数控机床热误差实时补偿应用

万方数据
上 海 交通 大 学 学报
第３９卷
１机床误差分析
用激光干涉仪对上海明精机床有限公司设计生
产的ＨＭ一０７７数控车床进行了直线度、线性位移的
几何误差参数的测量，并用位移传感器测量了热误
差，结果如表１所示． 表１误差测量表
Ｔａｂ．１ Ｅｒｒｏｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｄａｔａ
Ⅱｍ
一起可测量主轴角向热误差．其中，应注意位移传感 器要支撑在刀架上，可把位移传感器比作为刀具，以 测得可体现工件尺寸误差的刀具和工件之间的相对 位移．另外，用１个温度传感器测量主轴温度．图２ 所示为检测机床主轴温度的照片．图３所示为用位 移传感器测量机床径向热误差的照片．
（２）数控机床热误差实时补偿技术，经数家企业的 实际应用结果表明，经实时补偿，大幅度提高了数控 机床的加工精度，从而保证并提高了被加工高精度 零件的质量．
Ｆｉｇ．１
图１主轴热误差（热飘移）测量 Ｔｈｅ ｓｐｉｎｄｌｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｒｒｏｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
由图１可见，热误差测量用３个位移传感器．１４
测量主轴径向热误差，３４测量轴向热误差，１“和２４
万方数据
图４主轴温度变化
Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｓｐｉｎｄｌｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｍａｌ ｅｒｒｏｒ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌｓ．Ａ ＇ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｒｒｏｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ （ＣＮＣ）ｓｈｉｆｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｒｒｏｒ ｃｏｍｐｅｎｓａ— ｔｉｏｎ ｗａｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｏｎ ＮＣ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌｓ ｉｎ ｓｅｖｅｒａｌ ｐｌａｎｔｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＮＣ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌｓ ａｒｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｇｒｅａｔｌｙ，ｗｈｉｃｈ ｖｅｒｉｆｉｅｓ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＮＣ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ；ｔｈｅｒｍａｌ ｅｒｒｏｒ；ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
根据实验数据，采用多元回归最小二乘法建立 径向热误差数学模型：
ｄ径一（７４Ａｔ２＋１２７．０３Ａｔ＋３２．９４）×１０—２（１）
第９期 ２。
扣
０
杨建国，等：数控机床热误差实时补偿应用
的传输的储存．由于位移传感器、温度传感器的测量 误差、电路中问题、建模残差等，故本控制器补偿精 度在５肛ｍ左右．
图５主轴（径向）热误差
中图分类号：ＴＨ １６１
文献标识码：Ａ
Ｔｈｅ Ａｐｐｌ ｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｅａｌ—Ｔｉｍｅ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｒｒｏｒ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｎ ＮＯ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌｓ
ＹＡＮＧ Ｊｉａｎ—ｇｕｏ， ＺＨＡＮＧ Ｈｏｎｇ—ｔａｏ， ７１０ＮＧ Ｈｅｎｇ—ｃｈａｏ， ＣＡＯ Ｈｏｎｇ—ｔａｏ， ＲＥＮ Ｙｏｎｇ—ｑｉａｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００３０）
Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｓｐｉｎｄｌｅ ｒａｄｉａｌ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｒｒｏｒ ｖａｒｉａｔｉｏｎ
计算可得该模型理论拟合精度约为３肛ｍ． 轴向热误差数学模型：
艿轴一（８５Ａｔ２＋２３０．５８Ａｔ＋２８．２９）×１０＿２（２） 计算可得该模型理论拟合精度约为４弘ｍ．
３误差实时补偿控制器
图６所示为数控机床误差实时补偿控制器框架 图．由图可见，补偿控制器分为３个模块（部分）：计 算处理模块（模块１）、ＣＮＣ接口和运动控制模块 （模块２）、传感器及变送模块（模块３）．
Ｅ
÷ 删 蝼 旗
采样序数 （ａ）补偿前
采样序数 （ｂ）补偿后
图９补偿前、后机床热误差（机床使用单位）
Ｆｉｇ．９
Ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｒｒｏｒ ｗｉｔｈ ａｎｄ ｗｉｔｈｏｕｔ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ （ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｌａｎｔ）
５结论
（１）基于外部机床坐标系偏置的数控机床热误 差实时补偿器结构简单、使用方便、制造成本低。可 进行机床温度、主轴热漂移（热误差）的手动和自动 测量，结合数控机床的机床外部坐标系偏置功能，可 进行数控机床热误差的实时补偿控制．
本控制器既可作为信号采集系统（热误差建模 用），又可作为补偿控制系统（实时补偿用）．在数据 采集过程中，温度和位移传感器同时采集机床的温 度和热误差．然后，通过外部计算机进行建模计算分 析，并将误差模型放入计算处理模块．在实时补偿 中，温度传感器实时（时间间隔可调）测得机床温度， 然后将温度信号经变送器并通过输入输出接口进入 ＤＳＰ或单片机，由预先放置的误差模型计算得到补 偿值，再将补偿值通过机床数控系统的输入接口（见 图７）进人数控系统，数控系统根据补偿值来偏置外 部机床坐标系而进行机床的附加（补偿）运动，以实 时修正机床误差．实时补偿器中的单片机、电源、ＰＣ 机通讯、ＰＬＣ通讯部分和ＡＤ板等安装在一起．单 片机可与ＰＣ机相连接，实现上下位机的命令、数据
收稿日期：２００４—１１—２９
基金项目：高等学校全国优秀博士学位论文作者专项资金资助项目（２００１３１）；上海市引进技术的吸收与创新年度计划项目（０４—６２） 作者简介：杨建国（１９５６～），男，上海人，教授、博士生导师，主要从事精密加工与测试方面的研究．电话（Ｔｅｌ．）０２１—６２９３２６１０；
Ｅ—ｍａｉｌ：ｊｇｙａｎｇ＠ｓｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．
第３９卷
从补偿前的２０．８ ｙｍ减小到９．２肛ｍ，降低了约５５％ 以上；轴向热误差从补偿前的３４．６ Ｆｍ减小到１２．４ Ｆｍ，降低约６５％，大幅度降低了机床热误差，使机 床加工精度大幅度提高．
在完成数控车床误差实时补偿试验及其应用 后，又在数控机床使用单位进行了数控车床误差实 时补偿的实施和应用．由图９的实时补偿加工前后 机床精度比较可见，通过实时补偿，机床径向热误差 从补偿前的２０．３ ｙｍ减小到９．１弘ｍ；轴向热误差从 补偿前的３４．８肛ｍ减小到１２．２ Ｆｍ，补偿效果相当明 显．通过一段时间的实际加工观测，实施补偿应用的 机床在加工中，工艺能力指数（Ｃ。）和设备能力指数 （Ｃ。ｋ）明显提高，经ＳＰＣ统计，补偿前Ｃ。一１．０７，ｃｐｋ 一０．９０８；实时补偿后Ｃ，一１．９４，Ｃ。ｋ一１．８９９，被加工 零件的精度大幅度提高．
摘 要：将由机床热变形引起的、决定工件加工误差的工件与刀具间相对热位移通过机床数控系
统的外部机床坐标系偏置来实现实时补偿，并研制开发了高精度、低成本、满足实际加工要求的热
误差实时补偿控制器．经数家企业实际生产使用，数控机床的加工精度大幅度提高，从而验证了本
方法的正确性和本实时补偿控制器的有效性．
关键词：数控机床；热误差；实时补偿控制器
万方数据
图７ 实时补偿控制器及其与数控系统连接
Ｆｉｇ．７
Ｔｈｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ＮＣ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
４误差实时补偿加工
首先在上海明精机床有限公司进行数控车床实 时补偿试验．为对补偿效果作出评介，本文对补偿前 后的加工精度进行了比较和分析．在未补偿的情况 下进行了热误差检测，采样间隔为８ ｍｉｎ，结果如图 ８（ａ）所示．由图可见，机床径向热误差达２０．８扯ｍ， 轴向热误差达３４．６肛ｍ．然后，启ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ实时补偿功能．
第３９卷第９期 ２００５年９月
上海交通大学学报
ＪＯＵＲＮＡＩ，ＯＦ ＳＨＡＮＧＨＡＩ ＪＩＡＯＴＯＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ
文章编号：１００６—２４６７（２００５）０９—１３８９—０４
Ｖ０１．３９ Ｎｏ．９ Ｓｅｐ．２００５
数控机床热误差实时补偿应用
杨建国， 张宏韬， 童恒超， 曹洪涛， 任永强
（上海交通大学机械与动力工程学院，上海２０００３０）
２机床温度和热误差数据采集和建模
在满足一定精度的条件下，考虑到工厂生产实 际使用中方便、可靠，本文采用２个甚至１个温度变 量进行热误差建模，并经建模精度分析，可达到要 求．由于机床主轴温度是影响机床热误差的最主要 因素，故试验在机床主轴前轴承上安置１个温度传 感器，也就是采用机床主轴１个温度变量进行热误 差建模．采用机床主轴的常用转速为１ ８００ ｒ／ｒａｉｎ， 连续运行进行数据采集直至４ ｈ以后机床才达到初 步热平衡．图１所示为主轴温度检测和热误差检测 的示意图．
柏
∞
加 基寻堋蝼壤
ｍ
０ 采样序数
（ａ）补偿前
Ｆｉｇ．８
（ｂ）补偿后 图８补偿前、后热误差（机床厂制造单位） Ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｒｒｏｒ ｗｉｔｈ ａｎｄ ｗｉｔｈｏｕｔ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ
（ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ ｐｔａｎｔ）
由图８（ｂ）可见，实时补偿后，机床径向热误差
上 海 交通 大 学 学报
１４位移传感器２４位移传感器
图２温度传感器测主轴温度（在主轴后端） Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｓｐｉｎｄｌｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
Ｆｉｇ．３
图３位移传感器测热误差（径向） Ｔｈｅ ｓｐｉｎｄｌｅ ｒａｄｉａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
温度传感器的温度变化和机床主轴的径向热变 形分别如图４、５所示．图中：采样间隔为２ ｍｉｎ．由 图可见，主轴温升１０。Ｃ以上和机床主轴径向热误 差１６ ｐｍ以上（另外，还测得了轴向热误差２８肛ｍ 以上，而主轴角向热误差比较小可不考虑）对加工精 度影响较大．
由表１可见，车床热误差达２０肛ｍ以上，为主要 误差．线性位移、直线度误差比较小，而且现在已有 （静态）补偿软件，比较容易处理．但是，对于热误差 的处理还是比较困难，一般难以克服，通常采用预热 即机床加工工件前，先空转３０ ｍｉｎ，以避免在热误 差最严重时段进行零件的加工．这不但对电、时间的 浪费以及机床利用率降低和机床不必要损耗等，而 且由于机床的热平衡时间长达５ ｈ多，在以后的加 工过程中还有热误差产生，会造成加工零件尺寸的 波动甚至产生废品．因此，热误差是造成加工误差的 主要原因．本文主要针对热误差进行实时补偿．
机床热变形误差是影响机床加工精度的主要原 因之一Ｌ１～。．误差补偿是提高机床加工精度的一种既 有效又经济的手段，目前已成为国内外现代精密工 程的重要技术支柱之一［３～．在国外，从事机床误差 补偿技术比较有影响的有美国、日本、德国等．例如， 美国密西根大学于１９９７年成功地将热误差补偿技 术应用于通用（ＧＭ）公司下属一家离合器制造厂的 １５０多台车削中心上。使加工精度提高１倍以 上［６’‘一．但是，目前国外数控机床误差补偿技术大规 模、大批量在工业中应用的例子并不多，还没达到商
业化程度．国内误差实时补偿技术尚处于实验阶段， 还未见在生产厂家数控机床上规模应用误差实时补 偿技术的报道．
本文利用ＦＡＮＵＣ数控系统提供的外部机床 坐标系偏置功能，可将热误差通过外部机床坐标系 的偏置加到位置伺服环的控制信号中而实现热误差 的实时补偿．该方法不需要修改数控指令及数控系 统的软硬件，对原有系统不产生任何影响［８一。并在国 内数家企业的数控机床上实施了热误差实时补偿技 术，获得了非常满意的补偿效果．
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模块３
温度传感器
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图６数控机床误差实时补偿控制系统框架
Ｆｉｇ．６
Ｏｕｔｌｉｎｅ ｏｆ ａ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ＮＣ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌｓ