《五轴联动数控机床热误差补偿技术现状综述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《五轴联动数控机床热误差补偿技术现状综述（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、五轴联动数控机床热误差补偿技术现状综述Present situation of thermalerror compensation in five-axis machine tools 2012 年 12 月 18 日摘要数控机床在加工过程中,各部件由于受到电机、摩擦热、冷却液以及环境温度等热源的影响产生热变形,使得刀具和工件之间原来相对正确的位置遭到破坏而引起的误差 ,称之为热误差。本文主要介绍数控机床热误差补偿方法内外研究状况,阐述国内外常用的两种主要的误差补偿方法,即随机误差的补偿和系统误差补偿,探讨各种方法的特点 ,指出目前研究存在的问题,并展望未来的发展。关键字 数控机床热变形热补偿
2、1 引言大量研究表明 ,机床因受热变形引起的误差占机床总误差的40%70% ，是精密和超精密加工过程中主要的误差来源，因此，减小机床热误差对提高机床加工精度至关重要1-3。而机床加工精度最终是由机床上刀具与工件间的相对位移决定的,刀具与工件间的综合误差位置及方向误差会影响刀具与工件间的相对位移,要提高机床的加工精度必须对机床的误差进行补偿4-5。减少机床热误差通常有以下方法: ( 1) 改进机床设计和材料。 ( 2) 采用热执行装置控制机床重要部件的温度。( 3) 研究温度分布和热变形之间的关系, 并建立数学模型 , 用软件预报误差 , 通过 NC 装置补偿 , 以减少或消除由热变形引起的机床
3、刀具位移6。 以上三种方法可归为两种类型： 误差预防法和误差补偿法7。误差防止法是在机床设计、 制造的时候即考虑机床结构受热所可能产生的影响，通过优化结构设计， 控制温度场， 减小或消除可能存在的热源对机床加工精度的影响。热误差防止法提高了对机床设计和制造的要求，不可避免的会使机床的成本大幅上升， 因此热误差防止法在应用中有着很大的局限性，另外也很难将它应用到已经制造好的机床上去8。误差补偿的基本定义是人为地造出一种新的误差去抵消或大大减弱当前成为问题的原始误差，通过分析、统计、归纳及掌握原始误差的特点和规律,建立误差物理模型，尽量使人为造成的误差和原始误差两者的数值相等、方向相反，从而减少加
4、工误差，提高零件尺寸和几何精度。 误差元素检测、建模和误差补偿、控制是数控机床误差补偿技术的关键步骤，对于误差补偿的效果具有决定性的意义; 误差补偿的关键是机床误差模型的正确建立与机床误差的准确检定9。热误差补偿法所需的费用相对于提高机床本身精度或购买更高精度的机床显然要少许多，因此热误差补偿法是一种经济效益十分显著并能有效提高机床加工精度的方法，而且对改造低精度，机床或老机床有着重大意义。2 国内外研究历史与现状目前， 数控机床热变形控制一般从热误差的在线间接补偿和优化机床结构入手，并已成为国内外学着的研究热点10-13。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14。他们应用热误
5、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。加拿大McGill University 发表了系列论文，提出了一种优化机床热变形实时补偿的新方法通用模型法和S 域 IHCP 法来求解机床热变形，解决了经验模型中补偿函数相对于位移函数、 位移函数相对于温度分布函数均需要离线调整的缺点，而且求解效率高。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上予以实现。韩国学者研究了综合主轴热误差和进给系统热误差的数控机床实时补偿系统，德
6、国 Aachen 大学在热结构优化设计和热误差补偿方面也做了大量的研究工作。日本MAKINO 公司使用中空滚珠丝杠新结构， 以温度补偿系统， 使冷却油通过滚珠丝杠中孔，实现滚珠丝杠工作过程热变形控制。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 公司独创了“热亲和概念” ，这是一种新的构思。国内多家机构也展开了热变形控制技术研
7、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15-17。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深入的研究18。浙江大学在离散化固体热系统基础上， 提出了热模态分析理论和热敏感点理论19，为机床温度测点的选取和热误差建模提供了依据；近年来又开展了奇异值分解识别机床热态特性20、机床热误差主动热校正及参数遗传优化21、热误差模糊神经网络建模的研究22，开始把人工智能技术应用于机床加工误差补偿中。同时，提出了相变材料复合恒温构件的新结构，将相变材料注入到机床基础件中，根据相变材料在发
8、生相变时吸收或放出能量而温度保持不变的特性，可在一定范围内消除基础件热变形。天津大学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。 华中科技大学提出了一种基于神经网络辨识影响机床热误差关键点的新方法。清华大学提出了一种基于自组织原理的主轴热误差补偿策略 , 它只需根据对主轴热倾斜状态的定性测量结果即可进行定量误差补偿。北京机械工业学院提出了神经网络补偿机床热变形误差的机器学习技术。台湾的国立台湾大学和台中精机公司合作进行了“高精度工具机热变形补偿控制技术”的研发，对误差补偿单板电脑系统模组化、温度传感器最佳
9、放置点研究、 误差补偿单板电脑系统验证、 现场快速误差检测系统等进行研究，使其研制的立式机床的加工精度从50m 以上降低到10m 以下。热误差补偿的技术路线至今约有10 多家技术领先的公司拥有数控机床热变形误差的自动补偿技术。近年来，曾开发了两种不同的技术来实现误差补偿：反馈中断补偿法和原点平移补偿法。反馈中断补偿法是通过将热误差模型的计算数值直接插入到伺服系统的位置反馈环中而实现的。 热误差补偿控制器获取进给驱动伺服电机的编码器反馈信号，同时，该补偿控制器还计算机床的热误差，且将等同于热误差的数字信号与编码器信号相加减， 伺服系统据此实时调节机床的进给位置。该技术的优点是无需改变CNC 控制
10、软件， 可用于任何CNC 机床，包括一些具有机床运动副位置反馈装置的老型号CNC 机床。然而，该技术需要特殊的电子装置将热误差信号插入伺服环中，这种插入有时是很复杂的，一般需要局部改动CNC 控制系统的硬件。原点平移补偿法原理是热误差补偿控制器计算机床的热误差，这些误差量作为补偿信号被送至CNC控制器，而后通过CNC 控制系统中 PLC 的 I/O 口平移参考原点，以此实现热误差量的补偿。这种补偿既不影响坐标值，也不影响CNC 控制器上执行的代码程序， 因此对操作者而言， 该方法是不可见的。 原点平移法不用改变任何CNC 机床的硬件，但它需要改变CNC 控制器中的可编程控制器单元的程序，以便在
11、CNC 控制器可以接收补偿值。原点平移热误差补偿法是目前常用的实现方法。目前， 热误差补偿的最新技术是日本OKUMA机床公司独创的“热亲和概念”，“即使在温度变化环境下也能实现自动、高精度加工的人工智能化机床和技术”是称为热亲和概念的基础技术， 利用这种新的精度补偿技术能够排除因加工中发热和设备环境温度变化对加工精度的影响，使加工过程中的尺寸精度变化非常小。热亲和是一种新的构思， 它是在尽可能抑制热量发生的同时，对不可避免产生的热量采取接受的考虑方法。 要预测所产生的所有复杂热变形是相当困难的，但如果仅产生可以预测的热变形， 就可以采用补偿的方法来消除热量产生的影响。这样，即使不用大型空调装置
12、来控制整个设备或车间内的温度，也能在通常的大气温度范围内保持高的加工精度。3 总结热变形误差补偿是提高精密数控机床加工精度的关键技术之一，热误差补偿控制设备已成为现代高档数控机床必备的智能模块。我国在重大专项 “高档数控机床与基础制造装备” 中已把动态综合补偿列入需要攻关的关键共性技术，可见误差补偿技术已引起国家层面的高度重视。可以预计，在不久的将来我国将开发成功具有自主知识产权的高精度、低成本热误差补偿器， 可对主轴和刀具间的热变形误差进行实时修正， 并嵌入到国产的数控系统中， 为大批数控机床误差实时补偿的实施创造有利条件。参考文献1. Bryan J B. International st
13、atus of thermal error research.Annals ofCIRP,1990,39(2):645656 2. Ferreira P M,Liu C R. A method for estimating and compensating quasistaticerrors of machine tools .Journal of Engineering for Industry,1993,115(1):149159 3. Robert B Aronson.War against thermal expansion.Manufacture Science and Engine
14、ering.1996,116(6):4550. 4. Jun Ni.CNC machine accuracy enhancement through realtime error compensation. International Journal of Manufacture Science and Engineering.1997,119:717725. 5. Okafor A C,ErtekinYalcinM.Derivation of machine tool error models and error compensation procedure for three axes v
15、ertical machining center using rididbody kinematics. International Journal of Machine tools & Manufacture. Engineering.1997,119:717725. 6. Bryan J. International St at us of T hermal Error Research ( 1990 ) . eynot e Paper A nnals of t he CIRP, 1990, 39( 2) : 645656 7. 杨庆东等 .数控机床热误差补偿建模方法8. 阳江源 .数控机
16、床热误差检测与建模研究。9. 粟时平 . 多轴数控机床精度建模与误差补偿方法研究 D . 长沙: 国防科技大学, 2002. 10. 李小彭 , 刘春时 , 马晓波 , 李晖 .数控机床加工精度提高技术的进展及其存在的问题 .东北大学2010. 11. Abdul Wahid Khan &WuyiChen.A methodology for systematic geometric error compensation in five-axis machine tools(2011) 12. 刘永吉，沈超，化春雷 .五轴联动机床的主轴热误差补偿. 13. Takeuchi Y, Watanabe T (1992) Generation of 5-axis controlcollision-free tool path and post processing for NC data Ann.CIRP 41(1):539 542 14. Yidin
