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基於 HNC-8 數（shù）控係統的機床熱誤差補償方法

2018-8-8 來源：轉載作者：陳國華（huá），閆（yán）茂鬆，向華（huá），李強，張少博（bó），童（tóng）

摘要: 熱誤差在機床總誤差源中占了極大比重，研究熱誤差（chà）補償方法對（duì）於提高機床加工精度具有十（shí）分重（chóng）要的意義。基於 HNC-8 ( 華（huá）中 8 型) 數控係統的（de）開放性特性，根據（jù）機床熱誤差的補（bǔ）償原理，分析（xī）熱（rè）誤差補償值的（de）計算（suàn）方法（fǎ），並據此算法開發了集成於 HNC-8 數控係統的熱誤差補償（cháng）模塊，最後結合實例，驗證了補償方法的（de）有效性。

關鍵詞: HNC-8 係統; 機床; 熱誤差; 補（bǔ）償方（fāng）法

數控機床隨著（zhe）機床（chuáng）定位精度和刀具性能的不斷（duàn）提高，幾何誤差和切削力誤差（chà）在一定程度上已（yǐ）經得（dé）到了較好的解（jiě）決，而（ér）溫（wēn）度變化引起的熱誤差（chà）在總誤差源中占了極大比重，成為了影響（xiǎng）機床精（jīng）度、精度保持性的最重要和最難以解決的因素（sù）。

減小熱誤差的方法主要有 3 種: 溫度（dù）控（kòng）製、熱穩定性設計（jì）和熱（rè）誤差補償。溫度控製不易實現，因為溫控總是（shì）滯後於溫升，隻有發生了溫（wēn）度變化後（hòu），控製機構才會發生（shēng）作用。熱穩定性設計通常（cháng）稱為（wéi）誤差防止法或硬技術，因為它在（zài）機床設計製造階（jiē）段就進行熱誤差機製分析，包括（kuò）機床溫度場（chǎng）和變形位移場，進而采取結構優化（huà）和材料改進等來提高機床的熱穩定性。而熱誤差補（bǔ）償則（zé）不需要（yào）改變機床結構設計，采用補償控製器加上軟件編程來（lái）消（xiāo）除機床自身（shēn）產生的（de）熱誤差，所以又稱為控製熱誤差的軟技術，被認（rèn）為是最（zuì）有效、最經濟的（de）方法（fǎ）。

從目前來看，補償運動控製的實（shí）現方（fāng）法有: (1)通過修改 G 代碼來實施補償，很明顯（xiǎn），該方法（fǎ）實時性差，應用極不方便; ( 2) 開放式數（shù）控係統補償法，但國外數控係（xì）統完全不開放; ( 3) 數（shù）控係統內部（bù）參數調（diào）整補償法，如螺距（jù）補（bǔ）償（cháng）、齒隙補償、刀補等，但（dàn）僅（jǐn）靜態補償; ( 4) 原點偏（piān）移補償法，但受（shòu）限於數控係統。

由於以（yǐ）上原因，特別是受限（xiàn）於國外數控係統（tǒng）功（gōng）能接口的不開放，使得誤（wù）差補償技術應用不到（dào）位，因此，作者基於（yú） HNC-8 數（shù）控係（xì）統的開放性特征，根據機床熱（rè）誤差補（bǔ）償原理與方法，將熱誤差補償模塊集成於數（shù）控係統，以提高機床的加工精（jīng）度為目的，從而實現（xiàn）擴大國產數控係統（tǒng）的功能。

1 、機床熱誤差補償方法

1. 1 補償原理（lǐ）

機床熱（rè）誤差（chà）不僅（jǐn）僅與溫度相（xiàng）關，而且與（yǔ）機床的位置（zhì）有關。為了實現機床熱誤差（chà）補償，必（bì）須測量指定溫度條（tiáo）件 T 下機床各運動軸在行程範圍內的誤差值序（xù）列，並根據誤差值序列（liè）運用回歸擬合的方法繪製熱誤差曲線。熱誤（wù）差曲線如圖 1 所示。

圖 1 X 軸熱誤差曲線擬合（hé）圖

從圖 1 可以看出: 在滿足一定精度要求的（de）前提下（xià）熱誤差曲線可以用一條直線 ( 虛線) 代替，該直線可以通過斜率與補償參考點 P0唯一確定，這為熱誤差在（zài）數控係統中的補償提供了極大方便。隻要確定（dìng）不同溫度下的熱（rè）誤差與機床（chuáng）位置的函數斜率（lǜ）及參考點截距，就可以（yǐ）在（zài）數控（kòng）係統中（zhōng）實施動（dòng）態補償。

1. 2 補償值的計算

對機床熱誤差的補償其（qí）實就是對擬合直（zhí）線的斜率（lǜ）和（hé）擬合直線的偏置值進行補償（cháng），使補償後的擬合直線斜率為（wéi） 0，擬合直（zhí）線偏置值為 0。圖 2 形象表達了補償值的計算方法（fǎ）。以（yǐ） X 軸補償為（wéi）例，補償值 Cx由當前指令坐標（biāo）值Px以及溫（wēn）度傳感器測（cè）量得到的溫度值 T 確定，計算公式如下:

各參數含義如圖 2 所示，具體如下: Cx為（wéi） X 軸（zhóu）在 Px位置的（de）溫度補償值; ΔEx為 X 軸在溫度 T 時（shí）的熱誤差值; K0為（wéi） X 軸位置無關式熱誤差補償（cháng）值; Px為 X 軸（zhóu）指令位（wèi）置; P0為 X 軸補償參考點; tanβ 為 X軸位置相關式熱誤差補償係數 ( 即 X 軸熱誤差（chà）擬合直線的斜（xié）率) 。

1. 3 熱誤差補償插補方法

熱誤差曲線僅描述（shù）了針對某一特定溫度（dù）的瞬（shùn）時狀態，所以當溫度變化時補償參數必須根據新的熱誤差（chà）曲線重新生成，並傳送給數控（kòng）係統。熱誤差補償在插補周期內進行，即所謂的插補後（hòu）補償。為防止機床過載，在（zài）按照公式（shì） ( 1) 計算得（dé）到熱誤差補償值後（hòu），必須先通（tōng）過監控程序與補償值平滑處理限（xiàn）製補償（cháng）值的大小，再將（jiāng）其與插補輸出指（zhǐ）令位置進行疊加。熱誤差補償插補方法如圖（tú） 3 所示（shì）。

圖（tú） 2 誤差補償值（zhí）的計算原理

圖 3 熱誤差補償插補方法（fǎ）

1. 4 熱誤（wù）差補償模塊開發

基於 HNC-8 數控（kòng）係統的開放性特性，根據機床熱誤差補償方法，開發了一（yī）套（tào）集（jí）成在（zài）華中 8 型數控係統中（zhōng）的熱誤差補償模塊，有效（xiào）地擴展了國產數控係統的功能以及適用範圍。熱誤差補償模塊如圖 4 所示，主要補償參數有: 補償軸軸號，熱誤差補償類型，熱誤差補（bǔ）償（cháng）參考點（diǎn）坐標，偏置表起始溫度（dù），偏置表溫度點數，偏置表溫（wēn）度間隔，偏置表傳（chuán）感器編號（hào），偏置表起始參數號，斜率表起始溫度，斜率表溫度點數，斜率表（biǎo）溫度間隔，斜率表傳感器編號，斜率表起始參數號，補償率。

圖 4 機床熱誤差補償模塊界麵（miàn）

2、實例應用

2. 1 研究對象

以立式加工中心 XHK715 為研究（jiū）對象，如圖 5 所示。XHK715 配有華中 8 型數控係統 HNC-818B，並集成了機床溫度（dù）數據采集係統（tǒng），該溫度采集係統是基於（yú）華中（zhōng） 8 型數控（kòng）係統設計的對機床溫度信息進行實時采集並實時顯（xiǎn）示的溫度檢測（cè）係統。通過埋在機床熱關鍵點的溫度傳感器采集溫度信息，並將溫（wēn）度信息經過HIO 傳輸到數控係統（tǒng），並在時域示波（bō）器（qì）界麵進行實（shí）時顯示。幾何精（jīng）度測量儀器采用美國 API 公司研發（fā）的6D 激光幹涉儀。機床的（de）熱變形規律和（hé）機床上許多重（chóng）要部件的溫度變化有關。因此，必須在機床上布置一些溫度測量點來檢定機床的整體溫度，通過對溫（wēn）度數據進行分（fèn）析和計算，在機床上篩選出（chū）能夠與機床熱變形有較高相關度的溫度測（cè）量（liàng）點，並采集這些溫度測量點處的溫度數據用於機床熱誤差的模型建立。綜合考慮，此次應用驗證以絲杠溫度傳感器的（de）布置點選擇在近電機端的軸承座上為熱誤差建模。

圖 5 研究對象 XHK715

2. 2 熱實驗方案

實驗的目的是對 XHK715 機床（chuáng）熱誤（wù）差進行測量與補償，探討溫度對機床 21 項誤差的影響規律，研究華中 8 型數控係統熱誤差補償技術在（zài）機（jī）床 X 軸絲杠熱誤差補償上的實際適用性。機床（chuáng）空載運行（háng），X 軸以一定進給速度做往複運動，使機床溫度不（bú）斷（duàn）升高，每到溫度間隔點（diǎn）采集一次（cì）誤差（chà）數據。機床誤差測量與補償實（shí）驗的具體步驟（zhòu）如下:

(1) 安裝激光幹涉（shè）儀。在移動軸運動升溫（wēn）前安裝激（jī）光幹涉儀，達到一定溫度時可以直接測量移動軸誤差，機床溫度下降影響測量結果。

(2) 采集機床熱誤差。機床空載運行，X 軸以最大的進給速度（dù） 6 000 mm/min 做（zuò）往（wǎng）複運動（dòng），使機床溫度不（bú）斷升高，每隔 1 ℃ 測量一次機床誤差。

(3) 熱誤差補（bǔ）償前後對比分析。通（tōng）過對熱誤（wù）差補償（cháng）前後的對比（bǐ）分析（xī），驗證熱誤差補償方法（fǎ）的效（xiào）果。

2. 3 補償效果對比分析

由於季節（jiē）性的原（yuán）因，車（chē）間環境溫度在 18 ℃ 左右，故選取機（jī）床誤差測量的溫度區間為 18 ～ 28 ℃ ，溫度間隔取 1 ℃ 。在不同溫度點對機床 X 軸定位誤差進行多次（cì）采樣（yàng），采樣過程中，由於測量時間長，機床溫度（dù）會有 0. 1 ℃ 左（zuǒ）右的（de）下降，在處理測量（liàng）數據時忽（hū）略微小溫降。最後對所有誤差數據進行匯總分析，分析結果如圖 6 所示。

圖 6 X 軸補償前熱（rè）誤差曲線

根據 X 軸熱態下（xià）的定位誤差統計數據，可以計（jì）算出機床熱誤差（chà）補償參考點坐標為－800 mm，根據各溫度下的誤差曲（qǔ）線（xiàn）求出各（gè）自（zì）的熱誤差擬合直線的斜率和在參考點處的偏置值，並以此在 HNC-8 數控係統（tǒng）中（zhōng）設置熱誤差補償（cháng）參數值，進行熱誤差補（bǔ）償後得到誤差曲線如圖 7 所示。

圖 7 X 軸補償後熱誤差（chà）曲（qǔ）線

可以（yǐ）看出（chū）: 補（bǔ）償前，在 18 ℃ 時，定位誤差最大（dà）值為－47 μm，在 28 ℃ 時，定位誤差最（zuì）大值為 23 μm。溫度相（xiàng）差 10 ℃ ，定位誤差相差了 80 μm，可見溫度對機床（chuáng）的定位（wèi）誤差有很（hěn）大的（de）影響。補償後，不同溫度（dù）條件下的誤差曲線基本重合，誤（wù）差在－ 3 ～ 5 μm之間。采（cǎi）取同樣的方法，對 X 軸水（shuǐ）平方向直線度和垂直度方向直線（xiàn）度進行了熱誤差實驗與補償效果驗證。水平方向直線度，補償前: 18 ℃ 最大值為－15 μm，28 ℃ 最大值達到 25 μm，補償後: 誤差在－ 4 ～ 4 μm之間; 垂直方向直線度，補償前: 18 ℃ 最大值為 17μm，28 ℃ 最大值達到 41 μm，補償後: 誤（wù）差在－ 3 ～4 μm之間，熱誤差補（bǔ）償效果顯著。

3、結論（lùn）

基於 HNC-8 數控係統的開放性平台，根據（jù）機床熱誤差（chà）補償原理，分析了（le）誤差補償值的計算方法，開發了集成於數控係統的機（jī）床熱誤差補償模塊（kuài），並以一機床 X 軸熱誤差補償為例，進（jìn）行了應用驗證，補（bǔ）償效果顯著，證明了補償方法的有效性。

來（lái）源：湖北文（wén）理學院機械與汽車工程學院（yuàn），襄陽華中科技大學先進製造工程研究院，中（zhōng）鐵十一局（jú）集團第一工程有限公司

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