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基於華中 8 型數控係統（tǒng）的熱誤差補償技術研究

2021-2-22 來（lái）源：武漢交通職（zhí）業學院作者：宋豔麗

摘要: 為滿足機床精度要求，提出有傳感器熱誤差補償方法。詳細（xì）介紹了（le）熱誤差補償原理，通過測試對（duì）比和數據分析，對機（jī）床的熱誤（wù）差（chà）問題進行（háng）實驗研究。依（yī）據統計數據得出結論，將結論（lùn）及方法應用於數控係統中，對數控係統熱誤差補償模塊（kuài）進行（háng）完善。結果表明: 傳感器熱（rè）誤差補（bǔ）償方（fāng）法可以解決機床熱誤差造成的精度問題，廣（guǎng）泛（fàn）應用於機床質（zhì）量檢驗。

關鍵詞: 華中 8 型數控係統; 熱誤差補償; 傳感器

0、前言（yán）

隨著國內裝備製造業向數控化、智能化發展，高端數控機床的應用範圍將（jiāng）越來越廣，數控加工技術應用 “平民化”大勢（shì）所趨，航空、航天、模具、汽車、醫療機械等領域需要大量的數控設（shè）備。隨著產品要求的（de）提高，機床（chuáng）的性能也（yě）隨之提高，但是機床誤差是亟待解決的問題，尤其是熱誤差，它是影（yǐng）響機床精（jīng）度最重要的因素。

機床的熱誤差是機床自身結構或者執行機構產生的位置（zhì）偏（piān）差，它是加工（gōng）過程中，電氣發熱和（hé）運轉部件之間的摩（mó）擦發熱引起的局（jú）部結構變形。

華中 8 型數控係（xì）統針對該類變形量提供了多種（zhǒng）補償方案，其中有傳感器的熱誤差補償方法，包括結構的熱偏移補償和絲杠的熱膨脹（zhàng）誤差補償，可在數控係統參數設置中（zhōng），通過各軸的誤差補償（cháng）參數 parm300005進行開啟。

1、補償原（yuán）理

熱誤（wù）差補償（cháng）功（gōng）能（néng）大部分情況用來解決機床結構部件如主軸和傳（chuán）動部件如絲杠等（děng）零部件在工作過程中產生的熱變形問題。熱誤（wù）差補償（cháng）方法包含了與機床結構相關的熱誤差偏置（zhì）補償，以（yǐ）及與絲杠熱膨脹相關的熱誤（wù）差斜（xié）率補償。華（huá）中 8 型數控係統給（gěi）出了 3 種熱補償方案: 熱誤差偏置補償（cháng）、熱誤差線性熱膨脹補償、熱誤差混合式補（bǔ）償。

1. 1、熱誤差偏置補償

在熱變形部件（jiàn）上安（ān）裝溫度傳感器，檢測傳感器的實時（shí）溫度，通（tōng）過查詢補償表中相應（yīng）溫度的補償值來偏移目標軸的機械坐標係，用於消除由於熱變形引起的零件軸向熱位移。熱誤差偏置補償應用於補償機床主軸等結構體的熱變形時，需設置的各參數（shù）為:

( 1) Parm 300007: 熱誤差偏置表測量起始溫度;

( 2) Parm 300008: 熱誤差偏置表測量溫度點數;

( 3) Parm 300009: 熱誤差偏置表測量溫度間隔;

( 4) Parm 300010: 熱誤差偏置表溫度傳感器編號;

( 5) Parm 300011: 熱誤差偏置表起始參（cān）數號。

利用上述參數設置熱誤差補償（cháng）表和對應的（de）溫度傳感器，補償算法能根據當前（qián）測量的溫度值，查詢補償表計算出熱誤差補償值 K( T) 。

假設補償軸為 X 軸，並且熱（rè）誤差補償原理圖如圖 1 所示，則偏移補償（cháng）數學模型為：

Dx = －K( T)

圖（tú）1：熱偏置補償原（yuán）理

1. 2、熱誤（wù）差線性熱膨（péng）脹補償

在傳動部件 ( 絲杠、齒輪齒條) 上安裝溫度傳感器，測量出傳動部件極限溫度區間（jiān）內所有溫度點對應的目標點熱變形（xíng）量，通過統計和計算，合理安（ān）排溫度補償間隔，將計算出的熱誤差補償數據（jù）填入補（bǔ）償表中。係統通過檢測溫度傳感器的（de）實時（shí）溫度，查詢補償表中對應溫度的補償值，根據（jù）目標軸的實際位置相對於熱（rè）膨脹零點的距離折算出補償量，並將其輸出到目標軸上，用以消除傳（chuán）動部件當前所在位置相對於熱膨（péng）脹零（líng）點的熱伸長量。

傳動機床進給軸的線性熱膨脹誤差主要用熱誤差線性熱（rè）膨（péng）脹方法（fǎ）補（bǔ）償，需（xū）設置的（de）參（cān）數有:

( 1) Parm 300006: 熱誤差補償參考點坐（zuò）標 ( P0) ;

( 2) Parm 300012: 熱誤差斜率表測（cè）量起始溫度（dù）;

( 3) Parm 300013: 熱誤差斜率表測量溫度點（diǎn）數（shù）;

( 4) Parm 300014: 熱誤差斜率表測量（liàng）溫度間隔;

( 5) Parm 300015: 熱（rè）誤差斜率表溫（wēn）度傳感器編（biān）號（hào）;

( 6) Parm 300016: 熱誤差斜率表起始參數號。

利用上述參數設置熱誤差（chà）斜率表和與之對應的溫度傳感器，補償算法根（gēn）據當前測量的溫度值，查詢斜率表（biǎo）計算出（chū）熱膨脹斜率值 tanβ( T) 。

設補償軸（zhóu）為 X 軸（zhóu），則如圖 2 所示為（wéi）線性熱膨脹補償原理，線性熱膨脹補償數學模（mó）型為：

Dx = － ( Px－Po) ×tanβ ( T)

圖2：線性熱膨脹補償原理

1. 3、熱誤差混合式補償

熱誤差混合式補償方案同時包（bāo）含前（qián） 2 種方案。假設補償軸為 X 軸，則混合式（shì）補償數學模型為：

Dx = －［K( T) + ( Px－Po) ×tanβ( T) ］

2、設備（bèi）安裝與調試

HNC-8 型係統提供 2 種溫度采集板: HIO-1075和 HIO-1076，Pt100、KTY84 型號溫（wēn）度傳感器分別是其常用的 2 種溫度（dù）傳感器。傳（chuán）感器的引腳分為兩（liǎng）線（xiàn）、三線和四線 3 種形式，本文作者選用的板卡隻支持兩線和三線這 2 種形（xíng）式。2 種規格的溫度采（cǎi）集板每塊提供 6 組溫度傳感器接口，而（ér） 1 個接口對應 3 個接線端子: 電源正（zhèng）+Ｒ、電阻采樣端ＲL、電源負－Ｒ。

在使用（yòng）兩線（xiàn）傳感器（qì）時，電源正（zhèng）+Ｒ和電阻采樣端ＲL 需要接短路線。傳感（gǎn）器（qì）的線（xiàn）長超過 1 m 時（shí）建議使用三線的（de）傳感器，由於溫度傳感（gǎn）器是高精度溫敏電阻（zǔ），線（xiàn）路過長會使導線電阻累（lèi）計到（dào）電路中，影響采樣精度。使用三線傳感器，通過溫度采集板可根據+Ｒ與ＲL 之間的電壓差計算線上（shàng）損耗，消除導線上的電阻誤差。HIO-1075 板與 Pt100 的（de）接線如圖 3 所（suǒ）示，為避免導線受溫度影響而產生電阻變化（huà），建議使用鍍銀特氟龍導線。

圖3：HIO－1075 板與（yǔ） Pt100 的接線

2. 1、係統參數及 PLC 設置（zhì）

( 1) 首先在（zài）溫度采集板上安裝好溫（wēn）度傳感（gǎn）器，然後將溫（wēn）度采集板（bǎn）插入 6 槽或 9 槽 I/O 盒（hé）中，上電後修改（gǎi） PLC 和參數。

一般情況下， PLC 中的加密狗 MOV “X9 ”“Y9”需要改成“X19” “Y19”，但是因為加裝（zhuāng）了溫度采集板後，係統會識別出第（dì）二（èr）個 I/O 設備，則 PLC修改後如圖（tú） 4 所示。

圖4：擴（kuò）展（zhǎn） I/O 後的 PLC 修改

還需要更改【硬件配置參數】，總線 I/O 盒才能正常工作。將新識別出（chū）的設備（bèi）參數中的 “輸入點起始組號”、“輸入點組數（shù）”、“輸出點起始組號”、“輸出點組數”都改為 “10”。參數（shù）配（pèi）置如圖 5 所（suǒ）示。

圖5：擴展（zhǎn） I/O 後的參數配（pèi）置

( 2) 斷（duàn）電重啟，查看係統【診斷】界麵下的【輸入/輸出】信號（hào）。

如圖 6 所示，連接 3 個傳感器後，係統在原有的4 組輸入信（xìn）號後又（yòu）識別（bié）出了 6 組（zǔ）信號。X4. 0 ～ X5. 7為第 1 個傳感器的數字信號，X6. 0 ～ X7. 7 為第 2 個，X8. 0 ～ X9. 7 為（wéi）第 3 個。

圖6：傳感（gǎn）器輸入數字量及 HIO-1075 板卡的安裝與接線

在 PLC 中增加 “熱誤差補償模（mó）塊 TEMPSEN”，如圖 7 所示。在設置完參數（shù）和 PLC 斷電重啟後（hòu），在係統的（de）主界麵輔助顯示區可看到（dào）各溫度傳感（gǎn）器（qì）的采樣溫度，如圖 8 所示。

圖7：熱誤差補償模塊

圖8：主界麵輔助（zhù）顯示區

2. 2、傳感器安裝

一般情況下，傳感（gǎn）器需要安（ān）裝在（zài）機床各（gè）部（bù）件影響熱變形的主要發熱體上，比如影響主軸發熱變形的軸承附近、進給軸絲杠螺母或（huò）軸承（chéng）座附近，如（rú）圖 9、圖（tú） 10 所示。

圖9：絲杠螺（luó）母附近的傳感（gǎn）器布置（zhì）效果

圖10：主軸軸承附近的傳感器布置效果

由於熱傳導及散熱等因素的影（yǐng）響（xiǎng），目標溫度的變化與機械結構的變（biàn）形存在不同（tóng）程度的滯後或超前，所以需要對溫度布置點進行一定的（de）篩選，選出結構體膨脹、收（shōu）縮與目標點升溫、降溫非常契合的傳感（gǎn）器布置點。

使用激光（guāng）幹涉儀對機床（chuáng）從冷機到（dào）熱機、再從熱機到冷機這一（yī）過程中的結構熱變形誤差進行測量。為了讓（ràng）這一熱變形過（guò）程更加明（míng）顯地（dì）被激光幹涉儀捕捉到，可在激光測（cè）量的每次往複循環中插入一個連續的（de）高速絲（sī）杠往複程序（xù）。

程（chéng）序如下（xià）:

%0001

#0 = 1; 計數變量

#1 = 20; 測（cè）量次（cì）數

#52 = －100; 測量起點坐（zuò）標，軸向最小位置

#53 = 50; 激光測量間距

#54 = 6; 激（jī）光測量段數

#5 = 20; 加熱循環次數

#6 = 300; 冷卻暫停時間（jiān），單位: s

M98 P0002; 調用激光（guāng）測量程序

WHILE #0 LE #1

IF #0 LE ［#1 /2］

M98 P0005 L ［#5］; 調用加熱運動程序

M98 P0002; 調用激光測量程序

ELSE

G90 G53 G0 X ［#52+#53* #54 /2 + 5］; 運行到測量（liàng）行程中點附近

G4 P ［#6］; 冷卻暫停

M98 P0002; 調用激光測量程序（xù）

ENDIF

#0 = #0+1

ENDW

M30;

程序首先執行一遍激光測量循（xún）環，然（rán）後在全行程內往（wǎng）複 G0 跑機 20 遍後再次執行激光測量循環，執行（háng）10 次後，進入冷卻測量階段，在每（měi）次（cì）激光測量間隙插（chā）入 5 min 的機床靜止程序，使（shǐ）絲杠自然散熱。

%0002

G90 G53 G0 X ［#52］

G91 G0 X－2

G4 P2000

G4 P4000

M98 P0003 L ［#54］

G91 G0 X2

G4 P2000X－2

G4 P4000

M98 P0004 L ［#54］

M99

%0003

G91 G0 X ［#53］

G4 P4000

M99

%0004

G91 G0 X ［－#53］

G4 P4000

M99

%0005

G90 G53 G0 X ［#52+5］

G4 P1000

G90 G53 G0 X ［#52+#53* #54－5］

G4 P1000

M99

3、案例應用

圖 11 是某鑽攻中心 Z 軸熱變形采（cǎi）樣數據（jù）。

圖11：升、降（jiàng）溫過程中絲（sī）杠定位誤差 ( 有選擇的數據)

圖 12 為目標點溫度與變形量（liàng）折（shé）算溫度的相似度，可以（yǐ）看出: 太靠近絲杠螺母和遠離（lí）螺母的傳（chuán）感器與絲杠熱變（biàn）形變化趨向都沒有螺母側的傳感器契合，所以選擇該處的傳感器作為溫度敏感點，將其和導軌處的（de）床身溫度進行差值運算，該（gāi）絲杠（gàng）的熱膨脹補償是由該差（chà）值確定，X 軸絲杠采樣溫度為Xo，床（chuáng）身環境溫度為 To，X 軸絲杠相對溫升為 Xt，則：

Xt= Xo－ To

圖12：目標點溫度（dù）與變形量折算溫度（dù）

根據絲杠熱膨脹的收（shōu）斂特性計數處（chù）熱膨脹零點在機床坐標－16. 1 mm 處，由於測量（liàng）起點為－60，終點－300，設折算溫度為 t，絲杠熱變形量為 a，熱膨脹係數為 q，則（zé）: t = a÷［－16．1－( －300) ］×1 000÷q，通過上麵的折算公式可將絲杠（gàng）目標點的相對（duì）距離（lí）納入對應於不同（tóng）溫度的（de）膨脹係數中，可以實現熱誤差補（bǔ）償（cháng）。圖 13 顯示了（le）補償（cháng）前後絲杠的線性定位誤差曲線 ( 包括加熱和冷卻) 。

圖13：補償前後絲杠（gàng）線性（xìng）定位誤差曲線 ( 所有（yǒu）數據)

4、結束語

詳細介紹（shào）了熱誤差補償原理及（jí）實際應用（yòng），將有傳感器熱誤差補（bǔ）償應用到華中 8 型數控係統中，通過實驗，得到了補償前後絲杠的線（xiàn）性定位誤差曲線，分析該線（xiàn）性定位誤差曲線，能更好地解決熱誤差造（zào）成的精度問題（tí），從（cóng）根源上解決機床加工所產（chǎn）生的誤差。將有傳感器熱誤差補償應用到華中（zhōng） 8 型數（shù）控係統中，提高了產品加工精度和（hé）加工效率，已在實際（jì）生產中得到廣泛應（yīng）用。

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