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机床丝杠热误差的测量与补偿研究

2019-6-24 来源：华中科技大学机械科学与工程学院作者：刘宏伟陈吉红向华

摘要: 为了提高数控机床的加工精度，提出了数控机床丝杠的热误差建模和补偿方法。通过分析丝杠的热变形云图得出温度传感器的布置位置。根据温升与误差的关系进行线性拟合建立热误差的数学模型。

利用 HNC－848 数控系统的补偿模块进行参数设置从而实现在线实时补偿。经过激光干涉仪测量验证该补偿方法能够有效地提高机床的加工精度。

关键词: 丝杠; 热误差; 实时补偿; 数控系统; 制造

随着制造业的快速发展，各个行业对数控机床加工精度提出了更高的要求。导致机床精度下降的原因有很多，由于热变形产生的误差在机床总误差中占60%左右。

机床在内外热源的作用下开始膨胀，使得机床在加工过程中刀具和工件产生相对位移，进而导致加工精度下降。

机床温升变形是指机床运动部件的摩擦发热引起的局部结构变形，而这种变形又导致温度急剧升高，这两个方面是相互作用的。丝杠作为细长杆由温升变形所产生的热误差占有很大的比重。为了减小误差，提高机床的加工精度通常的解决办法是降温和补偿两种方法。

降温的方法是将机床放置在恒温车间保持环境温度恒定，另外一种办法是给发热部件加装冷却系统，但这两种办法的成本都相当高，对丝杠的误差控制不明显，特别是丝杠在开机预热时变形量较大，即使在恒温车间内对于南方北方不同的地域、冬天夏天不同的季节所产生的变形量也不一样。

所以，对热误差进行补偿是提高工件加工精度较为有效的方法。

本文对工作台下的丝杠进行误差的测量分析，采用线性拟合的方法建立机床热误差的数学模型，将该模型集成在华中数控 HNC－848 的数控系统中对丝杠温度和误差数据进行采集和分析，实现机床的热误差补偿。

1 、丝杠热误差的数据采集

依据三轴机床的 X 轴为例作为研究对象，与之相匹配的丝杠长度为 500 mm。将两个温度传感器分别布置在与伺服电动机相连接的丝杠轴承座上和离远端轴承座 40 mm 处的位置上。

机床在初始运行时，电动机的转速为 3 000 r/min，环境温度为 19. 7 ℃，经过 30min 预热，这时检测到丝杠温度升高了 5 ℃ 。为研究丝杠的热变形规律，应用了 Ansys

软件进行了相应的热变形分析，如图 1 所示。

图1 丝杠热域分布图

可以看出丝杠靠近伺服电动机的一侧发热量最大，丝杠螺母处的发热量次之，故在发热量最大的热源点埋一个温度传感器，为了能够准确地测量出丝杠在不同温度下的伸长量，在远离伺服电动机 460 mm 处的丝杠中埋进了另一个温度传感器，该点的温度在整个丝杠中发热量最小。为测量丝杠在不同温度下的伸长量，采用了 API 激光干涉仪进行了现场测试。

当时的环境温度为 19. 7 ℃，每升高1 ℃ 记录下丝杠的膨胀量，并计算出相邻两点间的斜率值，如表 1 所示。X 轴的行程范围是［0，500 mm］，测量起点为数控机床的坐标零点，测量的终点为数控机床的 X 轴坐标点 460 mm 处。

表 1 温升与斜率统计表

2 、热误差建模

在约束条件下，丝杠的受热变形公式为：

图2 不同测量点丝杠温升与热误差曲线图

3 、热误差补偿分析

热误差补偿是指人为地创建一个新的误差来抵消当前成为问题的原始误差。

机床开始起动时会经历一个从冷态到热态的过程，此次机床的热变形最严重，丝杠的热伸长最快，以后逐渐减少并趋于稳定，停机后机床温度下降丝杠开始回缩，为了减小温度变化带来的加工误差，可采用预热机床减少停机来保持机床的热平衡。

由于丝杠在环境温度高的情况下伸长量较大，可采取的措施是利用丝杠上所埋的两个温度传感器采集的温度差值作为热膨胀补偿的起点。机床开机运行 60 s 后开始实验，在华中数控 HNC－848 的数控系统中进行参数设定，如表 2。

表 2 华中数控 HNC－848 系统参数设置表

将计算得到的热误差值通过外部机床坐标系偏移( 原点平移) 叠加到位置控制信号中，从而实现热误差的实时补偿，其补偿原理见图 3。在加工开始后，打开 HNC－848 系统的温度补偿模块，数控系统会每隔一分钟读取一次温度值，通过集成在内的补偿模型计算热误差的补偿值，再发出相应的控制指令以实现在线实时补偿。