数控机床位置不相关热误差在线补偿方法.pdf

精密制造与自动化2 0 1 7 年第1 期睁|J 造业信息化i数控机床位置不相关热误差在线补偿方法阮志斌1 2张林初1沙建锋1(1 浙江大学杭州3 1 0 0 5 8；2 浙江大学包头工业技术研究院包头0 1 4 0 1 0)摘要针对数控机床位置不相关热误差，提出一种基于平移偏置法的在线补偿方法。采用贝叶斯网络建立机床多温度输入的热误差模型，根据机床综合误差模型，采用平移偏置法计算运动轴补偿值。基于数控机床P L C C N C通讯功能将误差补偿值输入数控系统进行在线补偿。补偿系统结构采用离线误差建模与在线误差补偿的方式，将离线模型计算的误差补偿值通过P L C 输入到机床寄存器中进行在线补偿。对某机床厂研发的滚动导轨精密曲面成形数控磨床进行双主轴热变形补偿，结果表明平均补偿效率超过7 0，补偿效率最高达到9 5 5，验证了基于平移偏置法的位置不相关热误差补偿方法的有效性。关键词数控机床位置不相关热误差误差补偿贝叶斯网络工业科技的快速发展对数控机床的精度和性能要求越来越高，提高数控机床精度主要有两种途径，硬件技术和软件技术。硬件技术即误差防止法，在设计、制造和装配过程中通过硬件技术尽可能降低或消除误差源的影响，但是成本往往成指数增长。软件技术即误差补偿法，通过人为引入一种或几种误差源来抵消机床固有误差源来提高机床加工精度，可降低机床的制造成本幢1。误差补偿法成为精密工程的重要技术之一，热误差是影响机床精度的主要误差源之一b 1。通过对机床热误差补偿已成为提高机床精度的重要措施之一4 咱1。F a n 等人采用正交多项式模型对机床几何误差和热误差进行建模得到机床综合误差模型，在此基础上构建空间误差补偿器实现误差补偿8|。Z h a n g 等人根据多体系统理论建立机床综合误差模型，将平动轴定位误差分为几何误差和热误差两部分，采用与温度场相关的温度系数来表示热误差，并对综合误差进行补偿旧。“等人在此基础上对主轴三个方向的热漂移误差进行测量和建模，模型表示为关于温度变化的一次函数u0|。C a o 等人考虑工件热变形对干式滚齿机的热误差补偿方法进行研究，通过模糊聚类算法得到关键温度变量，然后建立误差补偿模型实现误差补偿。1 1|。W a n g 等人提出一种基于虚拟反馈系统的在线误差补偿方法，通过运动轴指令和误差补偿表，计算实际误差并作为非线性反馈到半闭环控制系统中实现误差补偿n2|。B r e c h e c和H i r s c h 提出一种无传感器的机床热误差补偿方法，通过机床控制系统电信号来获得机床状态和关键点温度n 3 1。现有的热误差补偿方法大多是根据热误差数据建立数学模型，结合机床综合误差模型提出相应误差补偿方法，主要针对随机床运动轴位置变化的热误差进行补偿。然而，与机床位置不相关热误差也是机床热误差主要组成部分，针对此类误差的补偿方法有待进一步研究。目前大多误差补偿方法采用离线方式。本文采用平移偏置法对数控机床位置不相关热误差在线补偿方法进行研究，基于贝叶斯网络模型计算热误差补偿值，通过P L C C N C 通信基于平移偏置法，实现机床位置不相关热误差的在线补偿。1位置不相关热误差补偿1 1 机床误差源分析首先在误差补偿之前对数控机床主要误差源特性进行分析，机床主要误差源及性质见表1。其中几何误差是在机床制造和装配过程中产生的误差，它是稳定误差。热变形误差主要由电机发热、移动部件之间摩擦、环境温度变化等造成的。由于热误万方数据阮志斌等数控机床位置不相关热误差在线补偿方法差缓慢变化而不是高频率变化，热误差实时补偿的需求不是特别强烈。切削力变形比较复杂，它包含了切削力的高频变换，所以闭环控制的切削力误差的实时补偿比较迫切，但是目前这方面在工业应用方面比较难以实现。伺服跟踪误差属于动态误差，数控系统中控制算法的完善可以降低这方面的误差。表l 数控机床主要误差源及性质机床误差源比重性质产生阶段误差类型比重总比重几何类型静态2 0 3 0机床本身4 5,-6 5热变形误差准静态2 5 3 5刀具误差静态1 0 1 5装夹误差静态6 1 0加工过程工件热变形准静态3 52 5 4 0切削力误差动态其他误差动态乱1 0测量装置安装误差8 1 0监测过程1 0 1 5其他误差2 5在数控机床的主要误差源中，几何误差和热变形误差占了很大比例。热变形误差属于准静态误差，误差数值变化在“分钟”级别，远远大于机床插补周期时间，所以没必要对热误差进行严格意义上的实时补偿，那么在机床加工时对机床几何误差和热变形误差进行在线补偿具有一定可行性。1 2 基于平移偏置法的误差补偿值计算数控机床综合空间误差模型是进行误差补偿的基础。机床静态几何误差和热误差分为两种，一种是与运动轴位置相关的误差，另一种是与运动轴位置不相关误差。三轴数控机床包含18 项位