980TB2数控机床的主轴主轴s2转s1不转

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2019-02-18 04:06 标签： 数控机床的主轴

本发明属于数控机床的主轴加工領域特别涉及一种数控机床的主轴主轴热伸长误差实时补偿方法。

高端精密数控机床的主轴被广泛应用于航空航天、电子、汽车等领域是高端装备关键零部件加工制造的基础工具。主轴是数控机床的主轴上提供加工主动力的核心部件在机床运行过程中，结构热变形引起的机床热误差是不可忽视的重要因素研究表明，热误差占机床总误差的比例最大可达70％其中，主轴热伸长误差尤为突出该误差沿主轴轴线方向，亦为加工误差敏感方向几乎可直接等比例复映在加工零件上。主轴结构复杂、紧凑内部热源较多，如主轴电机、前后軸承、传动副等且与主轴工况直接相关，致使热伸长误差变化规律复杂、时变性显著另外，主轴处于机床位置误差闭环控制环节之外亦增加了实施热伸长误差控制的难度。

目前误差补偿法是最直接控制主轴热伸长误差的有效方法，且不改变主轴结构成本低、实施方便，被广泛采用上海开通数控有限公司在专利.9中公开了“一种数控机床的主轴热误差补偿方法，”该方法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，以温度测量值作为数控机床的主轴热误差补偿参数并建立误差补偿模型实现数控機床的主轴热误差补偿。西安交通大学的赵万华在专利.X中公开了“一种精密卧式加工中心主轴热误差补偿方法”该方法利用有限元分析嘚到主轴热关键点，采用最小二乘法建立热误差补偿模型通过在数控系统中添加补偿程序来实施热误差补偿。但是以上方法均未涉及主轴热伸长误差的实时补偿。

本发明主要解决的技术问题是克服现有方法的不足提出一种数控机床的主轴主轴热伸长误差实时补偿方法，针对实际加工中多转速工况下的主轴热伸长误差降低温度变量维数，拟合单一温度变量实现主轴热伸长误差预测，并利用数控系统嘚机床外部坐标系偏置功能完成实时补偿根据热关键点温度对主轴热伸长的影响度，将多个温度变量转化为一个表征温度消除温度场信息重叠；利用最高转速工况标定误差补偿模型，覆盖任意可适主轴转速工况工况适应性强；通过直线轴参考坐标系偏置完成主轴热伸長误差的补偿，补偿过程简单、快速实时性好。

本发明采用的技术方案是一种数控机床的主轴主轴热伸长误差实时补偿方法该方法首先利用温度传感器实时检测当前主轴转速下的热关键点温度，并根据热关键点温度对主轴热伸长误差的影响度计算表征温度；然后，利鼡基于表征温度的误差补偿模型计算当前热状态下的主轴热伸长误差补偿量同时考虑实际工况与标定工况初始温度的差异性，引入表征溫度修正因子；通过PLC数据处理功能按一定周期更新与主轴轴线一致的直线轴机床外部坐标系偏置功能系统变量；最后，数控系统自动运荇该直线轴的坐标系偏置功能完成主轴热伸长误差的实时补偿。方法的具体步骤如下：

第一步温度及热伸长数据采集

将主轴温度传感器S1和电机温度传感器S2分别安装在主轴3和主轴电机1上，将位移传感器3安装在磁力表座4上磁力表座4固定在工作台5上，调整工作台5使位移传感器S3距主轴3的前端面保持一定距离d并保持位移传感器S3端面与主轴前端面平行；分别进行测量获得热关键点温度和主轴热伸长数据；主轴传感器S1测得主轴3的前轴承附近主轴温度样本为S1每隔一分钟测得的第i时刻的温度值；电机传感器S2测得主轴电机温度样本为S2每隔一分钟测得的第i時刻的温度值。位移传感器S3测得主轴热伸长误差样本U＝(u1,u2,...,ui,...,un)ui为S3每隔一分钟测得的第i时刻的主轴热伸长值。n为所测数据的样本容量；

利用主轴溫度样本T1和主轴电机温度样本T2构成温度矩阵T＝(T1；T2)，计算得到温度矩阵T的协方差矩阵S利用矩阵计算方法，计算获得协方差矩阵S的两个特征根λ1和λ2以及λ1和λ2分别对应的单位特征向量v1＝(a11,a21)和v2＝(a12,a22)，其中a11、a12、a21、a22均为特征向量参数则，降维前表征温度F

式中，F1与F2分别为降维前表征温度变量F的第1分量与第2分量

利用特征值分别计算各表征温度分量对主轴热伸长的影响度，F1的影响度δ1＝λ1/(λ1+λ2)F2的影响度δ2＝λ2/(λ1+λ2)。如果δ1≥δ2取F1；否者，取F2那么，得到降维后的表征温度

式中j＝1或2。则第i时刻降维后的表征温度

在一定主轴转速条件下，取所測主轴热伸长误差和计算出的表征温度构建数据集利用回归法对这些数据点进行拟合逼近，获得如下模型

式中，E为输出误差bk为模型系数，c为常数p为阶数。ε为表征温度修正因子，为实际工况的初始表征温度，标定工况的初始表征温度。

在机床正常运行的主轴转速范圍内取最高主轴转速下所获得主轴热伸长误差和计算出的表征温度，构成标定数据集Q0将Q0带入公式(3)，利用最小二乘方法计算出系数bk和瑺数c，进而获得主轴热伸长误差的补偿模型；

第四步主轴热伸长误差实时补偿实施

在主轴实际运行过程中，机床PLC读取热关键点的温度和計算表征温度将带入公式(3)实时输出主轴热伸长误差待补偿值。选择与主轴轴线一致的数控直线轴作为补偿轴启动该直线轴的机床外部唑标系偏置功能，将实时计算出的待补偿值存放在D地址最后利用PLC的读写功能将补偿值读入到系统变量G0000。数控系统按周期循环执行PLC每个周期内，G0000中的数值被更新同时误差补偿被执行，最终实现主轴热伸长误差的实时补偿

本发明的效果是：根据热关键点温度对主轴热伸長误差的影响度，建立基于表征温度的误差补偿模型模型鲁棒性强；采用最高主轴转速工况数据进行参数标定，并进行表征温度的修正实现了不同转速工况、不同环境温度条件下的主轴热伸长误差的预测补偿，提高了补偿模型的工况适应性；采用PLC作为补偿程序载体的方法保证了补偿实时性，同时降低了补偿过程的复杂程度

附图1-实时补偿流程图。

附图2-立式加工中心主轴热关键点温度与热伸长测量示意圖；其中1-主轴电机，2-主轴箱3-主轴，4-磁力表座5-工作台，S1-主轴温度传感器S2-电机温度传感器，S3-位移传感器d-距离，X、Y、Z-机床坐标系的三個坐标轴

附图3-主轴转速6000r/min工况下的标定曲线；其中，横坐标表示温度单位℃，纵坐标表示误差单位mm。

附图4a)-主轴转速为1000r/min时主轴热伸长誤差补偿前后对比图，图4b)-主轴转速为5000r/min时主轴热伸长误差补偿前后对比图，其中1-预测曲线，2-补偿前曲线3-补偿后曲线，横坐标表示温度单位℃，纵坐标表示误差单位μm。

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的实施过程

实施例选用的机床为精密立式加工中心，最高主轴转速6000r/min主轴轴线与Z轴一致，直线轴定位精度0.01mm两个温度传感器Pt100，量程10℃～100℃输出电压信号0V～10V；位移传感器ZX-EM，量程2mm、线性度为±0.5％、输出电压信号-5V～+5V环境温度为18℃～23℃。

数控机床的主轴主轴热伸长误差的实时补偿流程如图1所示方法的具体步骤如下：

第一步，在主軸3的前轴承附近和主轴电机1上分别布置主轴温度传感器S1和电机温度传感器S2；将位移传感器S3安装在磁力表座4上磁力表座4固定在工作台5上，並保持位移传感器S3端面与主轴前端面平行调整工作台5使位移传感器S3距主轴3的前端面的距离d＝15mm，如图2所示主轴转速选为6000r/min。测量主轴从主軸启动至热稳态过程中的热关键点的温度值和主轴热伸长值主轴传感器S1和电机温度传感器S2测得主轴温度样本T1和主轴电机温度样本T2，位移傳感器S3测得主轴热伸长误差样本U

第二步，将测得的主轴温度样本T1和主轴电机温度样本T2组成温度矩阵T＝(T1；T2)；利用数理方法计算获得温度矩阵T的协方差矩阵S，

利用矩阵计算方法计算获得协方差矩阵S的两个特征根λ1＝31.0697；λ2＝1.7752，以及分别对应的单位特征向量v1＝(0.5787；0.8和v2＝(-0.8155；0.5787)带入公式(1)，得到降维前的表征温度F

F1的影响度δ1＝0.976，F2的影响度δ2＝0.024取F1作为降维后的表征温度则第i时刻降维后的表征温度

同理，求出不同固定主轴转速工况下的表征温度的计算公式

第三步，在主轴转速6000r/min条件下取所测主轴热伸长误差和计算出的表征温度，构建数据集Q同时标定數据集Q0＝Q表征温度与热伸长误差的关联曲线如附图3所示。利用选择一元六次多项式对这些数据点进行拟合逼近通过最小二乘法评估各項参数，获得如下补偿模型：

第四步机床主轴转速分别为为1000r/min、5000r/min，温度传感器通过模拟量输入模块接入机床PLC实时读取热关键点温度，在程序中计算不同工况的表征温度以及表征温度修正因子并带入补偿模型公式(6)，求得主轴热伸长热误差补偿值；PLC首先将补偿值存放到D地址然后通过指令读入到Z轴对应的坐标系偏置功能的系统变量G0000，实现主轴在Z方向上的偏移基于PLC程序的短周期循环执行模式，G0000中的数值不断被实时计算得到的补偿值覆盖同时读取执行，实现主轴热误差的实时补偿

根据此热误差补偿方法，本例中的精密立式加工中心主轴热伸长误差补偿结果当主轴转速分别为1000r/min、5000r/min时，补偿后主轴热伸长误差均控制在±10μm以内见图4a)和图4b)。

本发明实现了温度场信息精简补偿模型输入变量降维，不同转速热误差补偿模型统一多工况热误差补偿值预测，提高了补偿模型的鲁棒性和适应性采用PLC程序段补偿方法，降低软硬件成本和实施复杂程度通过实时采集热关键点温度，结合PLC的短周期循环执行模式实现主轴热误差实时补偿功能，有效减少精密加工机床主轴轴向热误差提高加工精度。

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