本發(fā)明涉及數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償領(lǐng)域，具體為一種數(shù)控機(jī)床半閉環(huán)進(jìn)給軸的原點(diǎn)熱漂移誤差測(cè)試及建模方法。

背景技術(shù)：

機(jī)床的熱誤差是困擾機(jī)床行業(yè)幾十年的難題。由于機(jī)床熱誤差的存在，導(dǎo)致的問題在于：?jiǎn)渭募庸ぞ纫撞缓细?；批量加工零件的一致性差，廢品率高；為了減少熱誤差，機(jī)床開機(jī)后需要熱機(jī)，能耗損失大；若工件的加工精度要求高，還需要高成本打造恒溫車間。

數(shù)控機(jī)床的熱誤差包括進(jìn)給軸熱誤差和主軸熱誤差兩部分。進(jìn)給軸的熱誤差很大，對(duì)其進(jìn)行熱誤差建模及補(bǔ)償也是非常困難的。實(shí)際上，進(jìn)給軸的熱誤差分為兩部分：行程范圍內(nèi)的熱膨脹誤差和原點(diǎn)的熱漂移誤差。根據(jù)理論分析，進(jìn)給軸行程范圍內(nèi)的熱膨脹誤差主要是由于環(huán)境溫度變化和機(jī)床運(yùn)動(dòng)生熱而產(chǎn)生的。原點(diǎn)的熱漂移誤差主要是由于原點(diǎn)側(cè)的軸承座發(fā)熱、行程范圍內(nèi)的絲杠熱傳導(dǎo)、環(huán)境溫度變化等引起的。

盡管原點(diǎn)的熱漂移誤差可以通過對(duì)刀方式進(jìn)行消除，但是在加工過程中的對(duì)刀操作不僅對(duì)操作者的技術(shù)水平要求高，而且增加了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，更對(duì)生產(chǎn)線的自動(dòng)運(yùn)行造成了很大困擾。因此，有必要通過誤差自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ种圃c(diǎn)熱漂移誤差造成的不良影響。

對(duì)于數(shù)控機(jī)床進(jìn)給軸的熱誤差建模方法，國內(nèi)外都開展過廣泛的研究。2007年，y.kang等在《internationaljournalofmachinetools&manufacture》第47卷發(fā)表文章《modificationofaneuralnetworkutilizinghybridfiltersforthecompensationofthermaldeformationinmachinetools》，結(jié)合前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和混合濾波器對(duì)熱誤差進(jìn)行補(bǔ)償。2010年，x.li等在《keyengineeringmaterials》第455卷發(fā)表文章《applicationofabayesiannetworktothermalerrormodelingandanalysisformachinetool》，提出了一種基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的熱誤差動(dòng)態(tài)建模方法。2010年，蘇瑞堯等在專利“工具機(jī)熱誤差智能調(diào)適裝置及其方法”申請(qǐng)?zhí)枺?01010606270.9中，提供了一種基于支持向量回歸熱誤差模型的熱誤差智能調(diào)適裝置及方法。2011年，姚曉棟等在專利“基于時(shí)間序列算法的數(shù)控機(jī)床熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償建模方法”申請(qǐng)?zhí)枺?01110085996.7中，采用時(shí)間序列算法建立機(jī)床的熱誤差模型。2011年，苗恩銘等在專利“數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償高次多階自回歸分布滯后建模方法”申請(qǐng)?zhí)枺?01110379618.x中，提供了一種高次多階自回歸分布滯后建模方法。2011年，姚曉棟等在專利“數(shù)控機(jī)床定位誤差動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)”申請(qǐng)?zhí)枺?01210258793.8中，將機(jī)床的定位誤差按照影響因子法分解為冷態(tài)下的幾何誤差、室溫變化引起的定位誤差以及螺母運(yùn)動(dòng)溫度變化引起的定位誤差三個(gè)部分并分別進(jìn)行建模。2013年，項(xiàng)四通等在專利“基于人機(jī)界面二次開發(fā)的數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償系統(tǒng)及方法”申請(qǐng)?zhí)枺?01310245088.9中，基于人機(jī)界面二次開發(fā)，給出了面向西門子840d數(shù)控系統(tǒng)的補(bǔ)償方法以及線性的進(jìn)給軸熱誤差補(bǔ)償模型。2015年，w.l.feng等在《internationaljournalofmachinetools&manufacture》第93卷發(fā)表文章《thermallyinducedpositioningerrormodellingandcompensationbasedonthermalcharacteristicanalysis》，分析了絲杠在升溫和降溫階段的傳熱過程并分別建立了升溫和降溫階段的熱特性模型，解決了絲杠在熱分布不均勻狀態(tài)下的熱誤差預(yù)測(cè)問題。

通過對(duì)進(jìn)給軸熱誤差補(bǔ)償技術(shù)的分析發(fā)現(xiàn)，目前都是針對(duì)進(jìn)給軸在行程范圍內(nèi)的熱膨脹誤差開展研究。而對(duì)于進(jìn)給軸的原點(diǎn)熱漂移誤差，卻幾乎沒有學(xué)者進(jìn)行過研究。一方面，是由于按照iso230-2和gb17421.2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)不易發(fā)現(xiàn)原點(diǎn)的熱漂移現(xiàn)象；另一方面，是由于對(duì)機(jī)床熱行為規(guī)律的了解不夠深入和透徹。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于給出一種進(jìn)給軸特殊熱誤差的測(cè)試及預(yù)測(cè)方法，彌補(bǔ)現(xiàn)有進(jìn)給軸熱誤差測(cè)試及預(yù)測(cè)方法的缺陷，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)給軸綜合熱誤差的完整預(yù)測(cè)和補(bǔ)償。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種數(shù)控機(jī)床半閉環(huán)進(jìn)給軸的原點(diǎn)熱漂移誤差測(cè)試及建模方法，采用激光干涉儀和溫度傳感器按照特定的測(cè)量方式得到進(jìn)給軸的原點(diǎn)熱漂移誤差及相應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)溫度；基于傳熱理論預(yù)測(cè)絲杠在原點(diǎn)位置的實(shí)時(shí)溫度；建立原點(diǎn)熱漂移誤差與主要溫度變量的關(guān)系模型；辨識(shí)原點(diǎn)熱漂移誤差模型中的參數(shù)。

具體步驟如下：

第一步，半閉環(huán)進(jìn)給軸的原點(diǎn)熱漂移誤差和溫度測(cè)試

第一溫度傳感器4和第二溫度傳感器6分別布置在前軸承座3和絲杠附近的床身13上；激光干涉儀的分光鏡7通過磁力表座固定在工作臺(tái)8上，反光鏡10通過磁力表座固定在主軸11上；

在原點(diǎn)熱漂移誤差測(cè)試時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)中“材料溫度補(bǔ)償”的溫度設(shè)置成20℃，以得到絲杠在測(cè)試環(huán)境溫度下的真實(shí)誤差值；

a將工作臺(tái)8移動(dòng)到半閉環(huán)進(jìn)給軸的原點(diǎn)位置，并在原點(diǎn)位置執(zhí)行“清零”操作；

b半閉環(huán)進(jìn)給軸以任意的速度在行程范圍內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行升溫，每隔一段時(shí)間～10min讓工作臺(tái)8回到原點(diǎn)位置，記錄激光干涉儀的原點(diǎn)熱漂移誤差值以及對(duì)應(yīng)的第一溫度傳感器4和第二溫度傳感器6的溫度變量值；反復(fù)運(yùn)動(dòng)和測(cè)試，重復(fù)5～7次；

c半閉環(huán)進(jìn)給軸停止在原點(diǎn)位置進(jìn)行降溫，每隔一段時(shí)間～10min記錄激光干涉儀的原點(diǎn)熱漂移誤差值以及對(duì)應(yīng)的第一溫度傳感器4和第二溫度傳感器6的溫度變量值；反復(fù)降溫和測(cè)試，重復(fù)4～6次；

升溫階段和降溫階段測(cè)試得到的原點(diǎn)熱漂移誤差值記為ed，升溫階段和降溫階段第一溫度傳感器4和第二溫度傳感器6測(cè)試得到的溫度變量值分別記為δtbr和δtb；

第二步，絲杠在原點(diǎn)位置的實(shí)時(shí)溫度預(yù)測(cè)

將行程范圍內(nèi)的絲杠5離散化成d段，每段長(zhǎng)度為l；以行程范圍內(nèi)的絲杠5為分析對(duì)象，按如下方式建立絲杠5的溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型；

式中，c為絲杠5的比熱容，ρ為絲杠5的材料密度，s為絲杠5的等效截面積，為在t時(shí)刻絲杠5li段的實(shí)時(shí)溫度，qf(t)為螺母9在(t-δt,t)時(shí)間段內(nèi)摩擦li產(chǎn)生的總熱量，qc(t)為在(t-δt,t)時(shí)間內(nèi)li段絲杠向空氣的散熱量，qt(t)為在(t-δt,t)時(shí)間內(nèi)li段絲杠沿軸向的熱傳導(dǎo)量，q為螺母9摩擦li一次產(chǎn)生的熱量，n為在(t-δt,t)時(shí)間內(nèi)螺母9摩擦li的次數(shù)，h為對(duì)流散熱系數(shù)，s'為絲杠li段與空氣的換熱面積，tf(t)為絲杠5周圍空氣的溫度，用床身13的溫度代替，λ為絲杠5的熱傳導(dǎo)系數(shù)。

對(duì)式(1)進(jìn)行求解，得到絲杠5任意一段li的實(shí)時(shí)溫度值i＝1時(shí)，即為絲杠5在原點(diǎn)位置的實(shí)時(shí)溫度

第三步，建立半閉環(huán)進(jìn)給軸的原點(diǎn)熱漂移誤差與關(guān)鍵溫度變量的關(guān)系模型

半閉環(huán)進(jìn)給軸的原點(diǎn)熱漂移誤差由前軸承座3的溫升δtbr、原點(diǎn)位置的溫升和環(huán)境溫升δtb共同引起；軸承座3的溫升δtbr和原點(diǎn)位置的溫升導(dǎo)致工作臺(tái)8靠近主軸，環(huán)境溫升δtb導(dǎo)致工作臺(tái)8遠(yuǎn)離主軸，且半閉環(huán)進(jìn)給軸的原點(diǎn)熱漂移誤差與δtbr、δtl1、δtb近似呈線性相關(guān)，半閉環(huán)進(jìn)給軸的原點(diǎn)熱漂移誤差通過式(2)計(jì)算：

式中，ed為原點(diǎn)的熱漂移誤差，α,β,χ,γ為待定系數(shù)；

第四步，辨識(shí)原點(diǎn)熱漂移誤差模型中的參數(shù)

將第一步得到的不同時(shí)刻的原點(diǎn)熱漂移誤差值ed、關(guān)鍵點(diǎn)溫度變量值δtbr和δtb，以及第二步得到的絲杠在原點(diǎn)位置的實(shí)時(shí)溫度代入式(2)，采用最小二乘法對(duì)α,β,χ,γ進(jìn)行求解。

本發(fā)明的有益效果是：

1提高工件的加工精度，即提高機(jī)床的加工范圍和加工能力。

2解決批量零件加工時(shí)一致性差的問題，降低廢品率，提高機(jī)床的工序能力指數(shù)。

3消除或減少機(jī)床在加工過程中的對(duì)刀過程，降低對(duì)操作者的技術(shù)要求，減小操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。

4提出了一種進(jìn)給軸新類型熱誤差的測(cè)試及預(yù)測(cè)方法，為掌握和提升數(shù)控機(jī)床進(jìn)給軸的綜合精度提供了新方法。

附圖說明

圖1為半閉環(huán)進(jìn)給軸的結(jié)構(gòu)及溫度測(cè)點(diǎn)布置示意圖。

圖2為半閉環(huán)進(jìn)給軸的原點(diǎn)熱漂移誤差測(cè)試流程圖。

圖3為立式加工中心x軸的關(guān)鍵點(diǎn)溫度測(cè)試結(jié)果圖。

圖4為立式加工中心x軸的原點(diǎn)熱漂移誤差在補(bǔ)償前后的對(duì)比圖。

圖5為立式加工中心y軸的關(guān)鍵點(diǎn)溫度測(cè)試結(jié)果圖。

圖6為立式加工中心y軸的原點(diǎn)熱漂移誤差在補(bǔ)償前后的對(duì)比圖。

圖7為立式加工中心z軸的關(guān)鍵點(diǎn)溫度測(cè)試結(jié)果圖。

圖8為立式加工中心z軸的原點(diǎn)熱漂移誤差在補(bǔ)償前后的對(duì)比圖。

圖中：1激光干涉儀的激光頭；2伺服電機(jī)；3前軸承座；4第一溫度傳感器；5絲杠；6第二溫度傳感器；7激光干涉儀的分光鏡；8工作臺(tái)；9螺母；10激光干涉儀的反光鏡；11主軸；12后軸承座；13床身。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的技術(shù)方案和有益效果更加清晰明了，下面結(jié)合半閉環(huán)進(jìn)給軸原點(diǎn)熱漂移誤差的測(cè)試和建模的具體實(shí)施方式并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明。本實(shí)施例是以本發(fā)明的技術(shù)方案為前提進(jìn)行的，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

以一臺(tái)立式加工中心x軸原點(diǎn)熱漂移誤差的測(cè)試和建模為例，詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式。x軸的最大移動(dòng)速度為30000mm/min，行程范圍為0～500mm。

第一步，半閉環(huán)進(jìn)給軸的原點(diǎn)熱漂移誤差和溫度測(cè)試

第一溫度傳感器4和第二溫度傳感器6分別布置在前軸承座3和絲杠附近的床身13上。激光干涉儀的分光鏡7通過磁力表座固定在工作臺(tái)8上，反光鏡10通過磁力表座固定在主軸11上。溫度測(cè)點(diǎn)布置和激光干涉儀安裝示意圖如圖1所示。

在誤差測(cè)試時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)中“材料溫度補(bǔ)償”的溫度設(shè)置成20℃。a將工作臺(tái)移動(dòng)到進(jìn)給軸的原點(diǎn)位置，并在原點(diǎn)位置執(zhí)行“清零”操作。b然后，進(jìn)給軸以10000mm/min的速度在0～500mm全行程范圍內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行升溫，每隔10min讓工作臺(tái)回到原點(diǎn)位置，記錄激光干涉儀的誤差數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)的溫度傳感器4和6的溫度值。c反復(fù)運(yùn)動(dòng)和測(cè)試，重復(fù)6次。d進(jìn)給軸停止在原點(diǎn)位置進(jìn)行降溫，每隔10min記錄激光干涉儀的誤差數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)的第一溫度傳感器4和第二溫度傳感器6的溫度值。e反復(fù)降溫和測(cè)試，重復(fù)5次。測(cè)試流程如圖2所示。

提取各次測(cè)試的誤差數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)的第一溫度傳感器4和第二溫度傳感器6的溫度值，溫度數(shù)據(jù)如圖3所示，誤差數(shù)據(jù)如圖4中的測(cè)試值所示。

第二步，絲杠在原點(diǎn)位置的實(shí)時(shí)溫度預(yù)測(cè)

將行程范圍內(nèi)的絲杠5離散化成50段，每段長(zhǎng)度為10mm。以行程范圍內(nèi)的絲杠5為分析對(duì)象，按如下方式建立絲杠5的溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型。

式中，c為絲杠5的比熱容，ρ為絲杠5的材料密度，s為絲杠5的等效截面積，為在t時(shí)刻絲杠5li段的實(shí)時(shí)溫度，qf(t)為螺母9在(t-δt,t)時(shí)間段內(nèi)摩擦li產(chǎn)生的總熱量，qc(t)為在(t-δt,t)時(shí)間內(nèi)li段絲杠向空氣的散熱量，qt(t)為在(t-δt,t)時(shí)間內(nèi)li段絲杠沿軸向的熱傳導(dǎo)量，q為螺母9摩擦li一次產(chǎn)生的熱量，n為在(t-δt,t)時(shí)間內(nèi)螺母9摩擦li的次數(shù)，h為對(duì)流散熱系數(shù)，s'為絲杠li段與空氣的換熱面積，tf(t)為絲杠5周圍空氣的溫度，近似用床身13的溫度代替，λ為絲杠5的熱傳導(dǎo)系數(shù)。

對(duì)式1進(jìn)行求解，可以得到絲杠5任意一段li的實(shí)時(shí)溫度值i＝1時(shí)，即為絲杠5在原點(diǎn)位置的實(shí)時(shí)溫度。

第三步，建立原點(diǎn)熱漂移誤差與關(guān)鍵溫度變量的關(guān)系模型

進(jìn)給軸的原點(diǎn)熱漂移誤差由前軸承座3的溫升δtbr、原點(diǎn)位置的溫升和環(huán)境溫升δtb共同引起。前軸承座3的溫升δtbr和原點(diǎn)位置的溫升導(dǎo)致工作臺(tái)靠近主軸，環(huán)境溫升δtb導(dǎo)致工作臺(tái)遠(yuǎn)離主軸，且原點(diǎn)熱漂移誤差與δtbr、δtb近似呈線性相關(guān)，原點(diǎn)的熱漂移誤差通過式2計(jì)算：

式中，ed為原點(diǎn)的熱漂移誤差，α,β,χ,γ為待定系數(shù)。

第四步，辨識(shí)原點(diǎn)熱漂移誤差模型中的參數(shù)

將第一步得到的不同時(shí)刻的原點(diǎn)熱漂移誤差值ed、關(guān)鍵點(diǎn)溫度變量值δtbr和δtb，以及第二步得到的絲杠在原點(diǎn)位置的實(shí)時(shí)溫度代入式2，采用最小二乘法對(duì)α,β,χ,γ進(jìn)行求解，辨識(shí)的結(jié)果為：α＝11.13，β＝-14.99，χ＝-13.83，γ＝-3.26。

采用本發(fā)明所提供的建模方法，對(duì)x軸原點(diǎn)熱漂移誤差的預(yù)測(cè)效果如圖4所示。

采用同樣的方式，對(duì)立式加工中心y、z軸的原點(diǎn)熱漂移誤差進(jìn)行測(cè)試、建模和補(bǔ)償，結(jié)果如圖5～8所示。

應(yīng)該說明的是，本發(fā)明的上述具體實(shí)施方式僅用于示例性闡述本發(fā)明的原理和流程，不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。因此，在不偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下所做的任何修改和等同替換，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。