热变形自动补偿系统

热变形自动补偿系统实例

热变形补偿装置：通过预热热变形规律，建立数学模型，并存入CNC系统中，控制输出值进行实时补偿。补偿用的数学模型包括热力学模型、线性回归模型、多元线性回归、有限元模型、神经网络模型和模糊控制模型等。也可以在热变形敏感位置安装相应的传感器元件，实测热变形量，经放大后送CNC系统，来进行实时修正补偿。

高精密数控机床热误差补偿技术主要包括如下四个方面的内容：测温点的选择；误差信号的测量；信号处理与建模；误差的补偿控制与执行。因此热变形误差的检测主要包括两个方面的内容：一是测量数控机床上若干测温关键点的温升；二是测量主轴X、Y、Z三个方向上的偏移量，即对机床误差的测量。

机床的选择：惠州市博赛数控机床有限公司J1MT360

机床的特点：本机床工有四个规格,其加工性能广泛,适用工具、机修及批量生产的车间。主要用于各种轴类、套类和盘类零件以及带有公制、英制、模数等

螺纹零件的精密加工。本机床具有精度高、噪音低、振动小、功率大、刚性强、操作轻便灵活等特点。所以主传动齿轮都采用优质钢材经淬火和磨削加工、主轴轴承采用高速、精密滚动轴承采用高速、精密滚动轴承。床身导轨经超音淬火和精磨加工，精度高、使用寿命长。机床设有脚踏带式刹车装置，操作方便、可靠。机床主要技术参数：

床身上最大工件回转直径：360mm 顶尖距：570/1000mm

滑板上最大工件回转直径：210mm 马鞍内最大工件回转直径：500mm 主轴转速级数：8级

主轴转速范围：76-2000rpm

主轴内孔直径：40mm

主轴锥度：莫氏5号

进给量种数：48

小刀架最大移动距离：100mm 车刀刀杆最大尺寸：20*20mm

横拖板最大移动距离：255mm

尾座套筒外径：60mm

尾座内孔锥度：莫氏4号

尾座最大移动量：120mm

主电机功率：4KW

工作精度：圆度：0.002-0.006mm 圆柱度:0.004-0.009/300mm

平面度:0.004-0.01mm/250mm

机床净重:1200/1300KG

温度测量点的选择原则：①检测传感器应尽量靠近热源。②温度传感器的个数应大于或者等于内部易发热源测量点的数量。③为了得到准确的传感器个数和安放位置，最开始测量的时候应该设置较多的测量点，以确保关键测量点的位置不会被遗漏。

多元线性回归:通过对两个或两个以上的自变量与一个因变量的相关分析，建立预测模型进行预测的方法。多元线性回归模型判定系数的定义与一元线性回归分析类似。对热变形测试,这样就可以得到一组表达多种测量温度的输入和一个方向的位移输出关系之间的线性关系,因为热变形是多方面的,所以每个方向都能独立获得一组系数,最终将各个方向一起,可以营造多输入多输出模型,得到该数学模型的多重线性回归模型。

补偿模型的建立:机床的发热,随着时间的变化,并通过试验选定的测温点测量出温度数值的变化,利用数值计算出温度传感器在T1、T2、Tn、等的测量值，用五点法测量主轴,轴承关键测量的温度, 记为δ1 , δ2 , ⋯, δ5 。由于机床热变形条件比较复杂,使用多元线性回归进行分析,通过多元线性回归将各个测量点的温度与热变形以及它们之间的关系表示出来。

数据分析:从改变背吃刀量、改变进给量和改变切削速度的切削力实验图，可以看出，随着切削速度的提高，主轴、进给工作台等测温点的温度明显有所提高；从而得出主轴、进给工作台等测温点对数控机床整个加工过程具有重要影响。为了提高加工精度，对高速精密数控机床的补偿工作，应该以这几个点为关键点进行。

热误差补偿的执行:根据多元线性回归方程式以及测量的数据，建立高精密数控机床热误差补偿模型, 将计算出的补偿数据传输给数控机床自身所带的误差补偿模块,进行误差补偿。其整个补偿流程如下所示：

具体补偿流程:

(1) 通过在机床上1点和3点采集的温度数据, 进行多元回归算法, 得到机床热变形误差补偿公式, 在将计算出的可能的误差补偿方程模拟量输入到数控机床的补偿模块中转化为数字数据信息，供给系统分析处理。数控机床运动发热

主轴箱变形主轴偏移数控机床三轴运动刀具实际坐标位置温度测量系统PLC

补偿系统数控系统补偿。

(2) 通过在机床上1 点和3 点采集的温度数据, 将采集的实时温度输入到可编程控制器PLC的数据分析处理模块, 利用计算机自身带有的计算功能, 将采集到1点和3点的温度输入（1）中得到的补偿方程中, 计算出此时机床需要补偿的X、Y和Z 方向的补偿值。再将此数值传给数控机床的数据分析处理系统。

(3) 利用数控机床自身系统本身的控制功能, 结合PLC计算得出的需要补偿的数值, 通过数据脉冲来控制机床三轴的机械运动,改变机床坐标的零点位置, 从而进行偏移休整，从而达到实时补偿的目的。

数控机床热变形自动补偿

制造技术的发展对的精度和可靠性提出了越来越高的要求。大量研究表明：在精密加工中,由机床热变形所引起的制造误差占总误差的40%～70%。减少机床热误差通常有以下3种方法: 改进机床的结构设计；控制机床重要部件的温升，如进行有效的冷却和散热；建立温度变量与热变形之间的数学模型，用软件预报误差，用NC进行补偿，以减少或消除由热变形引起的机床位移。

热变形误差补偿技术一般采用事后补偿，通过各种检测手段对数控加工时产生的误差进行直接或间接的测量，然后根据已经建立的误差补偿模型进行误差补偿计算，将计算结果反馈给数控系统，使控制器发出相应的控制误差补偿指令以补偿相应的热误差。本课题以GMC4000H/2y轴为研究对象，首先通过实验建立热误差与机体上若干点的温升之间的数学模型，在加工过程中借助外部设备监控温度，根据所建数学模型计算热误差，利用PLC补偿模块功能以及机床运动的可控性，修改机床运动进给量，从而实现实时补偿。

测量试验

1 热误差的测量

热误差是影响机床精度最主要的因素之一，机床热误差是由机床工作时复杂的温度场造成机床各部件变形引起的，它是随时间变化的非恒定误差。热误差补偿的研究始于20世纪，但其总体发展是不能令人满意的，究其原因，在于误差辨识即热误差建模。要提高精度，必须解决“如何选择最佳的温度测点和如何建立鲁棒性强的热误差模型”的问题，两者相辅相成，缺一不可。

温度测点的选择：

数控机床的热误差大小取决于温度的变化、各零部件的热膨胀系数和机床的总体结构，从根本上说取决于温度变化。温度变化越大，热变形越剧烈，从而也可能产生大的热误差。欲研究热误差的产生和变化规律，进而减小、消除和控制热误差，必须从温度变化入手。在机床运行时，由于各种材料的膨胀系数不同, 各部分在径向和轴向产生的热变形也不尽相同, 最容易受到热变形影响的机床部件是主轴和滚珠丝杠等，最容易受到热变形影响的关键部件作为温度

测量点。

回归方程的建立：在回归分析中，如果有2个2个以上的自变量，就称为多元回归。事实上，一种现象常常是与多个因素相联系的，由多个自变量的最优组合共同来预测或估计因变量，比只用1个自变量进行预测或估计更有效，更符合实际。因此多元线性回归比一元线性回归的实用意义更大。

所以，本课题从采集多点影响机床热变形位移精度的温度变化来建模。多元线性