[发明专利]一种精密数控机床全工作台曲面热误差补偿方法

说明书

技术领域

本发明涉及精密加工机床技术领域，尤其是一种精密数控机床全工作台曲面热误差补偿方法。

背景技术

在数控机床的加工过程中，由于环境温度、主轴旋转、切削参数等多因素作用，数控机床存在着多热源、温度场复杂多变的特色，导致安装切削刀具的主轴端部和安装工件的工作台相对位置的变化，此变化最终转嫁为零件的加工误差。通过对数控机床有限温度点进行采样，建立热误差补偿模型预测出热误差值，并通过数控系统提前给予补偿的软件热误差补偿控制技术是提高机床精度的一种有效而经济的手段。

近年来，科研人员根据上述标准对建模算法和建模温度变量的选择进行了大量深入研究。2014年，Ali M.Abdulshahed等在期刊《Applied Mathematical Modelling》中发表“Thermal error modelling of machine tools based on ANFIS with fuzzy c-means clustering using a thermal imaging camera”一文，针对固定点主轴Z向热误差，利用热成像相机对温度进行测量，结合自适应神经模糊推理系统建立热误差模型。在专利号为201110001213.2的专利《用于高速精密加工的热误差实时补偿系统及其补偿方法》中，上海交通大学的杨建国等提出采用固定在工件装夹设备上的位移传感器所测得主轴轴向热变形来表征主轴的热误差。

然而，在实际机械加工中，被加工件均具有一定的体积形状，占据工作台一定的空间区域。工作台自身存在平面度误差，工作台上各点空间坐标存在差异，同时工作台通过滑块与导轨组合相联，热变形规律呈动态变化性，复杂多变。而现行科研人员根据国标ISO 230-3：2007实施的热误差补偿技术，仅以工作台某固定点Z轴方向热误差来替代全工作台范围的各点热误差，忽略了全工作台范围内的各点热误差的差异性对加工精度的影响，导致目前根据工作台单点建立的热误差补偿模型对于机床全工作台范围内的Z轴轴向热误差补偿功效存在较大的不确定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过对全工作台范围内热误差进行预测补偿，以获得精确的全工作台热误差补偿值的精密数控机床全工作台曲面热误差补偿方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种精密数控机床全工作台曲面热误差补偿方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)采集机床的主轴关键部位即温度采集点的温度信息，以及工作台代表位置点即测点的Z轴坐标信息；

(2)分析研究工作台台面上各测点的热变形规律Δz，运用模糊聚类与灰色关联度相结合的方法从温度采集点中筛选出温度敏感点；

(3)根据采集的温度敏感点的温度信息和测点的热变形信息建立全工作台范围内各测点的热误差模型；

(4)将所建立的各测点热误差模型通过软件编程嵌入补偿器中；

(5)将温度采集系统实时采集的温度敏感点的温度值输入补偿器中，同时由热误差模型计算出当下该温度时刻各测点处的预测热变形量；

(6)对该温度时刻各测点的预测热变形量进行曲面建模，建立全工作台曲面热误差补偿模型；

(7)将坐标采集系统采集的机床实时的X/Y坐标值，输入到补偿器中，计算出机床在该坐标位置下的热误差补偿值；

(8)将所得补偿值输入到机床，结合坐标原点偏移实现机床全工作台范围内Z轴轴向热误差实时补偿。

所述步骤(1)具体是指，采用温度采集系统对机床主轴关键部位即温度采集点的温度值进行测量，假设有m个温度采集点，共采集n组，则得到的温度数组为{T_i1、T_i2、…、T_im}，i＝1,2,…,n；同时使用坐标采集系统对工作台各代表位置点即测点的Z轴坐标进行采集，假设工作台有r个测点，同时采集n组，则采集的坐标值为{z_i1、z_i2、…、z_ir}，i＝1,2,…,n。

所述步骤(3)具体是指，运用多元线性回归算法对各测点进行热误差建模，根据公式(1)，建立全工作台范围内每个测点的热误差模型：

Δz_i＝b₀+b₁ΔT_i1+b₂ΔT_i2+…+b_mΔT_im+e_i(i＝1,2,…,n)(1)