[发明专利]一种数控机床主轴热伸长误差实时补偿方法

摘要

本发明涉及到一种数控机床主轴热伸长误差实时补偿方法，属于数控机床加工领域。该方法中，首先利用温度传感器实时检测当前主轴转速下的热关键点温度，并根据热关键点温度对主轴热伸长误差的影响度，计算表征温度。计算当前热状态下的主轴热伸长误差补偿量，通过PLC数据处理功能，按一定周期更新与主轴轴线一致的直线轴机床外部坐标系偏置功能系统变量，完成主轴热伸长误差的实时补偿。本发明根据热关键点温度对主轴热伸长的影响度，将多个温度变量转化为一个表征温度，消除温度场信息重叠；采用PLC作为补偿程序载体的方法，保证了补偿实时性，降低了补偿过程的复杂程度。补偿过程简单、快速，实时性好。

主权项

1.一种数控机床主轴热伸长误差实时补偿方法，其特征在于，主轴热伸长误差实时补偿方法中，首先利用温度传感器实时检测当前主轴转速下的热关键点温度，并根据热关键点温度对主轴热伸长误差的影响度，计算表征温度；然后，利用基于表征温度的误差补偿模型计算当前热状态下的主轴热伸长误差补偿量，同时考虑实际工况与标定工况初始温度的差异性，引入表征温度修正因子；通过PLC数据处理功能，按一定周期更新与主轴轴线一致的直线轴机床外部坐标系偏置功能系统变量；最后，数控系统自动运行该直线轴的坐标系偏置功能，完成主轴热伸长误差的实时补偿；方法具体步骤如下：第一步，温度及热伸长数据采集将主轴温度传感器(S₁)和主轴电机温度传感器(S₂)分别安装在主轴(3)和主轴电机(1)上，将位移传感器(S₃)安装在磁力表座(4)上，磁力表座(4)固定在工作台(5)上，调整工作台(5)使位移传感器(S₃)距主轴(3)的前端面保持一定距离d，并保持位移传感器(S₃)端面与主轴前端面平行；分别进行测量获得热关键点温度和主轴热伸长数据；主轴温度传感器(S₁)测得主轴(3)的前轴承附近主轴温度样本为主轴温度传感器(S₁)每隔一分钟测得的第i时刻的温度值；主轴电机温度传感器(S₂)测得主轴电机处温度样本为主轴电机温度传感器(S₂)每隔一分钟测得的第i时刻的温度值；位移传感器(S₃)测得主轴热伸长误差样本U＝(u₁,u₂,...,u_i,...,u_n)，u_i为位移传感器(S₃)每隔一分钟测得的第i时刻的主轴热伸长值；n为所测数据的样本容量；第二步，表征温度计算利用主轴温度样本T1和主轴电机处温度样本T2，构成温度矩阵T＝(T1；T2)，计算得到温度矩阵T的协方差矩阵S；利用矩阵计算方法，计算获得协方差矩阵S的两个特征根λ1和λ2，以及λ1和λ2分别对应的单位特征向量v1＝(a11,a21)和v2＝(a12,a22)，其中a11、a12、a21、a22均为特征向量参数；则，降维前表征温度F，式中，F1与F2分别为降维前表征温度变量F的第1分量与第2分量；利用特征值分别计算各表征温度分量对主轴热伸长的影响度，F¹的影响度δ₁＝λ₁/(λ₁+λ₂)，F²的影响度δ₂＝λ₂/(λ₁+λ₂)；如果δ₁≥δ₂，取F¹；否者，取F²；那么，得到降维后的表征温度式中，j＝1或2；则，第i时刻降维后的表征温度第三步，补偿模型建立在一定主轴转速条件下，取所测主轴热伸长误差和计算出的表征温度，构建数据集利用回归法对这些数据点进行拟合逼近，获得如下模型，式中，E为输出误差，b_k为模型系数，c为常数，p为阶数；ε为表征温度修正因子，为实际工况的初始表征温度，标定工况的初始表征温度；在机床正常运行的主轴转速范围内，取最高主轴转速下所获得主轴热伸长误差和计算出的表征温度，构成标定数据集Q0；将Q0带入公式(3)，利用最小二乘方法，计算出系数bk和常数c，进而获得主轴热伸长误差的补偿模型；第四步，主轴热伸长误差实时补偿实施在主轴实际运行过程中，机床PLC读取热关键点的温度和计算表征温度将带入公式(3)，实时输出主轴热伸长误差待补偿值；选择与主轴轴线一致的数控直线轴作为补偿轴，启动该直线轴的机床外部坐标系偏置功能，将实时计算出的待补偿值存放在D地址，最后利用PLC的读写功能将补偿值读入到系统变量G0000；数控系统按周期循环执行PLC；每个周期内，G0000中的数值被更新，同时误差补偿被执行，最终实现主轴热伸长误差的实时补偿。