基于PMC控制的数控机床主轴热伸长误差实时补偿方法与流程

本发明属于数控机床加工领域，涉及到基于pmc控制的数控机床主轴热伸长误差实时补偿方法。

背景技术：

数控机床的主轴是提供加工主动力的核心部件。数控机床在使用过程中，各运动部件之间会由于摩擦而产生大量的热量；机床与外部环境之间也会产生热量的交换。大量研究表明：在精密加工过程中，由机床热变形所引起的制造误差占总误差的40-70％，是影响机床加工精度最主要的因素之一，已引起多国学者的持续关注和研究。

减少机床热变形产生的误差主要有三种方法：改进机床的结构设计；控制机床重要部件的温升；建立温度变量与热变形之间的数学模型并进行误差补偿。相对来讲，误差补偿法不改变主轴结构，成本低、实施方便，是最直接控制主轴热伸长误差的有效方法，因而被广泛采用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于pmc控制的数控机床主轴热伸长误差实时补偿方法，更新机床坐标系偏置功能系统变量，机床的数控系统执行该坐标系偏置变量，完成主轴热伸长误差的实时补偿。

本发明这种基于pmc控制的数控机床主轴热伸长误差实时补偿方法，其特征在于：首先利用温度传感器实时测量当前主轴转速下的热关键点温度，利用预先建立的热误差模型计算当前热状态下的主轴热伸长误差补偿量，用此误差补偿量更新机床坐标系偏置功能系统变量；机床的数控系统通过pmc数据处理功能将误差补偿量补正到数控系统中，更新机床坐标系偏置功能系统变量；执行该更新的机床坐标系偏置系统变量，完成主轴热伸长误差的实时补偿。

本发明的突出贡献

提供了一种用于减少机床主轴热变形的补偿控制方法，针对日常使用中机床加工工况下的主轴热伸长误差，通过在机床合适位置布置适当的关键温度测量点及测量相对应的主轴热伸长量，从而建立基于温度的主轴热伸长误差补偿模型；利用建立的误差模型测量实时温度，能够有效地预测热误差的大小，并将该热误差预测值通过机床的pmc功能建立实时补偿值，更新机床坐标系偏置功能系统变量，机床的数控系统执行更新后坐标系偏置变量从而实现热伸长误差的实时补偿。应用本发明方法后，能够将数控机床由于主轴热变形导致的加工误差大大降低，保证作业中实现数控机床预定的控制精度。本发明只对关键温度点进行测量，实现了温度场的精简。多元线性回归分析理论可以包含更多的机床特征信息，有利于提高温度传感器布置及补偿模型的鲁棒性和适应性。利用数控机床内置的pmc功能，实现主轴热误差的实时补偿功能，解决机床热变形误差补偿的技术问题，保证了补偿的实时性。有效减少数控机床主轴轴向热误差，提高加工精度。

附图说明

附图1是实时补偿流程图；

附图2是数控机床主轴热关键点温度与热伸长测量示意图。

图中，s1-主轴温度传感器，s2-基座温度传感器，s3-主轴电机温度传感器，s4-轴套温度传感器，s5-主轴轴承温度传感器，x、y、z—机床坐标系的三个坐标轴。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案说明本发明的实施过程。

实施例选用的机床是数控铣床，主轴轴线与z轴一致，直线轴定位精度0.01mm。温度传感器为pt100，量程10℃～100℃，输出电压信号0v-10v；位移传感器1，量程2mm，输出电压信号-5v～+5v。环境温度为室温。

数控机床主轴热伸长误差的补偿流程如图1所示，具体的方法步骤如下所述：

在机床主轴箱附近如图2所示布置温度传感器s1-s5：主轴温度传感器s1安装在主轴前端，主轴轴承温度传感器s5、基座温度传感器s2和s4轴套温度传感器分别安装在主轴轴承、主轴基座和轴套部位，主轴电机温度传感器s3安装在主轴根部的电机处。将位移传感器1安装在磁力表座2上，并将磁力表座2固定在工作台上。启动机床主轴运行，首先，从机床启动开始到热稳态过程中，每10min记录一次测温点的数值和主轴热伸长值，对主轴箱上的5个测温点所测数值进行分析后，再根据测温点的温度变化和机床主轴位移变化的偏回归系数，从中选出较典型的2个关键测温点。基本步骤如下：

1)温度及热伸长数据采集

调整工作台使得位移传感器1距主轴的前端面保持一个合适的距离h，同时须保持位移传感器1端面与主轴前端面平行。分别测量温度点的温度和主轴热伸长数据。

2)关键测温点选取

本试验中，试验指标(热伸长值)y与m个试验因素(温度值)xj(j＝1,2,…,m)，采用多元线性回归方程描述：

式中：b1，b2，...，bm称为偏回归系数。

使用偏回归系数检验法，计算此公式的各个偏回归系数的偏回归平方和。偏回归平方和的大小表示了因素xj对试验指标y的影响程度。由此，选取了两个测温点作为机床主轴热伸长误差的关键测温点。

其次，整理实验测得的2个关键测温点的温度值和主轴热伸长值，运用多元线性回归分析理论建立热误差补偿模型公式，将补偿公式输入到机床pmc中。热伸长误差的补偿模型公式建立过程为：

根据测得的2个关键测温点的温度值和主轴热伸长值，代入公式：

式中，α0i,αji是各测温点误差拟合系数；δti是各测温点的温升；i为测量点数，j＝1,2,...,m,是测量次数；

可得出基于2个关键测温点的主轴热伸长误差补偿公式：

z＝a+bt1+ct2

式中，z是机床主轴热伸长误差值，a,b,c为系数，t1,t2是测点的温度值。

再次，利用机床系统的pmc功能实时读取测量到的关键点的温度值，并用热误差补偿模型公式计算出数控机床坐标系的补偿数值，更新机床坐标系偏置功能系统变量；再将计算的实时补偿值输出给控制机床的数控系统，数控系统把补偿值送入cnc控制器，最后，结合pmc计算得出的误差补偿值，来控制数控机床的三轴运动，并改变机床的起始位置，达到实时补偿的目的。

技术特征：

技术总结
基于PMC控制的数控机床主轴热伸长误差实时补偿方法，其特征在于：首先利用温度传感器实时测量当前主轴转速下的热关键点温度，利用预先建立的热误差模型计算当前热状态下的主轴热伸长误差补偿量，用此误差补偿量更新机床坐标系偏置功能系统变量；机床的数控系统通过PMC数据处理功能将误差补偿量补正到数控系统中，更新机床坐标系偏置功能系统变量；执行该更新的机床坐标系偏置系统变量，完成主轴热伸长误差的实时补偿。只对关键温度点进行测量，实现了温度场的精简。利用数控机床内置的PMC功能，实现主轴热误差的实时补偿功能，解决机床热变形误差补偿的技术问题，保证了补偿的实时性。有效减少数控机床主轴轴向热误差，提高加工精度。

技术研发人员：罗和平;刘永吉;毕岩;李志丹;陈冉;邵毅;马国艳;苗松;汲军;白雅静;刘博;李潭;陈光;齐博;冯泽宇;吕泽;吕博;白义
受保护的技术使用者：沈阳机床股份有限公司
技术研发日：2017.10.25
技术公布日：2018.03.30