[發明專利]數控機床進給系統全工作行程熱誤差補償方法及其實施系統

有效

• 申請號: 201210134783.3
• 申請日: 2012-05-03
• 公開（公告）號: CN102672527A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發明（設計）人: 殷國富;陽紅;方輝
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: B23Q11/00
• 分類號: B23Q11/00;B23Q15/06;B23Q23/00
• 代理公司: 成都科海專利事務有限責任公司 51202
• 代理人: 呂建平

一、技術領域

本發明涉及數控機床進給系統誤差補償技術，特別是涉及數控機床進給系統熱誤差補償方法及用于實施該方法的實施系統。

二、背景技術

隨著數控機床整機及零部件設計、制造、裝配技術和材料等相關技術的不斷進步，幾何誤差、刀具磨損、伺服誤差等在數控機床整體誤差中的比例逐漸減小。在高速、高精度加工條件下，熱變形日益成為影響機床加工精度的重要因素。在高速精密數控機床中，熱誤差占到了機床總誤差的40％～70％。因此，減少熱誤差是提高數控機床加工精度及其穩定性的重要途徑。

機床熱誤差是其內部熱源和外部熱源共同引起的機床各構件熱變形綜合作用的結果。其中，外部熱源主要來自于機床環境溫度的變化(如日照、切削熱引起的機床局部不均衡溫升等)。內部熱源主要有機床相對運動部件產生的摩擦熱；電機、CNC裝置和伺服放大器產生的焦耳熱；主軸冷卻系統與機床主軸之間發生的熱交換等。一般來說，機床內部熱源及零部件之間的熱交換是造成熱誤差的主要原因。

數控機床在工作中不可避免地要發熱，特別是由于其內部熱源多，在傳熱和散熱時導致機床溫度梯度發生變化，并且加上切削熱、環境溫度的影響，以及機床間隙、摩擦等引起的熱滯現象，導致數控機床熱誤差表現為時滯、時變、多方向耦合及綜合非線性特征，增加了用數學模型描述熱誤差的復雜性及誤差補償的不確定性。因此，國內外在數控機床熱誤差補償與控制方面進行了大量研究，并提出了多種有效方法。這些方法按照實現方式不同，可分為硬件補償法和軟件補償法。硬件補償法是通過熱對稱設計、預拉伸和強制冷卻等結構優化方式來減少機床熱誤差的方法。軟件補償法是通過建立準確反映機床溫度場同熱誤差之間關系的熱誤差預測模型，人為地制造出一種新的誤差去抵消當前成為問題的原始誤差，實現熱誤差補償。軟件補償法在一定范圍內可以比較容易地達到“硬件補償技術”要花費較大代價才能達到的精度水平，有助于降低設計制造成本，因此該方法是是精密數控機床熱誤差分析研究的重要方向并取得了較多的研究成果。

在熱誤差補償方面，美國密歇根大學取得了令人矚目的成果。他們應用熱誤差補償技術，使美國通用(GM)公司下屬一家離合器制造廠的100多臺車削加工中心的加工精度提高了一倍以上，并使加工波音飛機機翼的巨型龍門加工中心的加工精度提高了10倍。日本東京大學根據智能制造新概念已開發了由熱致位移主動補償熱誤差的新結構，并在智能高速加工中心予以實現。2003年瑞士Mikron公司開發出智能熱補償系統(ITC)模塊，配置了ITC的機床能自動處理溫度變化造成的誤差。智能熱補償系統的優點是能夠明顯提高加工精度，縮短加工時間，與其他同類機床相比，可節省15～25min的機床預熱時間，而且進行超精密加工所需要的熱穩定時間也明顯縮短。近年來，日本OKUMA公司提出了熱親和的概念，為機床熱誤差補償提供了一種新的思路。

國內多家機構也展開了熱變形控制技術研究。上海交通大學在熱誤差魯棒建模技術、熱誤差補償模型在線修正方面取得多項成果。北京機床研究所研制了智能補償功能板，實現機床熱誤差、運動誤差和承載變形誤差的自動補償，并對數控機床誤差的綜合動態補償技術進行了深入的研究。天津大學劉又午等在基于多體理論模型的加工中心熱誤差補償技術、基于主軸轉速的機床熱誤差狀態方程模型、數控機床的位置誤差補償模型建立等方面開展了深入研究。浙江大學居冰峰，傅建中等提出將相變材料注入到機床基礎件中，在一定范圍內消除了基礎件的熱變形。

國內外現有的機床熱誤差補償方法主要集中在機床主軸或基礎部件熱變形控制方面。相對于機床的進給系統，主軸熱誤差和基礎部件熱變形是準靜止的。由于機床進給系統熱誤差的動態特性，為機床熱誤差補償帶來了新的挑戰，目前，國內外在進給系統熱誤差分析和補償方面正處于起步階段，還沒有專門針對機床進給系統熱誤差補償的研究成果報導。數控機床進給系統熱誤差補償已成為機床熱誤差補償研究中的新課題。

綜觀當前國內外研究進展與成果可知，對數控機床進給系統進行熱誤差補償仍存在著以下明顯的問題及亟待解決的技術難點：

(1)科學的進給系統熱學實驗方案

ISO?230-3機床熱效應測試標準中第7部分提出的機床直線運動熱學實驗方案，一方面需要設計專用的位移傳感器夾具，實施過程復雜，另一方面，該方案溫度和熱誤差測點布置的主要目的在于測量機床直線運動副發熱對其定位精度的影響，并沒有測量行程內熱誤差的變化情況，因此采集得到的實驗數據不適合進給系統熱誤差補償研究。因此，提出一種有效和科學的機床進給系統熱學實驗方案是展開進給系統熱誤差補償技術研究的基礎。