CN113043061B - 一种获取数控机床工作台热温升误差补偿量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种获取数控机床工作台热温升误差补偿量的方法，包括以下步骤：a、在机床工作台上安装高精度检测开关，开机碰触高精度检测开关，纪录坐标值S1；b、工作台工作一段时间使丝杠升温后再次碰触高精度检测开关，纪录坐标值S2；c、求出补偿系数L1＝|S1‑S2|/(|S1|+△S)，其中△S为工作台在机床坐标系的零点位置至丝杠固定点距离；通过补偿系数L1求出工作台运行至坐标点X1的补偿量△Y1，公式为：△Y1＝(△S±|X1|)L1；通过重复b和c两步算出不同温度下机床的补偿量。采用上面的方法，实施的结构简单，操作方便，相较于温度传感器更加可靠，获取的误差补偿量更加准确。

Description

一种获取数控机床工作台热温升误差补偿量的方法

技术领域

本发明涉及数控机床补偿方法，尤其涉及获取数控机床工作台热温误差补偿量的方法。

背景技术

随着精密及超精密加工技术的发展及加工制造的自动化程度不断提高，人们对数控工作台的加工精度提出了更高的要求。大量研究表明，热误差已成为数控加工装置的最大误差源，因此对热误差的控制成了高精度数控加工装置提高加工精度的关键技术。现在，我们利用许多方式来减小数控加工装置的热误差，大体可分为两种方法：误差防止法和误差补偿法。误差防止法依赖改进数控加工装置结构设计等改良硬件的方法或者直接实现对温度的控制来减少热误差，这种方法在一定程度上能够降低热源温升、均衡温升和减少数控加工装置热变形是有效的，但它会增加结构设计和制造的成本。误差补偿法就是通过分析建模获得数控加工装置的误差估算，然后利用不同的方法适当的补偿，消除或者降低系统的误差，是一种既有效又经济的提高数控加工装置加工精度的手段。所以，当前普遍采用了方便、经济而有效的建立热误差模型进行热误差补偿的方法。误差补偿法是提高数控加工装置加工精度的一种既有效又经济的手段，目前已成为国内外现代精密工程的重要技术支柱之一。

发明内容

为解决现有技术中的不足，提供一种成本低，方法简便高效，误差补偿准确的获取数控机床工作台热温误差补偿量的方法：

包括以下步骤：

A、首先需要在工作台上安装位置固定的高精度检测开关，所述的高精度检测开关安装在远离丝杠固定端的行程末端，启动机床使工作台上滑板移动以固定速度运行碰触该高精度检测开关，数控系统记录坐标值S1；

B、工作台运行一段时间使机床工作台有一定温升△T1，后使工作台用固定速度再次碰触该高精度检测开关，数控系统纪录坐标值S2；

C、计算出温升误差补偿系数L1，公式为L1＝|S1-S2|/(|S1|+△S)，其中△S为工作台在机床坐标系的零点位置至丝杠固定点距离；通过误差补偿系数计算出工作台运行至坐标点X1的补偿量△Y1，公式为：△Y1＝(△S±|X1|)L1,以机床工作台机械零点坐标为中心点，靠近丝杠固定点一侧的位置坐标X1位置的热伸长量计算时做减法运算，远离丝杠固定点一侧的位置坐标X1位置的热伸长量计算时做加法运算。

D、工作台再运行一段时间使机床工作台有一定温升△T2，后再次以固定速度触碰高精度检测开关，数控系统记录位置坐标值S3，计算△T2温升时的温升误差补偿系数L2，L2＝|S1-S3|/(|S1|+△S)，通过L2算出位置坐标X2处的补偿量△Y2，△Y2＝(△S±|X2|)L2；循环执行B、C两个步骤就可以测出不同△Tn温升时的工作台触发高精度开关时的位置坐标Sn，计算出不同温升时的误差补偿系数Ln,并计算出该温升下不同坐标位置的热温升补偿量△Yn。

进一步的，所述的高精度检测开关选用检测精度为0.001mm。

采用上面的方法，由于只需要在工作台上安装高精度检测开关就能实现误差补偿量的计算获取，使机床结构简单，避免安装温度传感器改变机床本身结构，该补偿方法通过每次碰触高精度检测开关获取数值，相较于温度传感器更加可靠，获取的误差补偿量更加准确。

附图说明

图1为工作台位于零点坐标状态示意图；

图2为工作台第一次碰触高精度开关状态示意图；

图3为工作台运行一段时间后再次碰触高精度开关状态示意图；

图4为通过激光干涉仪验证丝杠温升后误差与各坐标位置关系图。

具体实施方式

本发明针对获取数控机床工作台热温误差补偿量的方法包括以下步骤：

A、首先需要在工作台上安装位置固定的高精度检测开关，所述的高精度检测开关安装在远离丝杠固定端的行程末端，启动机床使工作台上滑板移动以固定速度运行碰触该高精度检测开关，数控系统记录坐标值S1；

B、工作台运行一段时间使机床工作台有一定温升△T1，后使工作台用固定速度再次碰触该高精度检测开关，数控系统纪录坐标值S2；

C、计算出温升误差补偿系数L1，公式为L1＝|S1-S2|/(|S1|+△S)，其中△S为工作台在机床坐标系的零点位置至丝杠固定点距离；通过误差补偿系数计算出工作台运行至坐标点X1的补偿量△Y1，公式为：△Y1＝(△S±|X1|)L1,以机床工作台机械零点坐标为中心点，靠近丝杠固定点一侧的位置坐标X1位置的热伸长量计算时做减法运算，远离丝杠固定点一侧的位置坐标X1位置的热伸长量计算时做加法运算。

D、工作台再运行一段时间使机床工作台有一定温升△T2，后再次以固定速度触碰高精度检测开关，数控系统记录位置坐标值S3，计算△T2温升时的温升误差补偿系数L2，L2＝|S1-S3|/(|S1|+△S)，通过L2算出位置坐标X2处的补偿量△Y2，△Y2＝(△S±|X2|)L2；循环执行B、C两个步骤就可以测出不同△Tn温升时的工作台触发高精度开关时的位置坐标Sn，计算出不同温升时的误差补偿系数Ln,并计算出该温升下不同坐标位置的热温升补偿量△Yn。

为了保证高精度检测开关，测量的误差值为丝杠固定端到使用最远端总的热伸长量，应将高精度检测开关固定在远离丝杠固定点的机床工作台行程末端，这样在加工时避免工作台与高精度检测开关发生碰触，同时又能确保工作台在行程范围内能够与高精度检测开关碰触来记录坐标数据，为后续补偿提供数据。且该高精度检测开关选用检测精度为0.001mm。

上面步骤中的△S为数控机床工作台在机床机械坐标系的零点位置到丝杠固定点的距离，丝杠与床身固定连接的位置认为是固定点，该处不会受温度上升而与床身丝杠轴向上有位置上变化，而数控机床中的工作台向电机一端移动至行程末端时不会一直靠在电机上，在电机与该处行程末端之间有一定间距，这段间距为丝杠上的光杆部分或者包括一部分丝杠，因此这部分在丝杠受热变形时也会随之变形，因此需要将其考虑在误差补偿内，而这段间距从数控机床生产时给定的数值，或者可以通过测量方式直接获取，在计算补偿系数时候需要将其加入初始坐标的内，提高补偿精度。

在计算工作台在坐标点X1的补偿量时，需要通过公式△Y＝(△S±|X1|)L算出工作台在坐标点X1的补偿量△Y，数控机床设计好以后，工作台在机床机械坐标系中的零点位置是固定不变的，从工作台机械零点位置到丝杠固定点位置的距离△S是固定的，以机床工作台机械零点坐标为中心点，靠近丝杠固定点一侧的位置坐标X1位置的热伸长量计算时做减法运算，远离丝杠固定点一侧的位置坐标X1位置的热伸长量计算时做加法运算。

在实际补偿时，采用数控系统中热误差补偿功能，输入补偿值即可完成补偿。

为能够更直观的对该方法进行说明，结合附图对工作台热温误差补偿量的方法进行说明：附图中给出的实施例为工作台零点靠近丝杠固定点一侧。

如图1所示将高精度检测开关1设置在远离丝杠固定点2一端，工作台坐标归零后，由于工作台与丝杠连接处不可能顶靠在电机上，因此工作台与丝杠连接处与电机之间留有一段距离△S’，这段距离也应该考虑在丝杠温升变形中，因此△S＝工作台靠近固定点一端行程末端+△S’。

如图2所示驱动机床，使工作台碰触高精度检测开关，此时记录工作台坐标为S1(图2中虚线框为零点坐标位置的工作台，为表现清楚纵向有些偏离，仅表示横向的位置关系)，此时测量的工作台触碰高精度开关的位置加上机械零点到丝杠固定点的位置，为整条丝杠热伸长的长度，高精度开关位置为工作台的离热伸长固定点最远端的位置，也就是热伸长变化最大的位置。随着机床的连续加工，机床床体会连续升温到热平衡状态，因此开机开始运行时触碰高精度开关记录位置就是在当前环境温度下的初始值。

然后使工作台运行一段时间，这段时间内丝杠则会升温，升温后丝杠就会由于热胀冷缩远离产生变形，由于电机端为固定端，丝杠则会朝反向电机一端伸长，如图3所示再次使工作台碰触高精度检测开关，此时记录工作台坐标S2(图3中靠近电机的虚线框为零点坐标位置的工作台，远离电机的虚线框为系统给定坐标为S1时工作台实际位置)，由于丝杠朝向远离电机一端伸长，因此第二次碰触高精度检测开关时的坐标S2必然要小于S1(此处所指的是未达到热平衡状态时状况，达到热平衡后每次碰触和前一次碰触纪录的坐标几乎不会发生变化，是因为工作台本身的结构和散热效果，使丝杠在某一温度达到平衡不在升温)。

机床工作台从丝杠固定点到触碰高精度开关位的热伸长误差，通过计算得出丝杠升温后的误差值为S1-S2，而工作台在丝杠上运行时产生的误差值是随着在丝杠上运行距离不断变化的，即运行距离与固定点越远误差值越大，运行距离与误差值为一个正比关系，因此需要算出一个误差补偿系数L，L＝|S1-S2|/(|S1|+△S)，得到该补偿系数L后，针对工作台上任意坐标位置X1的补偿量△Y就能够计算出来，公式为△Y＝(△S±|X1|)L。

后续加工过程中需要数控系统进行补偿时，只需采用数控系统中热误差补偿功能，输入补偿值即可完成补偿。

上面方法中提到工作台各坐标位置与该坐标位置的补偿量呈正比关系，为验证该理论准确性，这里我们通过激光干涉测量实施验证：

检测设备：雷尼绍激光干涉仪

检测目的：使用激光干涉仪对机床从冷机到热平衡状态，这一过程中的机床工作台在丝杠方向上的结构热变形误差，并绘制数据曲线图。

检测条件：如图1的机床结构，机床的总行程是0到800mm，丝杠固定点在附图标记2的位置,附图标记1的位置为高精度接触开关。机床上电回零后，架设好激光干涉仪。机床内已经输入好检测程序。

检测方法：开启激光干涉仪，运行检测程序，程序首先执行一遍激光测量循环，然后在全行程内往复G0跑机20遍后再次执行激光测量循环，循环执行30次。激光干涉仪直接绘制出误差值和机床位置关系图。

检测程序(以华中8型数控系统为例，工作台总行程800mm，工作台零点坐标靠电机一侧，零点至固定点距离为50mm)，本次测量的是X轴机床工作台。

检测程序如下：

％0001

#0＝1；计数变量

#1＝30；测量次数

#52＝0；测量起点坐标，轴向最小位置

#53＝50；激光测量间距

#54＝16；激光测量段数

#5＝20；加热循环次数

M98 P0002；调用激光测量程序

WHILE#0LE#1

M98 P0005 L[#5]；调用加热运动程序

M98 P0002；调用激光测量程序

#0＝#0+1

ENDW M30

％0002(激光干涉仪测量子程序)

G90 G53 G0 X[#52]

G91 G0 X-2

G4 P2000

X2

G4 P4000

M98 P0003 L[#54]

G91 G0 X2

G4 P2000

X-2

G4 P4000

M98 P0004 L[#54]

M99

％0005(机床加热空运转子程序)

G90 G53 G0 X[#52+5]

G4 P1000

G90 G53 G0 X[#52+#53*#54-5]

G4 P1000

M99

激光干涉仪绘制出的误差值和机床位置坐标关系图，纵坐标为误差值，横坐标为机床位置坐标。

整个程序运行期间根据丝杠螺母加装的温度传感器记录，程序循环运行了30次，丝杠温度相对于室温升高了6度左右。图形越往下曲线越密集，丝杠温升越慢，缓慢到达热平衡状态。

从图4形可以明显的看出(该坐标系中横轴表示工作台各坐标点，纵轴表示误差值大小，各斜线表示丝杠在不同温度下检测结果)，误差值和机床的坐标值成明显的线性比例关系。

从上图4可以看出，0到800(800为工作台总行程，工作台坐标零点位置上述给出实施例的情况一致，靠近零点靠近固定点)位置坐标的每个坐标的误差值由激光干涉仪直接测量出来，机床工作台的0点坐标位置到丝杠固定点的位置已知△S＝800+50(50为工作台行程终点800坐标位置至丝杠固定点距离)。纵坐标的误差值由激光干涉仪直接测量出来，激光干涉仪绘制出来的，数控机床工作台坐标位置和热误差随着热温升的变化关系图，如图4所示，在不同的温升下热伸长量和工作台坐标位置到丝杠固定点的距离成正比关系，温度不同只是纵坐标与横坐标的tagα(α在图4中为斜线与坐标系横轴夹角)值不同，这种规律和理论值丝杠每升温一定的温度，热伸长量和丝杠长度成正比例关系是相符的，经过多台机床大量的测试，本发明结构的数控机床工作台结构，所测量的机床坐标位置，在不同的温升下热伸长量和工作台坐标位置到丝杠固定点的距离成正比关系，所测结果都如图4所示。

Claims (2)

1.一种获取数控机床工作台热温升误差补偿量的方法，包括以下步骤：

A、首先需要在工作台上安装位置固定的高精度检测开关，所述的高精度检测开关安装在远离丝杠固定端的行程末端，启动机床使工作台上滑板移动以固定速度运行碰触该高精度检测开关，数控系统纪录坐标值S1；

B、工作台运行一段时间使机床工作台有一定温升△T1，后使工作台用固定速度再次碰触该高精度检测开关，数控系统纪录坐标值S2；

C、计算出温升误差补偿系数L1，公式为L1＝|S1-S2|/(|S1|+△S)，其中△S为工作台在机床坐标系的零点位置至丝杠固定点距离；通过误差补偿系数计算出工作台运行至坐标点X1的补偿量△Y1，公式为：△Y1＝(△S±|X1|)L,以机床工作台机械零点坐标为中心点，靠近丝杠固定点一侧的位置坐标X1位置的热伸长量计算时做减法运算，远离丝杠固定点一侧的位置坐标X1位置的热伸长量计算时做加法运算；

D、工作台再运行一段时间使机床工作台有一定温升△T2，后再次以固定速度触碰高精度检测开关，数控系统记录位置坐标值S3，计算△T2温升时的温升误差补偿系数L2，L2＝|S1-S3|/(|S1|+△S)，通过L2算出位置坐标X2处的补偿量△Y2，△Y2＝(△S±|X2|)L2；循环执行B、C两个步骤就可以测出不同△Tn温升时的工作台触发高精度开关时的位置坐标Sn，计算出不同温升时的误差补偿系数Ln,并计算出该温升下不同坐标位置的热温升补偿量△Yn。

2.根据权利要求1所述的一种获取数控机床工作台热温升误差补偿量的方法，其特征在于：所述的高精度检测开关选用检测精度为0.001mm。