[发明专利]数控机床进给系统全工作行程热误差补偿方法及其实施系统

说明书

一、技术领域

本发明涉及数控机床进给系统误差补偿技术，特别是涉及数控机床进给系统热误差补偿方法及用于实施该方法的实施系统。

二、背景技术

随着数控机床整机及零部件设计、制造、装配技术和材料等相关技术的不断进步，几何误差、刀具磨损、伺服误差等在数控机床整体误差中的比例逐渐减小。在高速、高精度加工条件下，热变形日益成为影响机床加工精度的重要因素。在高速精密数控机床中，热误差占到了机床总误差的40％～70％。因此，减少热误差是提高数控机床加工精度及其稳定性的重要途径。

机床热误差是其内部热源和外部热源共同引起的机床各构件热变形综合作用的结果。其中，外部热源主要来自于机床环境温度的变化(如日照、切削热引起的机床局部不均衡温升等)。内部热源主要有机床相对运动部件产生的摩擦热；电机、CNC装置和伺服放大器产生的焦耳热；主轴冷却系统与机床主轴之间发生的热交换等。一般来说，机床内部热源及零部件之间的热交换是造成热误差的主要原因。

数控机床在工作中不可避免地要发热，特别是由于其内部热源多，在传热和散热时导致机床温度梯度发生变化，并且加上切削热、环境温度的影响，以及机床间隙、摩擦等引起的热滞现象，导致数控机床热误差表现为时滞、时变、多方向耦合及综合非线性特征，增加了用数学模型描述热误差的复杂性及误差补偿的不确定性。因此，国内外在数控机床热误差补偿与控制方面进行了大量研究，并提出了多种有效方法。这些方法按照实现方式不同，可分为硬件补偿法和软件补偿法。硬件补偿法是通过热对称设计、预拉伸和强制冷却等结构优化方式来减少机床热误差的方法。软件补偿法是通过建立准确反映机床温度场同热误差之间关系的热误差预测模型，人为地制造出一种新的误差去抵消当前成为问题的原始误差，实现热误差补偿。软件补偿法在一定范围内可以比较容易地达到“硬件补偿技术”要花费较大代价才能达到的精度水平，有助于降低设计制造成本，因此该方法是是精密数控机床热误差分析研究的重要方向并取得了较多的研究成果。

在热误差补偿方面，美国密歇根大学取得了令人瞩目的成果。他们应用热误差补偿技术，使美国通用(GM)公司下属一家离合器制造厂的100多台车削加工中心的加工精度提高了一倍以上，并使加工波音飞机机翼的巨型龙门加工中心的加工精度提高了10倍。日本东京大学根据智能制造新概念已开发了由热致位移主动补偿热误差的新结构，并在智能高速加工中心予以实现。2003年瑞士Mikron公司开发出智能热补偿系统(ITC)模块，配置了ITC的机床能自动处理温度变化造成的误差。智能热补偿系统的优点是能够明显提高加工精度，缩短加工时间，与其他同类机床相比，可节省15～25min的机床预热时间，而且进行超精密加工所需要的热稳定时间也明显缩短。近年来，日本OKUMA公司提出了热亲和的概念，为机床热误差补偿提供了一种新的思路。

国内多家机构也展开了热变形控制技术研究。上海交通大学在热误差鲁棒建模技术、热误差补偿模型在线修正方面取得多项成果。北京机床研究所研制了智能补偿功能板，实现机床热误差、运动误差和承载变形误差的自动补偿，并对数控机床误差的综合动态补偿技术进行了深入的研究。天津大学刘又午等在基于多体理论模型的加工中心热误差补偿技术、基于主轴转速的机床热误差状态方程模型、数控机床的位置误差补偿模型建立等方面开展了深入研究。浙江大学居冰峰，傅建中等提出将相变材料注入到机床基础件中，在一定范围内消除了基础件的热变形。

国内外现有的机床热误差补偿方法主要集中在机床主轴或基础部件热变形控制方面。相对于机床的进给系统，主轴热误差和基础部件热变形是准静止的。由于机床进给系统热误差的动态特性，为机床热误差补偿带来了新的挑战，目前，国内外在进给系统热误差分析和补偿方面正处于起步阶段，还没有专门针对机床进给系统热误差补偿的研究成果报导。数控机床进给系统热误差补偿已成为机床热误差补偿研究中的新课题。

综观当前国内外研究进展与成果可知，对数控机床进给系统进行热误差补偿仍存在着以下明显的问题及亟待解决的技术难点：

(1)科学的进给系统热学实验方案

ISO 230-3机床热效应测试标准中第7部分提出的机床直线运动热学实验方案，一方面需要设计专用的位移传感器夹具，实施过程复杂，另一方面，该方案温度和热误差测点布置的主要目的在于测量机床直线运动副发热对其定位精度的影响，并没有测量行程内热误差的变化情况，因此采集得到的实验数据不适合进给系统热误差补偿研究。因此，提出一种有效和科学的机床进给系统热学实验方案是展开进给系统热误差补偿技术研究的基础。