楊祥、葉琦、周丹、陳娜
(武漢華中數控股份有限公司，湖北 武漢 430023)
摘要：
華中8型是武漢華中數控股份有限公司開發(fā)的總線式數控系統(tǒng)，它基于具有完全自主知識產權的NCUC工業(yè)總線技術上，采用模塊化、開放式體系結構的高可靠性設計，具有高速高精、多軸多通道、車銑復合控制、云數控、五軸加工等控制功能，具有極高的性價比。本文主要介紹了華中8型數控系統(tǒng)熱誤差補償功能在數控銑床上的應用。
關鍵詞：數控系統(tǒng)、模塊化、熱變形、熱誤差補償
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：
機床在加工過程中由于電氣發(fā)熱和運轉部件的摩擦發(fā)熱引起的局部結構變形，導致機床執(zhí)行機構產生的位置偏差即是機床的熱誤差。減小熱誤差的方法有溫度控制、熱穩(wěn)定性和熱誤差補償三種，前兩種受限于熱傳導的滯后性和機床結構的復雜性實現成本較高。而熱誤差補償則不需要改變機床結構設計，采用補償控制器加上軟件編程來實現抵消機床自身產生的熱變形誤差，結合機床的結構和技術特點，采用華中數控HNC-818B/M總線式數控系統(tǒng)，在機床各進給軸軸承座、螺母座及主軸軸承座位置安裝溫度傳感器，檢測機床溫度變化和熱變形量間的相關性，建立熱誤差補償模型，設置的熱誤差補償參數對機床的熱變形誤差進行實時補償。
實現方法：
使用紅外熱像儀及激光干涉儀對機床的溫度場和定位精度進行同步采集，分析并驗證關聯因素，找到合理的溫度傳感器布點位置，如下圖所示：
主軸電機、進給軸電機、聯軸器和絲桿螺母的溫度變化劇烈，與傳動部件的定位、結構件的變形關聯性不高。通過采樣數據分析發(fā)現傳動機構的采荷軸承座附近的溫度變化和機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；在每個進給軸電機端的絲桿軸承座中部安裝絲桿溫度傳感器；在機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：
通過華中數控開發(fā)的HIO-1075溫度采集板卡對各點的Pt100進行溫度采樣，溫度采集電路的連接及調試如下：
注意：溫度傳感器是高精度溫敏電阻，建議使用精度等級高于A級（誤差≤±0.15℃）的Pt100溫度傳感器，導線選用三線式鍍銀特氟龍導線，避免兩線溫度傳感器的線上電阻累計到電路中影響采樣精度。
在安裝有8型數控系統(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，配置設備后可在系統(tǒng)【診斷】界面下看到傳感器的數字信號，系統(tǒng)在原有的4組輸入信號后又識別出了6組信號，X4.0~X5.7為第一個傳感器的數字信號，X6.0~X7.7為第二個，以此類推。
在PLC中增加相應個數的熱誤差補償模塊“TEMPSEN”，如下所示：
該模塊有4組參數：
主軸熱變形補償示例：（參數設置以Z向誤差為例）
機床開機后首先將3D自動對刀儀架設在機床上，自動標定標刀記錄坐標值，使標刀離開對刀儀旋轉主軸預熱到測量溫度，停止主軸再次對刀并記錄坐標值，測量方法和誤差如下圖所示：
Z向誤差補償參數的設置如下：
進給軸熱誤差補償示例：
以X軸為例，首先將激光干涉儀架設在機床X軸向上，測量機床開機后的螺距誤差并同時記錄每條誤差線對應的絲桿傳感器溫度。
根據采樣數據計算出相對溫升每米長度的熱膨脹誤差，將其填入誤差表中。
參數設置：
以上補償值是按鋼鐵材料的膨脹系數填寫的，若機床實際的熱膨脹量有差異時，可根據測量誤差自行調整。
注意：
1，鐵/鋼材料的熱膨脹系數為11.7ppm/°C，即：材料溫度每升高1℃，1000mm的材料沿長度方向膨脹11.7um。
2，系統(tǒng)誤差值為按照常見的物體熱膨脹系數定義的，所以要將被測點的誤差量折算到相對熱膨脹零點1米處的誤差。
結論：
針對溫度檢測設計出的溫度采集擴展卡已經成功集成于我公司自主開發(fā)的華中8型數控系統(tǒng)中，并且在華中8型數控系統(tǒng)中嵌入熱偏置補償和熱斜率補償模塊。
通過溫度采集卡系統(tǒng)能實時監(jiān)測機床各部件溫度變化，利用熱誤差補償模塊根據溫度變化實時補償傳動部件和結構件的熱變形誤差。
用戶案例：
某機械公司是一家具有20多年機械設計、開發(fā)、制造、銷售、服務為一體的生產廠家。它的主要產品是高精度減速機，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，而一般的機床很難達到其加工要求，試驗發(fā)現機床的加工精度與運行時間和環(huán)境溫度有較大關系。
在車間中挑選了一臺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償模塊，使得X軸單項重復精度達到2.6um，定位精度達到8.1um；Y軸單項重復精度0.7um，定位精度達到5.5um。X軸、Y軸補償前后精度對比，如下表所示：
熱誤差補償功能得到該用戶的認可。該功能還應用在多臺數控銑床和數控磨床上。經過加工測試，應用該功能后機床的加工精度得到明顯提高。
