一种数控铣头热误差补偿方法及系统

摘要

本发明公开了一种数控铣头热误差补偿方法及系统，考虑了无误差情况和实际状态下铣头的热误差，并通过建立热误差补偿数学模型，得到了实际加工情况下各误差补偿量；通过将所建立的数学模型导入到热误差补偿系统中，基于温度传感器采集的数据经模/数转换器模块传递到铣头控制系统，分析计算热误差补偿值，进而对铣头实际工作中的热误差进行补偿；通过编写执行程序，经循环加工以满足精度要求，实现了实际条件下的铣头热误差实时补偿和有效控制，有效提高了数控铣头的加工精度。

权利要求

1.一种数控铣头热误差补偿方法，对无误差和实际状态两种不同情况下进行铣头热误差分析，同时建立热误差补偿数学模型，求解铣头综合热误差运动矩阵，并将所建立的数学模型导入热误差补偿系统，编写相关执行程序以实现实际加工中热误差的有效补偿，其特征在于，步骤为：

A、建立铣头受热变形与各分量的联系，基于三角函数关系得出铣头总热变形量为                             (1)式中，铣头热变形量为 ，铣头热变形在z轴上的投影为 ， 为在x轴和y轴所构成的平面上的投影， 和 分别为 在x轴及y轴上的投影；A轴摆动与z轴所形成的夹角为；C轴转动与y轴形成的夹角 ；

B、求解出无误差状态下铣头热误差补偿数学模型为       (2)

C、根据机床运动副误差运动学原理，主轴热偏移和热倾斜误差的齐次变换矩阵为                    (3)其中， 、 、 分别为主轴在XOZ及YOZ两个平面内产生的热倾斜， 、、 分别为x，y，z三个坐标轴方向的热偏移；

D、根据小误差假设，得到实际状态下铣头综合热误差矩阵为                           (4)其中： ， ， 分别代表直驱式数控铣头在x，y，z三个方向的转角误差； ， ，为直驱式数控铣头在x，y，z三个方向的位置误差，将主轴热偏移和热倾斜代入模型中，生成铣头综合热误差运动矩阵和不同方向的热误差补偿分量，铣头热误差补偿数学模型为        (5)

式中：L为刀尖位置处Z向的受热偏移量， 为A轴与XOY平面的距离， 为C轴与XOY平面的距离，A轴转动角为 ，C轴转动角为 ，根据小误差补偿运动， ， ，，通过上式求得铣头各误差补偿量的数学模型如下式所示：         (6)。

2.一种实现权利要求1所述数控铣头热误差补偿方法的热误差补偿系统，其特征在于，包括：直驱式数控铣头、模型编辑键入模块、输出接口、终端、温度传感器节点、中间节点、模/数转换器模块、直驱式数控铣头控制系统、热误差补偿数学模型、数控系统、编程器、显示模块，其中：选取直驱式数控铣头上C轴电机转子测点、A轴电机转子测点、铣头轴承测点、铣头壳体测点四个关键位置的测温点布置温度传感器探头，温度传感器获取各测点的温度信号并输送至中心节点，中心节点将温度信号转换为电压信号并放大，模/数转换器将模拟信号转换为数字信息，并将其输入至直驱式数控铣头控制系统，直驱式数控铣头控制系统根据实际加工条件分析热误差补偿的数学模型，计算出热补偿量，实现铣头加工过程中产生的热误差的控制和补偿，提高了直驱式数控铣头的加工精度。

说明书

一种数控铣头热误差补偿方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种数控铣头的热误差分析领域，特别地涉及一种数控铣头热误差补偿方法及系统。

背景技术

[0002] 随着数控机床加工技术的不断精密化，直驱式数控铣头技术的快速发展，这对机械加工精度和可靠性提出了更高的要求。误差是评价机床精度的主要指标，其中数控机床
几何误差和由温度引起的热误差两者约占机床总误差的50％以上，有效控制热误差对提高
数控铣头加工精度来说至关重要。目前关于铣头的误差分析与补偿主要是针对几何误差，
由于几何误差相对稳定，易于进行误差补偿，因此只有少数对铣头自身的热误差进行分析
及补偿研究，并且对于数控铣头热误差建模与补偿的方法尚未成熟。

发明内容

[0003] 本发明目的在于克服上述现有技术中的不足，提供了一种数控铣头热误差补偿方法及系统，考虑了无误差情况下和实际状态下铣头的热误差并建立了热误差补偿数学模
型，将所建立的数学模型导入热误差补偿控制系统，基于温度传感器采集的数据经模数转
换器模块传递到控制系统，进行分析计算热补偿值，对铣头实际工作中的热误差进行补偿，
编写了执行程序，经循环加工以满足精度要求，实现铣头的热误差实时补偿。

[0004] 本发明通过下述技术方案实现技术目标。

[0005] 本发明提供一种数控铣头热误差补偿方法及系统，由于铣头受热源影响，内部温度分布发生改变，在实际状态下刀具与工件间的定位偏差造成机床加工精度降低，进而导
致加工产品不达标。这种偏差可通过建立热误差补偿的数学模型表示，在无误差情况下，忽
略机床坐标的变化及主轴热变形，求解铣头受热变形与各分量的联系，针对热误差补偿进
行建模。基于温度传感器采集的数据信号，转换传递到控制系统中分析计算热补偿值。同
时，通过编写加工程序，实现对铣头实际加工过程中的热误差实时补偿。

[0006] 所述的热误差补偿数学模型区别于传统方法对几何误差进行误差补偿，由于铣头内部结构紧凑，其工作原理与机床主轴箱相似，因此考虑数控铣头自身热误差的角度，以机
床热误差补偿为参考，对铣头的热误差进行分析和有效补偿。

[0007] 本发明涉及一种实现上述方法的热误差补偿系统，具体包括：直驱式数控铣头、模型编辑键入模块、输出接口、终端、温度传感器节点、中间节点、模/数转换器模块、热误差补
偿数学模型、直驱式铣头控制系统、数控系统、编程器、显示模块。通过选取所述直驱式数控
铣头关键位置的测温点布置温度传感器，所述温度传感器获取各测点的温度信号，所述温
度信号输送至中间节点。

[0008] 具体的，所述中间节点将温度信号转换为电压信号并放大。通过所述模数转换器模块将模拟信号转换为数字信息，并将其输入至直驱式数控铣头控制系统，所述直驱式数
控铣头控制器根据实际加工条件分析热误差补偿的数学模型，计算出最终的热补偿误差，
实现对铣头加工过程中产生的热误差的控制和补偿。

[0009] 进一步的，所述热误差补偿数学模型的分析结果以所述显示模块显示出来。

[0010] 具体的，所述温度传感器布置，优选地选取关键位置四个测温点，分别为C轴电机转子测点、A轴电机转子测点、铣头轴承测点、铣头壳体测点。

[0011] 本发明与现有技术相比，具有以下积极效果：

[0012] 1、通过本发明，建立了考虑铣头分别在无误差和实际状态下的热误差补偿模型，反映铣头当前误差的分布，有效为直驱式数控铣头的热误差补偿值求解提供基础，使系统
有较高的精度。

[0013] 2、本发明建立的热误差补偿系统，有效实现对铣头加工过程中产生的热误差的控制和实时补偿，提高了直驱式数控铣头的加工精度。

附图说明

[0014] 图1为本发明热误差补偿系统结构示意图；

[0015] 图2为主轴轴向定位偏差图；

[0016] 图3为主轴热偏移图；

[0017] 图4为主轴热倾斜图；

[0018] 图5为本发明直驱式数控铣头坐标系图；

[0019] 图6为本发明铣头热误差补偿执行程序图；

[0020] 其中，1‑模型编辑键入模块、2‑热误差补偿数学模型、3‑数控系统、4‑编程器、5‑模/数转换器模块、6‑直驱式数控铣头、7‑温度传感器节点、8‑中间节点、9‑直驱式数控铣头
控制系统、10‑输出接口、11‑终端、12‑显示模块。

具体实施方式

[0021] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0022] 本发明的目的是提供一种数控铣头热误差补偿方法及系统，以解决上述现有技术存在的问题，使得铣头加工过程中产生的热误差实现有效控制和补偿，提高数控铣头的加
工精度。

[0023] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0024] 在实际工作中，由于受热源影响，铣头内部的温度分布发生改变，引起零件受热产生变形，进而导致定位不准确，从而产生误差称为热误差，造成了刀具与工件间出现定位偏
差。在无误差情况下，忽略机床坐标的变化及主轴热变形，求解铣头受热变形与各分量的联
系，针对热误差补偿进行建模，具体步骤如下：

[0025] 如图2所示为某一稳态温度场下铣头所处的位置，并不仅限于此位置，可以是任意位置，设此时铣头产生的热变形量为δ，设铣头热变形在z轴上的投影为δz，在x轴和y轴所构
成的平面上的投影为δxoy，δxoy在x轴及y轴上的投影分别为δx和δy；A轴摆动与z轴所形成的
夹角为ω；C轴转动与y轴形成的夹角ξ。基于三角函数关系，求解铣头总热变形量为δ情况下
的各变形分量，如下式所示：

[0026]

[0027] 由图2及上式可求解出无误差状态下铣头热误差补偿数学模型如下式所示：

[0028]

[0029] 通过结合实施例，附图3～5所示的一种数控铣头热误差补偿方法及系统，具体包括以下步骤：

[0030] (1)建立铣头坐标系。

[0031] 设刀尖处为原点O，如图3所示，设x，y，z三个坐标轴方向的热偏移分别为：ωxo(t)、ωyo(t)、ωzo(t)；如图4所示，设主轴在XOZ及YOZ两个平面内产生的热倾斜分别为σxo(t)、σyo
(t)、σzo(t)；设A/C轴沿x，y，z三个坐标轴方向的热偏移分别为：ωxa(t)、ωya(t)、ωza(t)、
ωxc(t)、ωyc(t)、ωzc(t)；设x，y，z向生成传动副的俯仰误差、偏摆误差、滚转误差分别为:
σx(λ)、σy(λ)、σz(λ),λ＝(x,y,z)；设x，y，z产生的热偏移分别为：Wxx0(t)、Wyx0(t)、ωzx0(t)、
ωxy0(t)、ωyy0(t)、ωzy0(t)、ωxz0(t)、ωyz0(t)、ωzz0(t)。式中t代表受热变形过程与温度相
关的变量，首位下角标第一个字母为误差方向，第二个字母表示名义上的运动方向，0表示
零点偏移。

[0032] (2)根据机床运动副误差运动学原理，利用小误差假设可建立铣头的热误差补偿数学模型。

[0033] 主轴热偏移和热倾斜误差的齐次变换矩阵如下式所示：

[0034]

[0035] 当A轴转动角为α时，其坐标变换矩阵如下式所示：

[0036]

[0037] 当C轴转动角为β时，其坐标变换矩阵如下式所示：

[0038]

[0039] 式中，d1、d2分别为C轴坐标和A轴坐标到坐标系原点O的距离，具体如图5所示。其T T
中，ωλa＝[ωxa(t),ωya(t),ωza(t)]，ωλc＝[ωxc(t),ωyc(t),ωzc(t)]。

[0040] 当x轴受热偏移υ时，其齐次变换矩阵如下式所示：

[0041]

[0042] 当y轴受热偏移κ时，其齐次变换矩阵如下式所示：

[0043]

[0044] 当z轴传动副热变形量为γ时，其齐次变换矩阵为：

[0045]

[0046] 主轴相对于C轴的齐次变换矩阵为

[0047]

[0048] 设铣头刀尖处坐标系为f，相对于主轴坐标系s的变换矩阵如下式所示：

[0049]

[0050] 式中：L为刀尖位置处Z向的受热偏移量。

[0051] 由式(3)～(9)可建立铣头在实际状态下热误差补偿模型如下式所示：

[0052] E＝P'·Pα·Pβ·Pυ·Pκ·Pγ·Hs·Hf   (10)

[0053] 根据小误差假设，求解铣头综合热误差矩阵为

[0054]

[0055] 式中：θx，θy，θz分别代表直驱式数控铣头在x，y，z三个方向的转角误差；Wx，Wy，Wz为直驱式数控铣头在x，y，z三个方向的位置误差。

[0056] 根据小误差补偿运动，θx＝‑τx，θy＝‑τy，θz＝‑τz，求解铣头热误差补偿数学模型为

[0057]

[0058] 通过上式求得铣头各误差补偿量的数学模型如下式所示：

[0059]

[0060] (3)建立热误差补偿系统。

[0061] 如图1所示，为本实施例涉及一种数控铣头热误差补偿方法及系统，包括：直驱式数控铣头、中间节点、模/数转换器模块、数控系统、热误差补偿数学模型、直驱式数控铣头
控制系统、输出接口、终端、模型编辑键入模块、编辑器、温度传感器节点、显示模块。

[0062] 一种数控铣头热误差补偿方法及系统的工作流程是：

[0063] 所述热误差补偿数学模型2导入直驱式数控铣头控制系统中，将温度传感器节点7布置在铣头关键位置的四个测温点，其中测温点分别布置在C轴电机转子测点、A轴电机转
子测点、铣头轴承测点、铣头壳体测点处，温度数据通过所述温度传感器节点7的初步处理
和温度信号的暂存，并将温度信号输送至中心节点8，所述中心节点8将多个温度测点的温
度数据进行收集后转换为电压信号并放大，所述模/数转换器5将模拟信号转换为数字信
号，并将其输入至直驱式铣头控制系统9，所述直驱式铣头控制系统9根据模型编辑键入模
块1输入的实际加工条件分析热误差补偿数学模型2，计算出热补偿值，并通过输出接口10
和终端11显示出来，最终实现对铣头加工过程中产生的热误差的控制和补偿。

[0064] 所述编程器4以温度传感器采集的温度数据结果为标准进行实时热补偿，将加工中心M80热误差补偿代码程序输入进数控系统3中，通过温度传感器的测温结果判断直驱式
数控铣头6是否需要热误差补偿，若需要进行热误差补偿，系统自动执行热误差补偿程序，
热补偿之后通过软件再次对加工精度进行反馈，若不满足实际生产精度需要则自动循环加
工，直到工件满足精度要求，具体执行程序流程如图6所示。

[0065] 本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依
据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容
不应理解为对本发明的限制。