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機床絲杠熱誤差的測量與補償研究

2019-6-24 來源：華中科技大學機械科學與工程學院作者：劉宏偉陳吉紅向華

摘要: 為了提高數控機床的加工精度，提出了數控機床絲杠的熱誤差建模和補償方法。通過分析絲杠的熱變形云圖得出溫度傳感器的布置位置。根據溫升與誤差的關系進行線性擬合建立熱誤差的數學模型。

利用 HNC－848 數控系統的補償模塊進行參數設置從而實現在線實時補償。經過激光干涉儀測量驗證該補償方法能夠有效地提高機床的加工精度。

關鍵詞: 絲杠; 熱誤差; 實時補償; 數控系統; 制造

隨著制造業的快速發展，各個行業對數控機床加工精度提出了更高的要求。導致機床精度下降的原因有很多，由于熱變形產生的誤差在機床總誤差中占60%左右。

機床在內外熱源的作用下開始膨脹，使得機床在加工過程中刀具和工件產生相對位移，進而導致加工精度下降。

機床溫升變形是指機床運動部件的摩擦發熱引起的局部結構變形，而這種變形又導致溫度急劇升高，這兩個方面是相互作用的。絲杠作為細長桿由溫升變形所產生的熱誤差占有很大的比重。為了減小誤差，提高機床的加工精度通常的解決辦法是降溫和補償兩種方法。

降溫的方法是將機床放置在恒溫車間保持環境溫度恒定，另外一種辦法是給發熱部件加裝冷卻系統，但這兩種辦法的成本都相當高，對絲杠的誤差控制不明顯，特別是絲杠在開機預熱時變形量較大，即使在恒溫車間內對于南方北方不同的地域、冬天夏天不同的季節所產生的變形量也不一樣。

所以，對熱誤差進行補償是提高工件加工精度較為有效的方法。

本文對工作臺下的絲杠進行誤差的測量分析，采用線性擬合的方法建立機床熱誤差的數學模型，將該模型集成在華中數控 HNC－848 的數控系統中對絲杠溫度和誤差數據進行采集和分析，實現機床的熱誤差補償。

1 、絲杠熱誤差的數據采集

依據三軸機床的 X 軸為例作為研究對象，與之相匹配的絲杠長度為 500 mm。將兩個溫度傳感器分別布置在與伺服電動機相連接的絲杠軸承座上和離遠端軸承座 40 mm 處的位置上。

機床在初始運行時，電動機的轉速為 3 000 r/min，環境溫度為 19. 7 ℃，經過 30min 預熱，這時檢測到絲杠溫度升高了 5 ℃ 。為研究絲杠的熱變形規律，應用了 Ansys

軟件進行了相應的熱變形分析，如圖 1 所示。

圖1 絲杠熱域分布圖

可以看出絲杠靠近伺服電動機的一側發熱量最大，絲杠螺母處的發熱量次之，故在發熱量最大的熱源點埋一個溫度傳感器，為了能夠準確地測量出絲杠在不同溫度下的伸長量，在遠離伺服電動機 460 mm 處的絲杠中埋進了另一個溫度傳感器，該點的溫度在整個絲杠中發熱量最小。為測量絲杠在不同溫度下的伸長量，采用了 API 激光干涉儀進行了現場測試。

當時的環境溫度為 19. 7 ℃，每升高1 ℃ 記錄下絲杠的膨脹量，并計算出相鄰兩點間的斜率值，如表 1 所示。X 軸的行程范圍是［0，500 mm］，測量起點為數控機床的坐標零點，測量的終點為數控機床的 X 軸坐標點 460 mm 處。

表 1 溫升與斜率統計表

2 、熱誤差建模

在約束條件下，絲杠的受熱變形公式為：

圖2 不同測量點絲杠溫升與熱誤差曲線圖

3 、熱誤差補償分析

熱誤差補償是指人為地創建一個新的誤差來抵消當前成為問題的原始誤差。

機床開始起動時會經歷一個從冷態到熱態的過程，此次機床的熱變形最嚴重，絲杠的熱伸長最快，以后逐漸減少并趨于穩定，停機后機床溫度下降絲杠開始回縮，為了減小溫度變化帶來的加工誤差，可采用預熱機床減少停機來保持機床的熱平衡。

由于絲杠在環境溫度高的情況下伸長量較大，可采取的措施是利用絲杠上所埋的兩個溫度傳感器采集的溫度差值作為熱膨脹補償的起點。機床開機運行 60 s 后開始實驗，在華中數控 HNC－848 的數控系統中進行參數設定，如表 2。

表 2 華中數控 HNC－848 系統參數設置表

將計算得到的熱誤差值通過外部機床坐標系偏移( 原點平移) 疊加到位置控制信號中，從而實現熱誤差的實時補償，其補償原理見圖 3。在加工開始后，打開 HNC－848 系統的溫度補償模塊，數控系統會每隔一分鐘讀取一次溫度值，通過集成在內的補償模型計算熱誤差的補償值，再發出相應的控制指令以實現在線實時補償。