一种数控加工中心主轴热误差动态补偿方法及系统与流程

本发明涉及精密加工控制技术领域，尤其涉及一种数控加工中心主轴热误差动态补偿方法及系统。

背景技术：

加工中心主轴是机床的关键部件，其稳定性是机床加工精度的主要保障，然而，机床行业的发展对主轴速度要求越来越高，而控制主轴高速旋转下的热变形误差又是保障系统加工精度前提。因此，国内外在减小主轴热变形误差方面做了很多努力，如针对主轴的结构特点设计更好的冷却工艺、采用热膨胀系数更小的原材料、进行误差动态补偿、限制机床工作环境，如环境温度、整体散热、热机要求等。

相较而言，动态误差补偿是对主轴甚至机床整体影响最小的手段。然而主轴热变形是个复杂的问题，且由于结构和安装条件的复杂性，还需要考虑时间关联的机床结构性形变，从结构上进行建模分析是难以实现的。难以解决主轴热变形给系统带来的影响。从而导致机床的加工精度无法提高。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种数控加工中心主轴热误差动态补偿方法及系统，以克服上述技术问题。

本发明提供一种数控加工中心主轴热误差动态补偿方法，包括：

温度传感器、激光测头、冷却控制器采集中心主轴的热变形关联数据，所述热变形关联数据包括：主轴温度、床体温度、滑枕温度、主轴转速、冷却液流速和主轴热形变量；

数控单元根据所述热变形关联数据得到热误差补偿影响因子；

采用matlab高维曲面拟合对所述热误差影响因子拟合得到热误差拟合公式；

根据所述热误差拟合公式计算所述中心主轴的实时形变量误差；

根据所述实时形变量误差对所述中心主轴进行在线补偿。

本发明还提供一种数控加工中心主轴热误差动态补偿系统，包括：

测量主轴温度的第一热敏电阻、采集床体温度的第二热敏电阻、采集滑枕温度的第三热敏电阻、测量床体冷却液流速的流量传感器、测量主轴热变形激光测头以及数控单元；

所述第一热敏电阻设置于中心主轴电机线圈内部，所述第二热敏电阻置于主轴后侧与滑枕相连的床身上，所述第三热敏电阻设置于滑枕中部，所述流量传感器安装于冷却控制器内部，所述激光测头固定于主轴两端，所述数控单元分别与所述第一热敏电阻、所述第二热敏电阻、所述第三热敏电阻、所述流量传感器以及激光测头连接。

进一步地，还包括：

用于显示所述第一热敏电阻、第二热敏电阻、第三热敏电阻、所述流量传感器以及激光测头测量结果的显示单元，所述显示单元与所述数控单元连接。

进一步地，所述热敏电阻采用磁吸式。

本发明用于数控加工中心的主轴热误差动态补偿方法通过主轴温度的检测、冷却系统检测、热误差动态补偿方法和实施，能够减小主轴热伸长造成的误差，显著提高系统加工精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明数控加工中心主轴热误差动态补偿方法流程图；

图2为本发明高维曲面拟合流程图；

图3为本发明数控加工中心主轴热误差动态补偿系统结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明数控加工中心主轴热误差动态补偿方法流程图，如图1所示，本实施例的方法可以包括：

步骤101、温度传感器、激光测头、冷却控制器采集中心主轴的热变形关联数据，所述热变形关联数据包括：主轴温度、床体温度、滑枕温度、主轴转速、冷却液流速和主轴热形变量；

步骤102、根据所述热变形关联数据得到热误差补偿影响因子，其中冷却液流速由冷却控制器得到，主轴相对床体温升等于主轴温度与床体温度的差值，滑枕相对床体温度等于滑枕温度与床体温度的差值，主轴转速由pc端实时记载，形变量通过激光侧头测的数据通过串口与pc相连；

具体而言，本实施例由热敏电阻传感器、激光测头、冷却控制器采集机床中心主轴热变形关联数据，得到的热变形关联数据包括：主轴温度、床体温度、滑枕温度、主轴转速、冷却液流速、主轴热形变量；并对热关联数据处理，主轴温度与床体温度做差得到主轴相对床体温度温升，滑枕温度与床体温度做差得到滑枕相对床体温升，从而得到热误差形变影响因子。热误差形变影响因子见表1。

表1

步骤103、采用matlab高维曲面拟合对所述热误差影响因子拟合得到热误差拟合公式；

步骤104、根据所述热误差拟合公式计算形变量误差；

具体而言，数控系统调用matlab补偿算法，将热变形关联数据，按照输入传感器的顺序优先，多项式的各项按基底所含字母顺序进行降幂排列的规律约定好，以数组形式从数控系统接口中输入到封装好的matlab算法中进行在线拟合。

温补算法模型编译，不同的机床数控系统对应有不同的温度补偿方式。本实施例中利用matlab进行高维拟合，采用多元线性回归方法，只要选定合适的基底，拟合模型可以做到多元高次线性拟合，由于温度补偿模型不宜过于复杂，并且在多次的实践测试中发现多元一次、二次、三次与多元高次拟合结果误差相差很小可忽略不计，故模型可以简化为可选的多元一次、多元二次、多元三次拟合。具体使用几次拟合根据具体的机床工况选定。多元线性回归模型，以多元一次为例，本实施例中多元二次、多元三次按照规定规律输入基底。

f＝a1x1i+a2x2i+a3x3i+a4x4i+a0(1)

其中，x1i,x2i,x3i,x4i为热误差形变影响因子，f为计算所得主轴热形变量，a0、a1、a2、a3、a4为多项式系数。

由上述公式(1)拟合得到形变量f与表1中实际测得形变量进行比较，得到最大误差及平均误差。利用matlab将上述过程实现并封装成dll文件形式。数控系统进行温度补偿时直接调用dll文件，具体处理过程如图2所示。

步骤105、根据所述实时形变量误差对加工中心主轴进行在线补偿。

具体而言，数控系统通过调用dll文件并根据误差值选择误差较小的拟合公式，将公式作为一个输入项与数控系统计算输出单元中输出的其他参数(数控机床的动态误差，包括伺服参数不合理、机械扰动等造成的误差)一起参与到数控系统的刀具长度误差补偿(数控系统刀具长度误差补偿是指由刀具加工工件过程中产生如刀具自身误差以及上述所述主轴热误差、机床误差等误差影响工件加工而造成的误差，需要统一在数控系统刀具误差补偿单元中对刀具进行误差补偿)计算，并在数控系统刀具长度误差补偿器中动态完成相关误差补偿，最后由数控系统控制输出单元完成最终输出，以上过程实现数控系统的动态补偿加载。

图3为本发明数控加工中心主轴热误差动态补偿系统结构示意图，如图3所示，本实施例系统，包括：

测量主轴温度的第一热敏电阻101、采集床体温度的第二热敏电阻102、采集滑枕温度的第三热敏电阻103、测量床体冷却液流速的流量传感器104、测量主轴热变形激光测头105以及数控单元106；

所述第一热敏电阻设置于中心主轴电机线圈内部，所述第二热敏电阻置于主轴后侧与滑枕相连的床身上，所述第三热敏电阻设置于滑枕中部，所述流量传感器安装于冷却控制器内部，所述激光测头固定于主轴两端，所述数控单元分别与所述第一热敏电阻、所述第二热敏电阻、所述第三热敏电阻、所述流量传感器以及激光测头连接。

进一步地，还包括：

用于显示所述第一热敏电阻、第二热敏电阻、第三热敏电阻、所述流量传感器以及激光测头测量结果的显示单元，所述显示单元与所述数控单元连接。

进一步地，所述热敏电阻采用磁吸式。

具体而言，由于主轴运行过程中各部分温升的离散性，现实也不可能大量布置传感器，那么采集主轴温升的热源附近的温度变化是最好的选择，因此，本实施例中可将温度传感器分别置于电机线圈内部检测电机温度，由于床体中流有恒定低温冷却液，故置于床体上合适位置可检测床体温度、置于滑枕中部检测滑枕温度，配置至少三个温度传感器于上述部位，通过温度变送器将测得数据传递数控系统。

此外主轴冷却液流速、主轴转速也必然与主轴热变形相关。机床配有冷确控制器可测冷确液流速，机床自身持有主轴转速信息，因而所有数据均可汇集于数控系统。

本实施例系统工作原理与图1所示的方法相同，此处不再赘述。

本发明利用matlab软件建立温度补偿模型并采取高维曲面拟合方式，matlab优势在能够以矩阵形式对大量数据进行快速计算，matlab建立温补模型，对机床收集不同、大量主轴热关联数据进行准确，快速拟合，获得主轴热误差形变量优化模型，解决了温度测点相关性对模型精度的影响，通过matlab编写温度补偿算法封装后给数控系统调用实现matlab与c++混合编程，利用各自优点实现对主轴热变形关联数据的自动分析、快速线计算及自动补偿功能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。