所述目标函数，以得到所述温度修正系数的算法参数e。本实施例中，所述目标函数为

需要说明的是，本实施例中采用最小梯度下降法求解该目标函数仅为一种可行的求解方式，具体应用中也可以采用其他方式求解，此处不作限制。

请参阅图3，于本发明的一实施例中，所述机床主轴温度修正方法包括：

S31，获取指数加权平均系数α、点数阈值n和获得温度修正系数的算法参数e。具体地，可以通过求解目标函数

来获取上述三个参数，该目标函数可以采用最小梯度下降法求解，也可以采用其他方式求解，此处不作限制。

S32，获取当前时刻的主轴指数加权平均转速。具体地，获取一修正时间段内的主轴转速，并获取所述休整时间短内的补偿点的数量p。若该数量p大于一点数阈值n，则所述当前时刻的主轴指数加权平均转速为：

否则，

特别地，如果当前时刻的转速变化较大，则将当前时刻作为所述修正时间段的起点时刻，并根据上述公式重新计算所述主轴平均转速。

S33，根据所述当前时刻的主轴指数加权平均转速，获取当前时刻的温度修正系数。具体地，所述当前时刻的温度修正系数为coeff_t＝(S_t/10000)^e。

S34，对所述当前时刻的温度修正系数进行后处理。具体地，在转速突变的情况下，可能会导致温度修正系数的突变，进而会引起热伸长量的突变，导致加工质量的下降。为了防止这种情况的出现，需要对温度修正系数进行后处理。具体地，本实施例中所述后处理的方法为：若coeff_t-coeff_t-1＞a，则coeff_t＝coeff_t-1+a；若coeff_t-coeff_t-1＜-a，则coeff_t＝coeff_t-1-a，其中，a为一预设值，例如为0.02。

S35，根据所述当前时刻的温度修正系数对当前时刻采集到的温度变化量进行修正，以得到修正后的主轴温度变化量。具体地，所述修正后的主轴温度变化量为T_{t_new}＝T_{t_old}×coeff_t，其中，T_{t_old}＝T_t-T₀，表示根据温度传感器在当前时刻采集到的温度T_t获取的温度变化量，T₀为所述温度传感器采集到的初始温度。

基于以上对所述机床主轴温度修正方法的描述，本发明还提供一种热伸长量补偿方法。请参阅图4，于本发明的一实施例中，所述机床主轴热伸长量补偿方法包括：

S41，获取机床主轴的温度变化量和热伸长量之间的关系模型。所述关系模型可以通过实际测量得到，例如，可以在机床主轴旋转的过程中，每隔一固定的时间间隔测量一次机床主轴测温点的温度和机床主轴Z向的热伸长量，从而获取若干个数据点，通过对该数据点进行拟合即可得到所述关系模型。

S42，采用本发明所述的机床主轴温度修正方法获取修正后的主轴温度变化量。

S43，根据所述修正后的主轴温度变化量和所述关系模型获取机床的热伸长量。具体地，将所述修正后的主轴温度变化量代入所述关系模型中即可获得所述机床的热伸长量。由于所述修正后的主轴温度变化量中已经包含了对温度采集滞后性的补偿，因此，步骤S43中获取的机床的热伸长量具有较高的精度。

基于以上对所述机床主轴温度修正方法和所述热伸长量补偿方法的描述，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现本发明所述的机床主轴温度修正方法，和/或实现本发明所述的机床主轴热伸长量补偿方法。

基于以上对所述机床主轴温度修正方法和所述热伸长量补偿方法的描述，本发明还提供一种机床。请参阅图5，于本发明的一实施例中，所述机床500包括：存储器510，存储有一计算机程序；处理器520，与所述存储器510通信相连，调用所述计算机程序时执行本发明所述的机床主轴温度修正方法，和/或执行本发明所述的机床主轴热伸长量补偿方法；显示器530，与所述处理器520和所述存储器510通信相连，用于显示所述机床主轴温度修正方法和/或所述机床主轴热伸长量补偿方法的相关GUI交互界面。

本发明所述的机床主轴温度修正方法和/或热伸长量补偿方法的保护范围不限于本实施例列举的步骤执行顺序，凡是根据本发明的原理所做的现有技术的步骤增减、步骤替换所实现的方案都包括在本发明的保护范围内。

本发明所述机床主轴温度修正方法根据当前时刻的主轴指数加权平均转速获取当前时刻的温度修正系数，并根据所述当前时刻的温度修正系数对温度变化量进行修正以得到修正后的主轴温度变化量。该修正后的主轴温度变化量能够对温度采集的滞后性所导致的精度下降问题进行补偿，因此，根据所述修正后的主轴温度变化量获取到的主轴的热伸长量具有较高的补偿精度。

此外，在一些现有技术中，为了克服温度采集的滞后性所导致的问题，往往需要将温度传感器放置在主轴内部。而本发明所述机床主轴温度修正方法能够对温度采集的滞后性进行补偿，因而温度传感器只需放置在机床主轴外壳即可，适用性较强。

并且，本发明在不进行机床热机的情况下提高了数控机床的加工精度，具有较高的经济意义。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种机床主轴温度修正方法，其特征在于，所述机床主轴温度修正方法包括：

获取一修正时间段内的主轴转速；其中，所述修正时间段的终点为当前时刻；

根据所述修正时间段内的主轴转速，获取当前时刻的主轴指数加权平均转速；

根据所述当前时刻的主轴指数加权平均转速，获取当前时刻的温度修正系数，所述当前时刻的温度修正系数的计算公式为：coeff_t＝(S_t/10000)^e，其中，coeff_t为所述当前时刻的温度修正系数，S_t为所述当前时刻的主轴指数加权平均转速，e为获得温度修正系数的算法参数；

获取当前时刻机床主轴的温度，并获取该机床主轴的温度相对于一初始温度的温度变化量，其中，所述初始温度为机床冷态下主轴的温度；

利用所述当前时刻的温度修正系数对所述温度变化量进行修正，以得到修正后的主轴温度变化量。

2.根据权利要求1所述的机床主轴温度修正方法，其特征在于，获取当前时刻的主轴指数加权平均转速的实现方法包括：

获取所述修正时间段内补偿点的数量；所述补偿点是指获取主轴转速和主轴温度的时间点；

获取所述修正时间段内各补偿点的主轴转速；

根据所述修正时间段内补偿点的数量以及所述修正时间段内各补偿点的主轴转速，获取所述当前时刻的主轴指数加权平均转速。

3.根据权利要求2所述的机床主轴温度修正方法，其特征在于，获取所述当前时刻的主轴指数加权平均转速的一种实现方法包括：

若所述修正时间段内补偿点的数量大于一点数阈值n，则所述当前时刻的主轴指数加权平均转速为：

其中，x_t-i为t-i时刻的主轴转速，α为指数加权平均系数。

4.根据权利要求2所述的机床主轴温度修正方法，其特征在于，获取所述当前时刻的主轴指数加权平均转速的一种实现方法包括：

若所述修正时间段内补偿点的数量p小于一点数阈值n，则所述主轴指数加权平均转速为：

其中，x_t-i为t-i时刻的主轴转速，α为指数加权平均系数。

5.根据权利要求3或4所述的机床主轴温度修正方法，其特征在于，所述机床主轴温度修正方法还包括：建立目标函数并利用最小梯度下降法求解所述目标函数，以得到所述指数加权平均系数和所述点数阈值。

6.根据权利要求1所述的机床主轴温度修正方法，其特征在于，所述机床主轴温度修正方法还包括：建立目标函数并利用最小梯度法求解所述目标函数，以得到所述温度修正系数的算法参数。

7.一种机床主轴热伸长量补偿方法，其特征在于，所述机床主轴热伸长量补偿方法包括：

获取机床主轴的温度变化量和热伸长量之间的关系模型；

采用权利要求1-6任一项所述的机床主轴温度修正方法获取修正后的主轴温度变化量；

根据所述修正后的主轴温度变化量和所述关系模型获取机床的热伸长量。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-6任一项所述的机床主轴温度修正方法，和/或权利要求7所述的机床主轴热伸长量补偿方法。

9.一种机床，其特征在于，所述机床包括：

存储器，存储有一计算机程序；

处理器，与所述存储器通信相连，调用所述计算机程序时执行权利要求1-6任一项所述的机床主轴温度修正方法，和/或权利要求7所述的机床主轴热伸长量补偿方法；

显示器，与所述处理器和所述存储器通信相连，用于显示所述机床主轴温度修正方法和/或所述机床主轴热伸长量补偿方法的相关GUI交互界面。

Images