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基于傳感器的熱誤差補(bǔ)償技術(shù)
基于傳感器的熱誤差補(bǔ)償技術(shù)
為了進(jìn)一步提升數(shù)控機(jī)床的加工精度和一致性，華中數(shù)控計劃與機(jī)床企業(yè)充分合作，實施“機(jī)床品質(zhì)提升工程”計劃，將華中8型智能數(shù)控系統(tǒng)熱誤差補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床，致力于提高機(jī)床加工效率、加工精度和加工一致性，提升機(jī)床品質(zhì)和市場競爭力。
隨著科學(xué)技術(shù)、機(jī)械制造加工業(yè)的迅速發(fā)展，對數(shù)控機(jī)床的加工精度提出越來越高的要求。提高數(shù)控機(jī)床加工精度有兩種基本方法：誤差防止法和誤差補(bǔ)償法。誤差防止法是指通過提高機(jī)床制造和裝配精度及設(shè)計精度、機(jī)床零部件的制造精度和安裝精度、優(yōu)化機(jī)床結(jié)構(gòu)、輔助部件等方法來實現(xiàn)。此方法的特點(diǎn)是成本增加大，實施起來有局限性。誤差補(bǔ)償法是指使用軟件技術(shù)，通過分析、統(tǒng)計、歸納及掌握原始誤差的特點(diǎn)和規(guī)律，建立誤差數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行人為誤差補(bǔ)償，從而減少加工誤差。此方法的特點(diǎn)是：經(jīng)濟(jì)有效，實現(xiàn)相對簡單。
已故的國際著名機(jī)械制造專家、美國密西根大學(xué)教授吳賢銘曾說過：“誤差補(bǔ)償技術(shù)的巧妙之處在于加工出的零件精度可比加工母機(jī)的精度還高。”由此可見，誤差補(bǔ)償技術(shù)的巨大作用。
目前，誤差補(bǔ)償技術(shù)以其強(qiáng)大的技術(shù)生命力迅速被各國學(xué)者、專家所認(rèn)識，并使之得以迅速發(fā)展和推廣，已成為現(xiàn)代精密工程的重要技術(shù)支柱之一。
熱誤差補(bǔ)償技術(shù)有哪幾種？
熱誤差補(bǔ)償技術(shù)主要分為熱誤差斜率補(bǔ)償和熱誤差偏置補(bǔ)償兩種方式：
熱誤差偏置補(bǔ)償又叫與位置無關(guān)的熱誤差補(bǔ)償，是在熱變形部件上安裝溫度傳感器，檢測傳感器的實時溫度，通過查詢補(bǔ)償表中對應(yīng)溫度的補(bǔ)償值，將目標(biāo)軸的機(jī)床坐標(biāo)系進(jìn)行偏移。用以消除該部件因熱變形導(dǎo)致的軸向熱位移，一般用于非移動部件，如主軸、動力頭等發(fā)熱量較大且易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形的部件上。
熱誤差斜率補(bǔ)償又叫與位置相關(guān)的熱誤差補(bǔ)償，在傳動部件（絲杠、齒輪齒條）上安裝溫度傳感器，測量出傳動部件極限溫度區(qū)間內(nèi)所有溫度點(diǎn)對應(yīng)的目標(biāo)點(diǎn)熱變形量，通過統(tǒng)計和計算合理安排溫度補(bǔ)償間隔，將計算出的熱誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)填入補(bǔ)償表中。系統(tǒng)通過檢測溫度傳感器的實時溫度，查詢補(bǔ)償表中對應(yīng)溫度的補(bǔ)償值，根據(jù)目標(biāo)軸的實際位置相對于熱膨脹零點(diǎn)的距離折算出補(bǔ)償量輸出到目標(biāo)軸上。用以消除傳動部件當(dāng)前所在位置相對于熱膨脹零點(diǎn)的熱伸長量。
數(shù)控機(jī)床的主要誤差來源有哪些？
數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生誤差的來源主要有：幾何誤差/運(yùn)動誤差、熱誤差、控制誤差、力誤差等，通過研究發(fā)現(xiàn)，所有的誤差來源中熱誤差占比最高，達(dá)到近40%。
數(shù)控機(jī)床熱變形產(chǎn)生的機(jī)理
數(shù)控機(jī)床在加工過程中由于電氣發(fā)熱和運(yùn)轉(zhuǎn)部件的摩擦發(fā)熱引起的局部結(jié)構(gòu)變形，導(dǎo)致機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生熱誤差，從而影響機(jī)床的加工精度和使用效率。
主軸單元紅外熱輻射圖像 進(jìn)給軸絲杠紅外熱輻射圖像
數(shù)控機(jī)床熱變形產(chǎn)生的機(jī)理
數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償基本原理
在數(shù)控機(jī)床工作過程中，把實時采集機(jī)床溫度、位置等信號采集到數(shù)控系統(tǒng)里面，再通過誤差數(shù)學(xué)模型計算得出各運(yùn)動軸的誤差補(bǔ)償量，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)誤差補(bǔ)償實時修正機(jī)床運(yùn)動位置，提高機(jī)床加工穩(wěn)定性及加工精度。
機(jī)床在冷態(tài)和熱態(tài)的區(qū)別
華中8型熱誤差補(bǔ)償技術(shù)
華中8型數(shù)控系統(tǒng)將熱誤差補(bǔ)償技術(shù)集成于數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部，通過編制相應(yīng)的宜人操作界面，將熱誤差補(bǔ)償技術(shù)較好地應(yīng)用于實際加工過程之中，減少熱機(jī)時間，實現(xiàn)開機(jī)即可加工，提高機(jī)床利用率。
華中8型熱誤差補(bǔ)償技術(shù)支持市場上最常用的Pt100和KTY84兩種型號的溫度傳感器，實現(xiàn)實時溫度檢測，測量準(zhǔn)確度達(dá)到±0.5%，溫度測量范圍達(dá)到-40℃～240℃，系統(tǒng)顯示分辨率為0.1℃，有效的減少了冷熱機(jī)時間，保證了加工精度的穩(wěn)定性。
熱誤差補(bǔ)償技術(shù)基本原理結(jié)構(gòu)圖
在補(bǔ)償過程中，PLC運(yùn)算得到補(bǔ)償值輸入數(shù)控系統(tǒng)后，對預(yù)先輸入系統(tǒng)中的數(shù)控加工程序中外部機(jī)械原點(diǎn)按補(bǔ)償值進(jìn)行偏移，從而使誤差獲得補(bǔ)償。當(dāng)機(jī)床開機(jī)即開啟溫度誤差補(bǔ)償線程，溫度實時補(bǔ)償每隔2min便讀取一次溫度(可以通過讀數(shù)周期參數(shù)來實現(xiàn)補(bǔ)償周期的調(diào)整)，根據(jù)讀取的溫度值，通過PLC運(yùn)算算出熱誤差值，使外部機(jī)械原點(diǎn)發(fā)生偏移，從而實現(xiàn)熱誤差的在線實時補(bǔ)償。
華中8型系統(tǒng)熱誤差補(bǔ)償界面
熱機(jī)階段和冷機(jī)階段，絲杠變形曲線不一致，因此對升溫曲線和降溫曲線采用不同的補(bǔ)償數(shù)據(jù)，提高機(jī)床整體補(bǔ)償精度。
實際應(yīng)用情況
（1）廣東中山市捷程數(shù)控機(jī)床有限公司在運(yùn)用華中8型熱誤差技術(shù)后，實際加工精度從1.5μm提高到1μm，加工精度提升約30%。
捷程A366精密雙頭走心機(jī)
（2）寶雞CMV850加工中心開啟熱補(bǔ)償技術(shù)后，通過驗證，補(bǔ)償后的誤差控制在6μm以內(nèi)。
（3）山東威達(dá)重工有限公司在運(yùn)用華中8型熱誤差技術(shù)后，測試各項補(bǔ)償結(jié)果重復(fù)定位精度為X:1.5μm，Y:1.5μm，Z：3μm。
（4）湖北毅興機(jī)床有限公司毅興V8加工中心補(bǔ)償結(jié)果：
Z軸升溫補(bǔ)償前：升溫補(bǔ)償前最大誤差371.4μm(絲杠溫度是1.2-23.4℃)。
Z軸升溫補(bǔ)償后：補(bǔ)償后最大誤差45μm（絲杠溫度是1.6-23.4℃）。
（華中數(shù)控股份有限公司）
