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(dòng)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(chǎng)，產(chǎn)生的熱誤差也不相同。目前市場(chǎng)上較成熟的熱誤差補(bǔ)償系統(tǒng)較少，國(guó)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(duì)外開(kāi)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(guò)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(huì)出現(xiàn)一定量的誤差。這些誤差隨著主變量(溫度)的變化會(huì)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(cè)裝置，測(cè)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(guò)程中精度的實(shí)時(shí)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(wú)效熱機(jī)空跑，增加有效工時(shí)：(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(wú)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(dòng)特征和工況,建立與機(jī)床運(yùn)動(dòng)特性相關(guān)的熱誤差模型；(7)通過(guò)模型的修正功能，增加了模型的健壯性和預(yù)測(cè)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(shí)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(gè)進(jìn)給軸和主軸三個(gè)方向的熱誤差量，修改 CNC 對(duì)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(cè)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(shí)，停1小時(shí)，再運(yùn)行3小時(shí)。第二是檢測(cè)結(jié)果：(1)轉(zhuǎn)速為16000rmp，達(dá)到熱平衡時(shí)，Z向熱伸長(zhǎng)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(shí)，Z軸熱伸長(zhǎng)為85um，Y向熱漂移20um，X向熱漂移為1um；(3)從熱誤差曲線來(lái)看：主軸Z向一端固定，向一個(gè)方向熱伸長(zhǎng)；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(duì)稱的，熱漂移較小。從溫度-熱誤差曲線來(lái)看，Y向漂移與溫升情況不一致，很難通過(guò)溫度來(lái)預(yù)測(cè)。圖2到5為熱誤差示意圖。

3.2 對(duì)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(wú)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(huì)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(cè)

第一，操作鍵盤(pán)按F4，參數(shù)列表里打開(kāi)主軸熱誤差補(bǔ)償開(kāi)關(guān) SPDTC Z OF 改成ON?？稍趨?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(kāi)終端，輸入./start.sh 開(kāi)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(duì)“補(bǔ)償時(shí)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(kāi)熱誤差補(bǔ)償功能”，開(kāi)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(cè)時(shí)，需要對(duì)模型進(jìn)行修正。要求：(1)從冷卻狀態(tài)開(kāi)始測(cè)，運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的客戶程序；(2)隔5min～10min檢測(cè)一次，用視覺(jué)測(cè)量或?qū)Φ秲x測(cè)刀具的伸長(zhǎng)量，該伸長(zhǎng)量是相對(duì)于冷態(tài)下的刀具伸長(zhǎng)量，補(bǔ)償殘差為(冷態(tài)數(shù)據(jù)-當(dāng)前數(shù)據(jù))。

打開(kāi)熱誤差補(bǔ)償功能。選擇主軸Z向，打開(kāi)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?；蚋聵颖疚募撐募捎脩粼谑虑皽y(cè)得，或出廠前測(cè)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(cè)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(gè)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T(mén)hermalErrorCompensationdatapredict 。每個(gè)方向?qū)?yīng)3個(gè)模型文件，主軸Z向的三個(gè)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(gè)：(1)"x_dim" 模型采用的溫度點(diǎn)個(gè)數(shù)；(2)"coeff": 模型的修正系數(shù)，對(duì)應(yīng)App界面中的補(bǔ)償倍率；(3)"coeff_b" 模型的修正常數(shù)，對(duì)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(duì)沈陽(yáng)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(jiàn)圖8所示：

4.3 模型文件及配置文件參數(shù)說(shuō)明

(1)打開(kāi)熱誤差補(bǔ)償功能。選擇主軸Z向，打開(kāi)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(gè)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(cè)不同工況下的熱誤差，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1

4.5 補(bǔ)償最終效果

(1)時(shí)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(dòng)獲得，用戶不能對(duì)其修改。(2)補(bǔ)償殘差1。用于修改補(bǔ)償倍率，由用戶通過(guò)對(duì)刀儀、千分表手動(dòng)測(cè)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(guò)測(cè)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(xiě)到對(duì)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?？傃a(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(cè)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(guò)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(duì)此進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)基層軟弱的地方顏色呈濕潤(rùn)狀態(tài)，破碎的級(jí)配偏粗，基層顏色呈白色，破碎的級(jí)配偏細(xì)，這也驗(yàn)證了基層的彈性模量大小對(duì)破碎級(jí)配是有影響的。因此在控制的過(guò)程中取樣篩分具有代表性的同時(shí)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(cè)結(jié)果：(1)通過(guò)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(guò)數(shù)字化測(cè)量而得到；(3)主軸熱伸長(zhǎng)預(yù)測(cè)見(jiàn)圖6和圖7：

學(xué)科拓展系列則有詩(shī)配曲、曲作詩(shī)、詩(shī)配畫(huà)、畫(huà)作詩(shī)、童謠創(chuàng)作比賽活動(dòng)，歷史漫畫(huà)創(chuàng)作及小制作比賽，英語(yǔ)手抄報(bào)比賽，簡(jiǎn)易嶺南樂(lè)器的制作比賽，水仙雕刻比賽，Photoshop制作水墨畫(huà)比賽等。

當(dāng)裝入1個(gè)行星輪時(shí)，它與2個(gè)太陽(yáng)輪的位置即相對(duì)固定，如圖2(b)所示，在距第1個(gè)裝入的行星輪角度為為行星輪的個(gè)數(shù))的位置，必須保證能裝入第2個(gè)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(shí)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(dòng)獲得，用戶不能對(duì)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(hào)設(shè)置，可在示波器里看是配置否正確，具體設(shè)置方法見(jiàn)下文；補(bǔ)償殘差1：用于對(duì)熱誤差模型的修改(用于修改補(bǔ)償倍率)，由用戶通過(guò)對(duì)刀儀、千分表手動(dòng)測(cè)得，或者通過(guò)視覺(jué)測(cè)量自動(dòng)獲得。該值默認(rèn)為0；補(bǔ)償殘差2：用于對(duì)熱誤差補(bǔ)償量的修改(用于修改補(bǔ)償常量)，由用戶通過(guò)測(cè)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(xiě)到對(duì)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(kāi)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(cè)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(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了熱誤差對(duì)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(duì)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?duì)機(jī)床精度的干涉都會(huì)有所不同，未來(lái)將通過(guò)大量的測(cè)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。

[1]楊建國(guó).智能型數(shù)控機(jī)床多誤差動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng),2017(2):112-114.

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