熱誤差補(bǔ)償功能在機(jī)床領(lǐng)域的應(yīng)用

1 引言

由于熱誤差與機(jī)床本身的運(yùn)動特性和工況有很大的相關(guān)性，受外界溫度變化環(huán)境因素的影響較大，即使相同類型的機(jī)床，加工相同的工件，相同的溫度場，產(chǎn)生的熱誤差也不相同。目前市場上較成熟的熱誤差補(bǔ)償系統(tǒng)較少，國外一些具備熱誤差補(bǔ)償功能的數(shù)控系統(tǒng)，其溫度補(bǔ)償功能不對外開放。熱誤差補(bǔ)償?shù)幕驹恚簷C(jī)床由冷態(tài)工作到熱態(tài)過程中(反之亦然)，工作精度有一定變化，如主軸、進(jìn)給軸導(dǎo)軌等均會出現(xiàn)一定量的誤差。這些誤差隨著主變量(溫度)的變化會產(chǎn)生有規(guī)律的相應(yīng)誤差變化，因此，在機(jī)床關(guān)鍵部件加裝溫度傳感器等監(jiān)測裝置，測定溫升量建立溫度與誤差的數(shù)學(xué)模型，并由數(shù)控系統(tǒng)CNC的算法進(jìn)行加工過程中精度的實(shí)時補(bǔ)償，提高機(jī)床精度。

2 i5OS數(shù)控系統(tǒng)的熱誤差補(bǔ)償功能描述

2.1 主要功能特點(diǎn)：

(1)安裝方便、硬件成本較低，適合于大批量應(yīng)用；(2)補(bǔ)償后熱誤差在0.02mm以內(nèi)，降低機(jī)床熱誤差高達(dá)80%以上；(3)無效熱機(jī)空跑，增加有效工時：(4)減少電能消耗，省去空跑的電力和人力成本；(5)數(shù)據(jù)處理集成在i5OS系統(tǒng)，算法集成在CNC中，與CNC交互快速、穩(wěn)定，且無需配置額外的數(shù)據(jù)接收/發(fā)送裝置，以及數(shù)據(jù)處理、顯示裝置；(6)與CNC集成度高，能直接獲得與熱誤差相關(guān)的機(jī)床運(yùn)動特征和工況,建立與機(jī)床運(yùn)動特性相關(guān)的熱誤差模型；(7)通過模型的修正功能，增加了模型的健壯性和預(yù)測精度；

2.2 總體方案

在進(jìn)給軸和主軸的熱敏感點(diǎn)處安裝溫度傳感器，CNC 每隔一定時間間隔(用戶按實(shí)際情況決定)讀取一次溫度，分別計(jì)算三個進(jìn)給軸和主軸三個方向的熱誤差量，修改 CNC 對應(yīng)的熱誤差補(bǔ)償參數(shù)，實(shí)現(xiàn)熱誤差補(bǔ)償。方案的實(shí)現(xiàn)如圖1所示。

3 主軸熱誤差檢測數(shù)據(jù)分析

3.1 主軸熱誤差分析

第一是數(shù)據(jù)采集：(1)不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)行；(2)運(yùn)行3小時，停1小時，再運(yùn)行3小時。第二是檢測結(jié)果：(1)轉(zhuǎn)速為16000rmp，達(dá)到熱平衡時，Z向熱伸長為73um，Y向熱漂移為32um，X向熱漂移為1.2um；(2)運(yùn)行加工程序，達(dá)到熱平衡時，Z軸熱伸長為85um，Y向熱漂移20um，X向熱漂移為1um；(3)從熱誤差曲線來看：主軸Z向一端固定，向一個方向熱伸長；Y向受到約束力，先向正向漂移，熱應(yīng)力<約束力后，再向負(fù)向漂移；X向?yàn)樽杂蔂顟B(tài)，熱膨脹是對稱的，熱漂移較小。從溫度-熱誤差曲線來看，Y向漂移與溫升情況不一致，很難通過溫度來預(yù)測。圖2到5為熱誤差示意圖。

3.2 對產(chǎn)婦預(yù)后的影響 本研究結(jié)果顯示，兩組產(chǎn)婦的產(chǎn)后出血率、輸血量、并發(fā)癥發(fā)生率以及術(shù)后轉(zhuǎn)入ICU率比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，該結(jié)果與馬可心等[13]及Bloom等[14]研究結(jié)果相符。因此，縮短DDI并不會增加產(chǎn)婦的不良后果的發(fā)生。

3.2 主軸熱誤差建模與預(yù)測

第一，操作鍵盤按F4，參數(shù)列表里打開主軸熱誤差補(bǔ)償開關(guān) SPDTC Z OF 改成ON。可在參數(shù)SPDTCDATA Z 看實(shí)際的補(bǔ)償量；第二，在熱誤差補(bǔ)償APP目錄下，打開終端，輸入./start.sh 開啟熱誤差補(bǔ)償App；第三，點(diǎn)擊“主軸Z向”，用戶根據(jù)實(shí)際對“補(bǔ)償時間間隔”進(jìn)行設(shè)置。默認(rèn)為5min補(bǔ)償一次；第四，點(diǎn)擊“打開熱誤差補(bǔ)償功能”，開始采集溫度、電流等信息，計(jì)算熱誤差量進(jìn)行補(bǔ)償；第五，第一次使用模型預(yù)測時，需要對模型進(jìn)行修正。要求：(1)從冷卻狀態(tài)開始測，運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的客戶程序；(2)隔5min～10min檢測一次，用視覺測量或?qū)Φ秲x測刀具的伸長量，該伸長量是相對于冷態(tài)下的刀具伸長量，補(bǔ)償殘差為(冷態(tài)數(shù)據(jù)-當(dāng)前數(shù)據(jù))。

打開熱誤差補(bǔ)償功能。選擇主軸Z向，打開和關(guān)閉熱誤差補(bǔ)償功能，系統(tǒng)即采集溫度值，計(jì)算熱誤差補(bǔ)償量。建立/更新熱誤差模型。用戶選擇相應(yīng)的建模或更新樣本文件，該文件由用戶在事前測得，或出廠前測得并建立模型。建立模型是全新的數(shù)據(jù)，如果有新的樣本數(shù)據(jù)，可更新模型，提高模型的預(yù)測精度。更新模型的文件也可由熱誤差補(bǔ)償日志文件獲得，更新后的模型可遠(yuǎn)程下載到本地機(jī)床中。加載熱誤差模型。可選擇要用的模型，系統(tǒng)默認(rèn)加載/data/predict下的三個模型：Predict_SPZ_DownModel， Predict_SPZ_UpModelPredict_SPZ_UpModel_2；保存熱誤差補(bǔ)償信息，點(diǎn)擊保存表格中的信息。

4 操作案例：i5OS系統(tǒng)熱誤差補(bǔ)償：主軸Z向補(bǔ)償

4.1 操作流程

第一是，模型文件：模型文件目錄為ThermalErrorCompensationdatapredict 。每個方向?qū)?yīng)3個模型文件，主軸Z向的三個文件為：Predict_SPZ_UpModel，Predict_SPZ_UpModel_2和Predict_SPZ_DownModel。模型文件參數(shù)主要是以下三個：(1)"x_dim" 模型采用的溫度點(diǎn)個數(shù)；(2)"coeff": 模型的修正系數(shù)，對應(yīng)App界面中的補(bǔ)償倍率；(3)"coeff_b" 模型的修正常數(shù)，對應(yīng)App界面中的補(bǔ)償常量。第二是，配置文件放在主目錄下，thermal.cfg，配置溫度和電流的引腳值。主軸Z向的配置如下：(1)SPDTCDATA Z.0 =iagwz.00.6.up1_s16 %主軸Z向的溫度1 ；(2)SPDTCDATA Z.1 =iagwz.00.6.up2_s16 %主軸Z向的溫度2；(3)SPDTCDATA Z.3 =iagaio4a.00.7.in1 %電流1/電壓1；(4)SPDTCDATA Z.4 =iagaio4a.00.7.in2 %電流2/電壓2；

4.2 信息顯示

對沈陽機(jī)床i5M4.5主軸Z向進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償，將補(bǔ)償前的最大9絲熱誤差減小到1絲以內(nèi)，補(bǔ)償率達(dá)90%見圖8所示：

4.3 模型文件及配置文件參數(shù)說明

(1)打開熱誤差補(bǔ)償功能。選擇主軸Z向，打開和關(guān)閉熱誤差補(bǔ)償功能，系統(tǒng)即采集溫度值，計(jì)算熱誤差補(bǔ)償量；(2)建立/更新熱誤差模型。(3)加載熱誤差模型。可選擇要用的模型，系統(tǒng)默認(rèn)加載/data/predict下的三個模型：Predict_SPZ_DownModelPredict_SPZ_UpModel， Predict_SPZ_UpModel_2；(4)保存熱誤差補(bǔ)償信息，點(diǎn)擊保存表格中的信息；

4.4 運(yùn)行熱誤差補(bǔ)償功能

第一，數(shù)據(jù)處理和分析：(1)數(shù)據(jù)歸一化處理和灰色關(guān)聯(lián)法分析溫度敏感點(diǎn)；(2)建立熱誤差模型并預(yù)測不同工況下的熱誤差，數(shù)據(jù)見表1

4.5 補(bǔ)償最終效果

(1)時間、主軸轉(zhuǎn)速、溫度、電流、補(bǔ)償倍率、補(bǔ)償常數(shù)和總補(bǔ)償量都是系統(tǒng)自動獲得，用戶不能對其修改。(2)補(bǔ)償殘差1。用于修改補(bǔ)償倍率，由用戶通過對刀儀、千分表手動測得，該值默認(rèn)為0；(3)補(bǔ)償殘差2。用于修改補(bǔ)償常量，由用戶通過測量得到，如果補(bǔ)償殘差1>允許的公差范圍，則將補(bǔ)償殘差填寫到對應(yīng)的位置，默認(rèn)為0。(4)補(bǔ)償倍率。當(dāng)前模型的補(bǔ)償倍率，表現(xiàn)為曲線斜率的變化。初始值從相應(yīng)的模型參數(shù)中讀取，隨著補(bǔ)償殘差1的變化而變化；(5)補(bǔ)償常量。當(dāng)前位置點(diǎn)的誤差補(bǔ)償常量，表現(xiàn)為曲線的平移量；(6)總補(bǔ)償量。總補(bǔ)償量是最后控制機(jī)床多走或少走的值，由熱誤差模型、測溫點(diǎn)的溫度計(jì)算得到的熱變形量。系統(tǒng)參數(shù)SPDTC Z設(shè)為ON，該值才能補(bǔ)償?shù)较到y(tǒng)中。

從表1、表2可以看出，碎石化的篩分結(jié)果可以滿足規(guī)范的要求，但是整體的結(jié)果偏粗，主要粒徑集中在3cm到10cm之間，代表粒徑在5cm附近。能過滿足混凝土板厚度的1/3，可以使用。但是兩組篩分試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)變異較大不穩(wěn)定。我們對此進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)基層軟弱的地方顏色呈濕潤狀態(tài)，破碎的級配偏粗，基層顏色呈白色，破碎的級配偏細(xì)，這也驗(yàn)證了基層的彈性模量大小對破碎級配是有影響的。因此在控制的過程中取樣篩分具有代表性的同時也要觀察基層的狀況，綜合考慮各種因素，才能做出合理的判斷。

5 操作流程

第二，預(yù)測結(jié)果：(1)通過在上升段/下降段/第二上升段加入修正系數(shù)，可大大提升熱誤差補(bǔ)償精度；(2)該修正系數(shù)可由使用者通過數(shù)字化測量而得到；(3)主軸熱伸長預(yù)測見圖6和圖7：

學(xué)科拓展系列則有詩配曲、曲作詩、詩配畫、畫作詩、童謠創(chuàng)作比賽活動，歷史漫畫創(chuàng)作及小制作比賽，英語手抄報比賽，簡易嶺南樂器的制作比賽，水仙雕刻比賽，Photoshop制作水墨畫比賽等。

當(dāng)裝入1個行星輪時，它與2個太陽輪的位置即相對固定，如圖2(b)所示，在距第1個裝入的行星輪角度為為行星輪的個數(shù))的位置，必須保證能裝入第2個行星輪，其余行星輪也同樣。即在行星輪嚴(yán)格均布的情況下順暢裝配，應(yīng)滿足：

信息顯示：時間、主軸轉(zhuǎn)速、溫度、電流、補(bǔ)償倍率、補(bǔ)償常數(shù)和總補(bǔ)償量都是系統(tǒng)自動獲得，用戶不能對其修改；溫度1、溫度2和電流的采集在thermal.cfg里面配置，引腳值根據(jù)從站的編號設(shè)置，可在示波器里看是配置否正確，具體設(shè)置方法見下文；補(bǔ)償殘差1：用于對熱誤差模型的修改(用于修改補(bǔ)償倍率)，由用戶通過對刀儀、千分表手動測得，或者通過視覺測量自動獲得。該值默認(rèn)為0；補(bǔ)償殘差2：用于對熱誤差補(bǔ)償量的修改(用于修改補(bǔ)償常量)，由用戶通過測量得到，如果補(bǔ)償殘差1>允許的公差范圍，則將補(bǔ)償殘差填寫到對應(yīng)的位置，默認(rèn)為0。該值通常用于溫度轉(zhuǎn)折點(diǎn)(由溫度下降轉(zhuǎn)為溫度上升，停機(jī)到開機(jī))；補(bǔ)償倍率：當(dāng)前模型的補(bǔ)償倍率，表現(xiàn)為曲線斜率的變化。初始值從相應(yīng)的模型參數(shù)中讀取，隨著補(bǔ)償殘差1的變化而變化；補(bǔ)償常量：當(dāng)前位置點(diǎn)的誤差補(bǔ)償常量，表現(xiàn)為曲線的平移量。與補(bǔ)償倍率相似，初始值從相應(yīng)的模型參數(shù)中讀取，隨著補(bǔ)償殘差2的改變而改變；總補(bǔ)償量：總補(bǔ)償量是最后控制機(jī)床多走或少走的值，由熱誤差模型、測溫點(diǎn)的溫度計(jì)算得到的熱變形量。系統(tǒng)參數(shù)SPDTC Z設(shè)為ON，該值才能補(bǔ)償?shù)较到y(tǒng)中。

6 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了熱誤差對機(jī)床加工精度的影響，以及i5OS數(shù)控系統(tǒng)的熱誤差補(bǔ)償功能的使用及介紹，對于在不同種類的、不同結(jié)構(gòu)的機(jī)床上補(bǔ)償?shù)男Ч约皩C(jī)床精度的干涉都會有所不同，未來將通過大量的測試，深入分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將為由溫度變化導(dǎo)致的機(jī)床誤差及補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型和實(shí)際應(yīng)用等提供強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

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