精密加工中心主轴温度补偿技术的研究
对影响机床加工精度的原因进行的分析表明，由机床温度变化引起的热变形造成的热误差，以及由机床切削力引起力变形造成的切削力误差，是影响机床加工精度的主要原因。其中，机床主轴温度形变占所有形变的40%～70%。对于这些原因引起的误差，仅通过对机床结构进行优化设计来提高机床精度，通常比较困难。因此，在当前及今后很长的时间内，提高机床精度的一个重要手段是：增加少量检测零件，以及在机床数控系统中编制相应的补偿功能模块。特别是机床误差补偿技术，可以在增加少量成本的情况下，有效提高数控机床的加工精度。正因如此，目前，“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项已将该技术纳入研究课题之中。
作为“精密立、卧式加工中心研发”课题的一个子课题，“机床热变形及其补偿技术”课题的主要任务就是研究主轴温度补偿技术，并将研究成果用于“千台国产可靠性提升工程”课题中，以对其进行进一步的完善。
本课题开发的基于数控系统的软件补偿功能模块，其控制方式为半闭环前馈控制，补偿原理是：利用系统的PLC程序计算出补偿值，用以控制Z轴运动（在此仅以Z轴为例，可扩展于其他轴），从而保证刀具和主轴的相对位置准确。
补偿功能模块采用半闭环前馈补偿的控制方式，其原理如图1所示。在加工过程中，利用热电偶检测到的机床主轴和环境温度变量，通过A/D转换模块获得温度值，再通过数学模型计算出预测误差，对外部机械原点进行偏移，从而修正加工误差。采用半闭环前馈补偿方式时，选择正确、合理的变量以及建立高精度的模型，是实现实时高精度误差补偿的关键。
图1 半闭环前馈控制原理图
热误差补偿功能模块的补偿原理如图2所示，其工作过程和功能是：首先，通过布置在机床主轴、床身上的温度传感器，实时采集主轴处的温度信号及位于床身上的温度信号，经热电转换器处理后，把转换后的电信号送入数控系统，数控系统根据预先建立的热误差数学模型，结合实时采集的主轴、床身（环境）的温度值，送入CNC系统，运算出补偿值。然后，系统将补偿值送入CNC控制器，利用CNC系统外部机械原点偏移的动能模块，进行外部机械原点的偏移，实现补偿。
图2 系统内部模块温度补偿控制原理图
图2中的位移传感器用于在空切削过程中检测数控机床主轴的热误差偏移，即数控机床由于热变形引起的主轴相对于刀具的位移，根据主轴的热误差位移数据和相对应的主轴、床身温度数据，确定主轴热误差模型参数。在实际加工过程中，并不需要使用位移传感器，即“离线测量”。
主轴温度补偿系统的流程框图如图3所示。第一步，读入初始温度、补偿开关和Z补偿倍率等，即初始化温度补偿程序；第二步，实时采集主轴、床身的温度信号；第三步，根据系统PLC表达的数学模型，计算热误差位移值，即获得误差补偿量；第四步，将补偿值发送给CNC控制器，使机械外部原点发生偏移，实现补偿。初次循环完成后，程序再返回到第二步继续执行，进入第二次循环。如此循环往复，不断地对加工中心主轴的热误差进行实时计算和实时补偿。nextpage
图3 热误差补偿控制系统软件流程框图
在补偿过程中，PLC运算得到的补偿值被输入CNC控制器后，对预先输入控制器中的数控加工程序中的外部机械原点按补偿值进行偏移，从而使误差获得补偿。当机床开机时，即开启了温度误差补偿线程，温度实时补偿，每隔2min便读取一次温度(可以通过读数周期参数来实现补偿周期的调整)。根据读取的温度值，通过PLC运算，算出热误差值，使外部机械原点发生偏移，从而实现热误差的在线实时补偿。其中，PLC中主轴温度补偿用于机械原点偏移的梯图程序如图4所示。
图4 外部机械原点偏移梯形图
总之，本课题设计了集成于FANUC数控系统中的热误差补偿软件系统，并进行了热误差补偿系统的原理和程序设计。通过将热误差补偿软件系统应用在立卧式加工中心上，掌握了该技术的核心，可加以推广应用，从而为该技术的进一步完善及广泛应用奠定了良好的基础。
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