高速钻攻中心Z轴热变形的在线测量与补偿技术*

谭慧玲，刘国安，杨 祥，王 旭

(1.华中科技大学 机械科学与工程学院，武汉 430081；2.武汉华中数控股份有限公司，武汉 430081)

高速钻攻中心Z轴热变形的在线测量与补偿技术*

谭慧玲1，刘国安1，杨 祥2，王 旭2

(1.华中科技大学 机械科学与工程学院，武汉 430081；2.武汉华中数控股份有限公司，武汉 430081)

在高速钻攻中心的3C产品加工过程中，机床体积小数量多，生产节奏快，热变形量大，因此一种快速测量热变形的方法显得尤为重要。针对此问题，文章提出了一种Z轴热变形的在线测量与补偿技术，首先利用对刀仪来测量Z轴的热变形量，然后通过分段线性拟合的方法建立了一种热误差补偿模型，最后验证了该模型的补偿效果。结果表明，在相同测量精度的情况下，该方法的测量时间缩短到2h，大大提高了热变形的测量速度。将该技术运用到小型数控机床的热误差补偿中，加工精度能够满足生产要求。

对刀仪；在线测量；热误差补偿

0 引言

近年来，高速加工技术得到了长足发展，采用高速加工技术的钻攻中心已广泛应用于3C产品的金切加工。高速加工虽然提高了加工效率，但使得小型钻攻中心的热变形问题十分突出[1-4]。对于情况较严重的机床，Z轴方向的热误差达到0.1mm，已超出机床加工精度最低等级，导致零件报废。

在热误差的研究中，国内外的学者将主要精力集中在研究传感器的布置问题上，采用优化算法选择出测量机床变形的最少最优的温度敏感点，然后计算温升，建立热变形数学模型，算出热误差值进行补偿[5-6]。而在热变形的测量中，激光干涉仪具有量程大、精度高等优点[7]，但是它价格昂贵，操作复杂，需要专门的技术人员，一台机床的测试时间一般在6h以上，对于布置了几百台高速钻攻中心的车间来说，是一项耗时繁重的工作。

为了解决以上问题，本文提出了一种Z轴热变形的在线测量与补偿技术，以型号为TD500A的高速钻攻中心为例，利用对刀仪方便快捷地测出热变形量，然后通过分段线性拟合的方式建立热误差补偿模型，并在数控系统中实现热误差补偿功能。

1 热误差补偿模型

小型机床其结构的小型化，使得它的热敏感性较强，关键零部件的热变形也较大。需要对数控机床的热变形进行测量，以建立热误差补偿的数学模型，然后通过数控系统对其进行补偿。图1所示为机床在X、Z两个方向的热变形示意图。

图1 丝杆与主轴热变形示意图

数控机床Z轴的主要部件是滚珠丝杆螺母。通过滚珠丝杆螺母，伺服电机把旋转运动转换成Z方向的直线运动。滚珠与丝杆之间的摩擦会使丝杆的温度升高，长度增加[8-9]。

丝杆属于细长型零件，这类零件的热变形计算公式为：

ΔL=αLΔΤ=αL(Τ-Τ0)

(1)

式中，ΔL是零件温度为t时的热变形，L为零件温度为t0时的尺寸，ΔT为温度差，α为丝杆的线膨胀系数。

从图2可以看出，在满足一定精度要求的前提下热误差曲线可以用一条直线代替，通过设定该直线的斜率值和偏置值能够近似描述机床主轴与进给轴的热误差。进给轴热误差斜率值描述了进给轴热误差在各指令位置处的变化趋势，因此被称为“位置相关型热误差补偿”。

图2 Z轴热误差曲线(温度T时)

Z轴热误差补偿即属于此类，它的热误差补偿数学模型为：

Dz=-(K0(T)+(P(z)-P0)×tanβ(T))

(2)

各参数含义如下：

Dz：Z轴指令坐标补偿值；

K0(T)：Z轴热误差偏置值(即Z轴坐标零点的基准热误差)；

P(z)：Z轴当前指令位置坐标；

P0：Z轴补偿参考点坐标；

tanβ(T)：Z轴热误差斜率值。

2 热变形的在线测量

本文设计了一种使用对刀仪对高速钻攻中心Z轴热变形进行在线测量的方法。对刀仪是一种测量刀具长度的仪器，它具有价格便宜、操作方便、测量时间短、不需要停机等特点；它的测量精度为5μm，能够满足高速钻攻中心的测量需求[10]。对刀仪(图3)的工作原理：对刀仪安装在机床工作台上，在测刀接触对刀仪测头时，对刀仪会发送无线电信号；接收器接收信号并把信号传递给数控系统，数控系统PLC把此时的机床坐标系存入系统宏变量，供用户采集。在采集丝杆热变形时，只需用同一把测刀在不同温度下进行测量，后续测量值减去起始测量值即为丝杆的热变形。

图3 对刀仪的安装

实验方式为连续运行一段加工程序，在该加工程序中，禁止主轴转动(防止主轴热变形影响Z轴丝杆热变形的测量)，只有X、Y、Z轴在运动，每隔一段时间数控系统控制机床进行对刀动作。程序运行过程中，使用华中数控采样软件SSTT对整个实验过程的数据进行采集，主要采集Z轴的位置和Z轴丝杆的温度。

连续测量对刀时的Z轴机床实际坐标即可计算出Z轴丝杆在不同时间点的热变形量，机床的运动使Z轴丝杆的温度逐渐升高，从而可得出Z轴丝杆热变形与相对温度的关系。

在2h的实验中，Z轴丝杆温度测点的温度上升了16℃，相对温度的变化曲线如图4所示。Z轴丝杆变形量达到了0.15mm，Z轴丝杆变形量的变化曲线如图5所示。

图4 相对温度随时间的变化

图5 Z轴丝杆变形量随时间的变化

在测量的整个过程中，用华中数控采样软件SSTT采集数据，不需要专门的技术人员操作机床，不需要安装多个温度传感器，安装对刀仪操作简单，测量时间缩短至2h，实验结束后，计算Z轴热变形量也很方便迅速。测量的温度变化和Z轴热变形量用于下一节的热误差补偿模型的建立。

3 热误差补偿模型的建立

由公式(1)建立了丝杆变形量与丝杆相对温度的线性数学模型。根据采集的丝杆变形量与相对温度，绘制丝杆变形量与相对温度的变化曲线(图6)。从图中可以看出，在整个实验过程中，丝杆变形量与相对温度不存在线性关系，但是相对温度在[0℃,8℃]时，呈现比较好的线性关系(图7)，[8℃,16℃]时，具有近似的线性关系(图8)。存在这种情况的原因是当丝杆温度较高时，出现膨胀零点漂移现象[4]。

图6 丝杆变形量随相对温度的变化

根据丝杆的变形特点，我们可以使用两段直线对该曲线进行分段最小二乘法拟合。

(1)相对温度在[0℃,8℃]时，此时丝杆未出现膨胀零点漂移现象，故设膨胀零点的机床实际坐标为Z0。

最小二乘法的拟合模型为：

ΔL=0.0155×ΔT+0.004=0.0155×(T-T0)+0.004

那么位置Z=Lz的热变形为：

(3)

图7 相对温度在[0℃,8℃]时，丝杆热变形的变化曲线

(2)相对温度在[8℃,16℃]时，该段曲线出现膨胀零点漂移现象，使得热伸长曲线不遵循线性特性，但是在误差允许范围内，可以使用线性模型对其进行拟合。所以还是按照膨胀零点固定进行计算，设此时的膨胀零点为Z0′。

最小二乘法的拟合模型为：

ΔL=0.0026×ΔT+0.1038=0.0026×(T-T0)+0.1038

那么位置Z=Lz的热变形为：

(4)

图8 相对温度在[8℃,16℃]时，丝杆热变形的变化曲线

设计实验程序时需要考虑丝杆能够达到的所有温度，所以在温度较高时出现了膨胀零点漂移现象，但是在实际生产加工中，Z轴的热变形一般只能达到0.1mm，此时还未达到使膨胀零点漂移的温度点，所以可以使用[0℃,8℃]内较好的线性模型来实现数控机床的热误差补偿功能。

结合公式(2)和公式(3)，Z轴补偿参考点坐标P0即为膨胀零点坐标Z0，Z轴当前指令位置坐标P(z)即为公式(2)中的Z，那么可以得到：

其中,Zc为测量点机床实际坐标，T0为机床基础温度，T为Z轴丝杆温度测点温度。

4 补偿效果

广州东莞某机械公司在使用高速钻攻中心进行生产加工时发现，该类机床的加工精度随运行时间和相对温度的增加而降低，零件的次品率和废品率也随之大大增加。为了提高其加工精度，采用本文的方法实现了热误差的快速测量，建立了热误差补偿模型，并利用该机床数控系统的热误差补偿接口，进行了热误差补偿的实验验证。

在开启热误差补偿功能前，从冷机状态到热平衡状态需要2h左右，Z轴丝杆热变形在0.05mm左右,如图9所示。

图9 补偿前，实际加工时丝杆变形量随时间的变化

设置启用热误差补偿功能后，使用加工程序再次进行测试，并采集测试过程中的实际补偿量和剩余变形量，二者相加即为丝杆的实际热变形量。测试效果见图10。

图10 开启温度补偿后的补偿效果

从图中可以看出，从冷机状态到热平衡状态，丝杆的热变形量从原来的0.05mm降到不足0.01mm，该热误差补偿功能补偿了其中的0.04mm，能够满足实际生产加工的精度要求。

5 结论

为提高小型钻攻中心热变形的测量速度，本文提出了一种使用对刀仪对Z轴热变形进行在线测量的方法，比利用激光干涉仪测量热变形量的方法更加方便快捷，时间缩短至2h。将利用该在线测量方法测量出的数据通过分段线性拟合的方式建立了热误差补偿模型，并运用到数控机床中进行补偿。实验验证，丝杆的热变形量从原来的0.05mm降到不足0.01mm，能够满足实际生产加工的精度要求。

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On-lineMeasurementandCompensationMethodofThermalDeformationforHigh-speedDrillingCenter

TAN Hui-ling1，LIU Guo-an1，YANG Xiang2，WANG Xu2

(1. School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technologe, Wuhan 430081, China;2 .Wuhan Huazhong Numerical Control Co.,Ltd. , Wuhan 430081, China)

In the process of the 3C product of the high speed drilling center, the machine is small in size and large in quantity, the production speed is fast, and the thermal deformation is large. So it is very important to measure the thermal deformation quickly .To solve this problem, this paper proposed an on-line measurement and compensation method forZ-axis thermal deformation. Firstly using tool setting gauge to measure theZaxis thermal deformation, and then through the piecewise linear fitting to establish a thermal error compensation model, finally verify the compensation effect of the model. The results show that under the same measurement accuracy, the measurement time is shortened to 2 hours, and the measurement speed of thermal deformation is greatly improved. The technology can be applied to the thermal error compensation of small CNC machine tools, and the processing accuracy can meet the production requirements.

tool setting gauge; on-line measurement; thermal error compensation

TH165;TG659

A

1001-2265(2017)12-0094-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.12.023

2017-02-07；

2017-03-09

武汉市科技计划项目2015010101010014；国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项2016ZX04002008

谭慧玲(1993—),女，湖北荆门人，华中科技大学硕士研究生，研究方向为数控机床热误差预测和补偿，(E-mail)m201670469@hust.edu.cn。

(编辑李秀敏)