楊祥、葉琦、周丹、陳娜
(武漢華中數(shù)控股份有限公司，湖北 武漢 430023)
摘要：
華中8型是武漢華中數(shù)控股份有限公司開(kāi)發(fā)的總線式數(shù)控系統(tǒng)，它基于具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的NCUC工業(yè)總線技術(shù)上，采用模塊化、開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)的高可靠性設(shè)計(jì)，具有高速高精、多軸多通道、車銑復(fù)合控制、云數(shù)控、五軸加工等控制功能，具有極高的性價(jià)比。本文主要介紹了華中8型數(shù)控系統(tǒng)熱誤差補(bǔ)償功能在數(shù)控銑床上的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：數(shù)控系統(tǒng)、模塊化、熱變形、熱誤差補(bǔ)償
Abstract：
HNC-8 is a field-bus numerical control system developed by Wuhan Huazhong Numerical Control Co.Ltd. It is based on NCUC industrial bus technology with independent intellectual property rights, uses the high reliability design with modularization and open architecture, and is characterised as high cost-performance ratio with the control function of high-speed and high precision, multi-axes and multi-channels, turning-milling compound, cloud service of NC, 5-axis machining etc. This paper mainly introduces the application of thermal error compensation function of HNC-8 in CNC milling machine.
Keywords: numerical control system, modularization, thermal deformation, thermal error compensation
引言：
機(jī)床在加工過(guò)程中由于電氣發(fā)熱和運(yùn)轉(zhuǎn)部件的摩擦發(fā)熱引起的局部結(jié)構(gòu)變形，導(dǎo)致機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的位置偏差即是機(jī)床的熱誤差。減小熱誤差的方法有溫度控制、熱穩(wěn)定性和熱誤差補(bǔ)償三種，前兩種受限于熱傳導(dǎo)的滯后性和機(jī)床結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性實(shí)現(xiàn)成本較高。而熱誤差補(bǔ)償則不需要改變機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用補(bǔ)償控制器加上軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)抵消機(jī)床自身產(chǎn)生的熱變形誤差，結(jié)合機(jī)床的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)，采用華中數(shù)控HNC-818B/M總線式數(shù)控系統(tǒng)，在機(jī)床各進(jìn)給軸軸承座、螺母座及主軸軸承座位置安裝溫度傳感器，檢測(cè)機(jī)床溫度變化和熱變形量間的相關(guān)性，建立熱誤差補(bǔ)償模型，設(shè)置的熱誤差補(bǔ)償參數(shù)對(duì)機(jī)床的熱變形誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。
實(shí)現(xiàn)方法：
使用紅外熱像儀及激光干涉儀對(duì)機(jī)床的溫度場(chǎng)和定位精度進(jìn)行同步采集，分析并驗(yàn)證關(guān)聯(lián)因素，找到合理的溫度傳感器布點(diǎn)位置，如下圖所示：
主軸電機(jī)、進(jìn)給軸電機(jī)、聯(lián)軸器和絲桿螺母的溫度變化劇烈，與傳動(dòng)部件的定位、結(jié)構(gòu)件的變形關(guān)聯(lián)性不高。通過(guò)采樣數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的采荷軸承座附近的溫度變化和機(jī)械變形曲線非常接近。
所以在主軸外殼靠近主軸軸承部分安裝主軸溫度傳感器；在每個(gè)進(jìn)給軸電機(jī)端的絲桿軸承座中部安裝絲桿溫度傳感器；在機(jī)床立柱底座附近安裝 環(huán)境溫度傳感器。溫度傳感器可選擇市面上常用的Pt100鉑電阻傳感器。安裝位置如下所示：
通過(guò)華中數(shù)控開(kāi)發(fā)的HIO-1075溫度采集板卡對(duì)各點(diǎn)的Pt100進(jìn)行溫度采樣，溫度采集電路的連接及調(diào)試如下：
注意：溫度傳感器是高精度溫敏電阻，建議使用精度等級(jí)高于A級(jí)（誤差≤±0.15℃）的Pt100溫度傳感器，導(dǎo)線選用三線式鍍銀特氟龍導(dǎo)線，避免兩線溫度傳感器的線上電阻累計(jì)到電路中影響采樣精度。
在安裝有8型數(shù)控系統(tǒng)的加工中心上，將安裝有溫度傳感器的溫度采集板插入I/O盒中，配置設(shè)備后可在系統(tǒng)【診斷】界面下看到傳感器的數(shù)字信號(hào)，系統(tǒng)在原有的4組輸入信號(hào)后又識(shí)別出了6組信號(hào)，X4.0~X5.7為第一個(gè)傳感器的數(shù)字信號(hào)，X6.0~X7.7為第二個(gè)，以此類推。
在PLC中增加相應(yīng)個(gè)數(shù)的熱誤差補(bǔ)償模塊“TEMPSEN”，如下所示：
該模塊有4組參數(shù)：
主軸熱變形補(bǔ)償示例：（參數(shù)設(shè)置以Z向誤差為例）
機(jī)床開(kāi)機(jī)后首先將3D自動(dòng)對(duì)刀儀架設(shè)在機(jī)床上，自動(dòng)標(biāo)定標(biāo)刀記錄坐標(biāo)值，使標(biāo)刀離開(kāi)對(duì)刀儀旋轉(zhuǎn)主軸預(yù)熱到測(cè)量溫度，停止主軸再次對(duì)刀并記錄坐標(biāo)值，測(cè)量方法和誤差如下圖所示：
Z向誤差補(bǔ)償參數(shù)的設(shè)置如下：
進(jìn)給軸熱誤差補(bǔ)償示例：
以X軸為例，首先將激光干涉儀架設(shè)在機(jī)床X軸向上，測(cè)量機(jī)床開(kāi)機(jī)后的螺距誤差并同時(shí)記錄每條誤差線對(duì)應(yīng)的絲桿傳感器溫度。
根據(jù)采樣數(shù)據(jù)計(jì)算出相對(duì)溫升每米長(zhǎng)度的熱膨脹誤差，將其填入誤差表中。
參數(shù)設(shè)置：
以上補(bǔ)償值是按鋼鐵材料的膨脹系數(shù)填寫的，若機(jī)床實(shí)際的熱膨脹量有差異時(shí)，可根據(jù)測(cè)量誤差自行調(diào)整。
注意：
1，鐵/鋼材料的熱膨脹系數(shù)為11.7ppm/°C，即：材料溫度每升高1℃，1000mm的材料沿長(zhǎng)度方向膨脹11.7um。
2，系統(tǒng)誤差值為按照常見(jiàn)的物體熱膨脹系數(shù)定義的，所以要將被測(cè)點(diǎn)的誤差量折算到相對(duì)熱膨脹零點(diǎn)1米處的誤差。
結(jié)論：
針對(duì)溫度檢測(cè)設(shè)計(jì)出的溫度采集擴(kuò)展卡已經(jīng)成功集成于我公司自主開(kāi)發(fā)的華中8型數(shù)控系統(tǒng)中，并且在華中8型數(shù)控系統(tǒng)中嵌入熱偏置補(bǔ)償和熱斜率補(bǔ)償模塊。
通過(guò)溫度采集卡系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)床各部件溫度變化，利用熱誤差補(bǔ)償模塊根據(jù)溫度變化實(shí)時(shí)補(bǔ)償傳動(dòng)部件和結(jié)構(gòu)件的熱變形誤差。
用戶案例：
某機(jī)械公司是一家具有20多年機(jī)械設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、制造、銷售、服務(wù)為一體的生產(chǎn)廠家。它的主要產(chǎn)品是高精度減速機(jī)，其中核心部件是凸輪圓柱蝸桿和銷軸共軛，它們需要非常高的加工精度，而一般的機(jī)床很難達(dá)到其加工要求，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)機(jī)床的加工精度與運(yùn)行時(shí)間和環(huán)境溫度有較大關(guān)系。
在車間中挑選了一臺(tái)加工凸輪圓柱蝸桿的XK716B的四軸立式加工中心上增加了溫度補(bǔ)償模塊，使得X軸單項(xiàng)重復(fù)精度達(dá)到2.6um，定位精度達(dá)到8.1um；Y軸單項(xiàng)重復(fù)精度0.7um，定位精度達(dá)到5.5um。X軸、Y軸補(bǔ)償前后精度對(duì)比，如下表所示：
熱誤差補(bǔ)償功能得到該用戶的認(rèn)可。該功能還應(yīng)用在多臺(tái)數(shù)控銑床和數(shù)控磨床上。經(jīng)過(guò)加工測(cè)試，應(yīng)用該功能后機(jī)床的加工精度得到明顯提高。
