[发明专利]工具机热误差补偿方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种工具机热误差补偿方法，尤其是涉及一种考虑工具机结构几何设计与材料性质，通过结构导热运算单元及误差补偿运算单元补偿工具机热误差的方法。

背景技术

热误差的问题是精密机械研发过程中永远必须面对的课题；自1960年代起，相关研究便未曾间断过，其主要目的乃是发展系统化的设计逻辑或是补偿方法，借此来抑制或改善工具机因温度变异所产生的误差，进而提升工具机的精度与稳定性。虽然全球专家学者于工具机热误差相关的研究投入已近半个世纪，但对于近来精密模具、生医应用、消费性电子等产业的精微加工需求，温度变异对于机台精度的影响更是不容忽视，发展有效且可靠的热误差因应技术，已是近年来工具机技术发展必要投入的重点项目。

工具机种类繁多，例如综合加工中心机、攻牙加工中心机、锯床、车床、放电加工机、铣床、磨床、钻床、攻牙机、焊接切割设备、冲床、折床、金属加工机等机械及其外围设备；通常，工具机热源种类可分为外部与内部热源；外部热源主要包括外在环境与人为影响所造成的温度变异，内部热源则是包括机械本体运转过程中产生的热，机械本体热源主要有各轴向马达、主轴、冷却系统、导轨或螺杆等运动接口所产生的热量。不管是外部或是内部热源，上述各种热源会以传导、对流、或是辐射的方式来改变机械结构的热状态，致使刀具尖点产生位移而造成所谓的热误差。根据研究文献记载，工具机加工总误差量约有40-70％是由热误差所贡献，可见其对于工具机加工精度的影响，扮演着绝对关键的角色。一般而言，针对工具机热误差的因应策略主要可分为两种方式，一种是采用被动补偿方式，通过建构工具机热误差预测模型，以软件方式来进行误差量的补偿；另一种策略则是采用主动抑制方式，于设计阶段即设法让误差产生量降低，其目的在于控制或避免热误差的生成。相较于主动热抑 制的设计方式，采取热误差软件补偿的手段更具有便利性且符合经济效益，它并非直接移除或减少工具机产生的热误差，而是利用实验量测结果进行运算分析，通过软件方式来弥补误差的影响，此种方法也广受国外工具机厂使用，例如日本Mazak与Okuma、瑞士Mikron等。因此，如何改善现有补偿技术，研发更精确、更可靠的热误差补偿方法，乃是工具机业者长期以来持续投入的目标。

关于热误差补偿方法架构的研究与以往技术，概述如下。

例如公开文献，C.H.Lo，J.Yuan，J.Ni，An application of real-timeerror compensation on a turning centre，International Journal ofMachine Tools and Manufacture 35(12)(1995)1669-1682。该文献主要公开一种关于工具机实时误差补偿方法，通过工具机本体的温度感测、轴向位置、以及刀具信息，利用预建的误差模型计算出位置误差预测值，进而传送至控制器完成补偿动作。文中说明为清楚了解整机结构可能的热误差行为，于工具机上布建了80个温度传感器，之后利用实验结果进行分析，以减少实际应用时的传感器数目。该研究说明了热误差补偿技术的开发，必须仰赖完整的工具机温度感测信息，方能提供充分信息以建构误差模型；然而，在工具机上布建高达80个温度传感器的方法，不仅布置困难度极高，同时增加了技术发展的成本、限制了实用性。

例如中国台湾新型专利公告M290082号“工具机的热补偿装置”，主要针对热误差补偿方法建构一套装置，包括将若干温度传感器设置于工具机的热量产生位置或热集中位置、一用以获取温度传感器所测得的温度数据的温度卡，以及一用以作系统监控、运算数据及控制补偿系统的控制器，该控制器包含有宏程序单元与可程序逻辑控制单元，借此对工具机的主轴与进给系统运转所造成的热量进行监控，并通过控制器系统运算补偿主轴的热误差，以达成工具机加工精度准确性。该案主张的专利申请范围为误差补偿所需相关组件与装置，运作原理主要是利用感测组件所测得的信号，通过其自制的程序语言，运算出热误差量进行补偿，与上述文献采用的手段相似，因此，该装置对于温度感测信息的全面掌握程度(即传感器的布局)，同样具有高度的依赖性，换言之，由于过度依赖温度传感器，因此未设置温度传感器的部位则无法进行检测分析。