[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

摘要

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。

主权项

1.一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，其特征在于，具体步骤如下：第一步，半闭环进给轴的原点热漂移误差和温度测试第一温度传感器(4)和第二温度传感器(6)分别布置在前轴承座(3)和丝杠附近的床身(13)上；激光干涉仪的分光镜(7)通过磁力表座固定在工作台(8)上，反光镜(10)通过磁力表座固定在主轴(11)上；在原点热漂移误差测试时，测试系统中“材料温度补偿”的温度设置成20℃，以得到丝杠在测试环境温度下的真实误差值；(a)将工作台(8)移动到半闭环进给轴的原点位置，并在原点位置执行“清零”操作；(b)升温阶段：半闭环进给轴以小于30000mm/min的速度在行程范围内往复运动进行升温，每隔一段时间让工作台(8)回到原点位置，记录激光干涉仪的原点热漂移误差值以及对应的第一温度传感器(4)和第二温度传感器(6)的温度变量值；反复运动和测试，重复5～7次；(c)降温阶段：半闭环进给轴停止在原点位置进行降温，每隔一段时间记录激光干涉仪的原点热漂移误差值以及对应的第一温度传感器(4)和第二温度传感器(6)的温度变量值；反复降温和测试，重复4～6次；升温阶段和降温阶段测试得到的原点热漂移误差值记为ed，升温阶段和降温阶段第一温度传感器(4)和第二温度传感器(6)测试得到的温度变量值分别记为δTbr和δTb；第二步，丝杠在原点位置的实时温度预测将行程范围内的丝杠(5)离散化成D段，每段长度为L；以行程范围内的丝杠(5)为分析对象，按如下方式建立丝杠(5)的温度场预测模型；式中，c为丝杠(5)的比热容，ρ为丝杠(5)的材料密度，S为丝杠(5)的等效截面积，为在t时刻丝杠(5)L_i段的实时温度，q_f(t)为螺母(9)在(t‑Δt,t)时间段内摩擦L_i产生的总热量，q_c(t)为在(t‑Δt,t)时间内L_i段丝杠向空气的散热量，q_t(t)为在(t‑Δt,t)时间内L_i段丝杠沿轴向的热传导量，q为螺母(9)摩擦L_i一次产生的热量，N为在(t‑Δt,t)时间内螺母(9)摩擦L_i的次数，h为对流散热系数，S'为丝杠L_i段与空气的换热面积，T_f(t)为丝杠(5)周围空气的温度，用床身(13)的温度代替，λ为丝杠(5)的热传导系数；对式(1)进行求解，得到丝杠(5)任意一段L_i的实时温度值i＝1时，即为丝杠(5)在原点位置的实时温度第三步，建立半闭环进给轴的原点热漂移误差与关键温度变量的关系模型半闭环进给轴的原点热漂移误差由前轴承座(3)的温升δT_br、原点位置的温升和环境温升δT_b共同引起；前轴承座(3)的温升δT_br和原点位置的温升导致工作台(8)靠近主轴，环境温升δT_b导致工作台(8)远离主轴，且半闭环进给轴的原点热漂移误差与δT_br、δT_b近似呈线性相关，半闭环进给轴的原点热漂移误差通过式(2)计算：式中，ed为原点的热漂移误差，α,β,χ,γ为待定系数；第四步，辨识原点热漂移误差模型中的参数将第一步得到的不同时刻的原点热漂移误差值e_d、温度变量值δT_br和δT_b，以及第二步得到的丝杠在原点位置的实时温度代入式(2)，采用最小二乘法对α,β,χ,γ进行求解。