[发明专利]一种数控机床热误差自适应补偿方法

说明书

本发明属于数控机床误差补偿领域，公开一种数控机床热误差自适应补偿方法，步骤：采用激光干涉仪和温度传感器按照特定的测量方式得到进给轴的热误差及相应的关键点温度；建立多时变动态热源激励下的丝杠的热误差预测模型；采用内点法自动辨识温度场预测模型中的热特性参数；建立针对多时变动态热源激励下的热误差预测模型中摩擦生热系数Q的自适应调整模型；提出考虑丝杠螺母副短期摩擦特性变化、能实时修正摩擦生热系数Q的热误差自适应补偿方法；最后通过热误差补偿系统实现机床热误差的补偿。本发明所用数控机床热误差自适应补偿方法预测精度高，解决了短期摩擦特性变化引发的热误差补偿精度出现波动的问题，提高了热误差补偿方法的鲁棒性。

技术领域

本发明属于数控机床误差补偿领域，具体为一种数控机床热误差自适应补偿方法。

背景技术

机床热误差是导致高端数控机床稳定性、精度降低的重要因素之一。文献资料及以往测试结果均表明，精密机械加工过程中由热变形引起的误差能够达到机床总误差的40～70％。机床热误差的存在导致零件加工精度低、废品率高；为了减小热误差，机床开机后需要热机，能耗大，耗时长；精密加工还需要恒温车间，导致零件加工成本升高。

抑制热误差的方法分为误差避免法和误差补偿法两种。误差避免法从消除热源的角度减小机床的热误差。主要方法如轴内冷却系统、机床热对称结构设计、采用恒温车间控制环境温度等。误差避免法可以显著减小机床热误差，但也存在一些局限。首先，随着机床精度要求的提升，用于避免误差的硬件设施成本呈指数规律上升。其次，为了有效消除热源，很多方法需要从机床部件的设计和制造环节介入，因此增加了制造成本，且难以对已出厂机床进行改造。误差补偿法，是通过人为制造出一种反向误差，以实时抵消原有的热误差。误差补偿法具有成本低、适用性广等优点。近年来，随着计算机、测量、传感等领域的发展，误差补偿法逐渐成为机床热误差智能补偿的主要方法，具有广阔的研究与应用前景。

对于数控机床热误差补偿方法，国内外学者都开展过广泛的研究。2011年，Xu等人在《International Journal of Machine Tools and Manufacture》第51卷发表文章《Thermal error forecast and performance evaluation for an air-cooling ballscrew system》，给出了轴承、丝杠螺母副的发热和散热方程，基于有限元分析和改进的集总热容法建立了丝杠的热特性模型。2012年，WuC等人在《International Journal ofAdvanced Manufacturing Technology》第59卷发表文章《Thermal error compensationmethod for machine center》，基于多元回归法建立了温度变量和热误差之间的数学模型。2015年，Feng等人在《International Journal of Machine ToolsManufacture》第93卷发表文章《Thermally induced positioning errormodeling and compensation basedon thermal characteristic analysis》，分析了螺母的传热机理，忽略了其热传导过程，推导了升温和降温过程中螺母的温度预测模型，但是没有考虑丝杠轴承座发热的影响。2011年，苗恩铭等在专利“数控机床热误差补偿高次多阶自回归分布滞后建模方法”申请号：201110379618.X中，提供了一种高次多阶自回归分布滞后建模方法。2013年，项四通等在专利“基于人机界面二次开发的数控机床误差补偿系统及方法”申请号：201310245088.9中，基于人机界面二次开发，给出了面向西门子840d数控系统的补偿方法以及线性的进给轴热误差补偿模型。2014年，陶益民等在专利“数控机床热误差补偿方法”申请号：201410161210.9中，在有限元仿真分析的基础上基于粒子群优化算法，得到热误差补偿的关键温度点，以关键温度点处的温度测量值作为依据实现数控机床热误差补偿。2016年，黄智等在专利“数控机床热误差在线补偿方法及系统”申请号：201610159196.8中，提供了一种数控机床热误差在线补偿方法及系统，该方法根据多元线性回归热误差模型计算数控机床理论热误差值。2019年，谭峰等在专利“一种基于包裹式原理的数控机床热误差预测方法”申请号：201910517281.0中提供了一种基于包裹式原理的数控机床热误差预测方法。