[发明专利]一种数控机床半闭环进给轴的原点热漂移误差测试及建模方法

说明书

本发明公开了一种数控机床半闭环进给轴的原点热漂移误差测试及建模方法，属于数控机床误差补偿领域。该方法包括以下步骤：采用激光干涉仪和温度传感器按照特定的测量方式得到进给轴的原点热漂移误差及相应的关键点温度；基于传热理论预测丝杠在原点位置的实时温度；在分析半闭环进给轴原点热漂移误差成因的基础上，建立原点热漂移误差与主要温度变量的关系模型。试验结果表明，原点热漂移误差的预测及补偿效果良好。本发明所用的特定测试方法效率高，模型的预测精度高，热漂移误差的在线计算速度快，解决了数控机床半闭环进给轴的原点热漂移误差这一重要类型误差的补偿问题。

技术领域

本发明涉及数控机床误差补偿领域，具体为一种数控机床半闭环进给轴的原点热漂移误差测试及建模方法。

背景技术

机床的热误差是困扰机床行业几十年的难题。由于机床热误差的存在，导致的问题在于：单件的加工精度易不合格；批量加工零件的一致性差，废品率高；为了减少热误差，机床开机后需要热机，能耗损失大；若工件的加工精度要求高，还需要高成本打造恒温车间。

数控机床的热误差包括进给轴热误差和主轴热误差两部分。进给轴的热误差很大，对其进行热误差建模及补偿也是非常困难的。实际上，进给轴的热误差分为两部分：行程范围内的热膨胀误差和原点的热漂移误差。根据理论分析，进给轴行程范围内的热膨胀误差主要是由于环境温度变化和机床运动生热而产生的。原点的热漂移误差主要是由于原点侧的轴承座发热、行程范围内的丝杠热传导、环境温度变化等引起的。

尽管原点的热漂移误差可以通过对刀方式进行消除，但是在加工过程中的对刀操作不仅对操作者的技术水平要求高，而且增加了操作者的劳动强度，更对生产线的自动运行造成了很大困扰。因此，有必要通过误差自动补偿的方法抑制原点热漂移误差造成的不良影响。

对于数控机床进给轴的热误差建模方法，国内外都开展过广泛的研究。2007年，Y.Kang等在《International Journal of Machine Tools&Manufacture》第47卷发表文章《Modification of a neural network utilizing hybrid filters for thecompensation of thermal deformation in machine tools》，结合前馈神经网络和混合滤波器对热误差进行补偿。2010年，X.Li等在《Key Engineering Materials》第455卷发表文章《Application of a Bayesian Network to Thermal Error Modeling and Analysisfor Machine Tool》，提出了一种基于贝叶斯网络的热误差动态建模方法。2010年，苏瑞尧等在专利“工具机热误差智能调适装置及其方法”申请号：201010606270.9中，提供了一种基于支持向量回归热误差模型的热误差智能调适装置及方法。2011年，姚晓栋等在专利“基于时间序列算法的数控机床热误差实时补偿建模方法”申请号：201110085996.7中，采用时间序列算法建立机床的热误差模型。2011年，苗恩铭等在专利“数控机床热误差补偿高次多阶自回归分布滞后建模方法”申请号：201110379618.X中，提供了一种高次多阶自回归分布滞后建模方法。2011年，姚晓栋等在专利“数控机床定位误差动态实时补偿系统”申请号：201210258793.8中，将机床的定位误差按照影响因子法分解为冷态下的几何误差、室温变化引起的定位误差以及螺母运动温度变化引起的定位误差三个部分并分别进行建模。2013年，项四通等在专利“基于人机界面二次开发的数控机床误差补偿系统及方法”申请号：201310245088.9中，基于人机界面二次开发，给出了面向西门子840d数控系统的补偿方法以及线性的进给轴热误差补偿模型。2015年，W.L.Feng等在《International Journal ofMachine Tools&Manufacture》第93卷发表文章《Thermally induced positioning errormodelling and compensation based on thermal characteristic analysis》，分析了丝杠在升温和降温阶段的传热过程并分别建立了升温和降温阶段的热特性模型，解决了丝杠在热分布不均匀状态下的热误差预测问题。