机床热变形误差实时补偿技术(精)

机床热误差产生原因分析及常用补偿办法一、引言在数控机床加工中，机床的稳定性和精度是直接影响加工质量的重要因素。

而机床的热误差是影响机床加工精度的主要因素之一。

本文将分析机床热误差产生的原因，并探讨常用的补偿办法，旨在帮助读者理解和解决机床热误差问题。

二、机床热误差产生原因分析（一）热误差的基本原理机床在加工过程中会受到各种外部环境因素的影响，以及自身零部件因摩擦、压力等衍生出的内部热效应。

这些因素都会导致机床的温度发生变化，从而影响机床的几何尺寸和传动精度，从而产生热误差。

（二）原因一：外部环境的影响机床所处的环境温度、湿度等都会对机床产生影响。

冬季室内温度相对较低，会导致机床传动件温度下降，从而引起机床的几何尺寸发生变化；夏季室内温度相对较高，机床零件温度会上升，进而影响机床的加工精度。

（三）原因二：机床自身结构及零部件的影响机床自身的结构、传动件、润滑系统等都会引起机床的温度变化，从而产生热误差。

机床各部件的热膨胀率不同，使得机床温度的变化导致机床的尺寸和传动精度发生变化；机床的润滑系统也会因温度变化而影响机床的加工精度。

（四）原因三：加工过程本身的热效应三、常用的补偿办法（一）采用温度控制系统采用温度控制系统能够控制机床的温度，从而减小温度对机床的影响。

在机床上安装温度传感器，实时监控机床的温度，并通过控制冷却系统或者加热系统，使机床的温度始终保持在一个稳定的范围内，从而减小机床的热误差。

（二）采用热误差补偿技术热误差补偿技术是一种通过软件或者硬件手段来对机床热误差进行补偿的技术。

通过对机床的温度进行监测，并根据温度变化对机床的坐标进行实时补偿，从而减小热误差对机床加工精度的影响。

（三）改进机床结构及材料改进机床的结构和材料也是减小热误差的重要途径。

采用低热膨胀率的材料来制造机床零部件，或者改进机床的结构，减小零部件的膨胀率，从而减小热误差的产生。

（四）优化加工工艺在加工过程中，通过优化工艺参数，减小加工零部件的摩擦和热效应，也可以减小热误差的产生。

实验研究机床热变形误差实时补偿技术李书和 *a 杨世民张奕群张国雄(天津大学精密仪器与光电子工程学院摘要研究了通过实时补偿热误差提高数控机床加工精度的方法 . 采用一维球列加快和简化了热误差的测量 . 利用多元线性回归方法建立了热误差与温度的数学模型 . 在外部微机的帮助下 , 可在加工过程中实时补偿热误差 . 切削实验表明补偿效果良好 .关键词数控机床 , 热误差 , 补偿分类号 T G 502. 15REAL -TIME COMPENSATION FOR THERMALLY INDUCEDERRORS OF MACHINE TOOLSLi Shuhe Yang Shimin Zhang Yiqun Zhang Guoxiong(Scho ol of P recisio n Inst rument and O pto-electr onics Engineer ing , T ianjin U niv ersit yAbstract T his paper is co ncer ned with enhancing the accuracy o f a machine too l thr ough compen-sating ther mal er ro rs in real time . T he 1-D ball ar r ay is used t o acceler ate and simplify the t hermal err or measurement. T he mo del o f ther mal err or and temper ature field is dev elo ped by multi-v ari-v ant r egr ession analy sis technique.W ith the aid o f an ex ternal PC, t he er ro r can be compensat ed in real tim e. T he cutting test show s that the effect of co mpensatio n is satisfacto ry.Keywords N C machine t oo l , thermal er ro r , err or compensatio n科学技术的发展对数控机床的精度和可靠性提出了越来越高的要求 . 大量研究表明 , 热误差是数控机床最大的误差源 , 占总误差的 40%~70%[1]. 减小热误差可通过三种方法 , 即改进设计、温度控制和误差补偿 . 其中误差补偿是一种方便、经济而有效的方法 [2]. 本文以 JCS-018A 立式型加工中心为对象进行了研究 . 首先通过实验建立热误差与机床上若干点的温升之间的数学模型 , 在加工过程中借助外部微机监测温度 , 根据模型计算热误差 , 利用微机与机床数控系统的通讯技术及机床运动的可控性 , 修改进给量 , 从而实现实时补偿 . 1998年 11月No v. 1998天津大学学报 JOURNAL OF TIANJIN UNIVERSITY 第 31卷第 6期 V o l. 31N o. 6a 本文 1997年 1月 8日收到 . 1997年 5月 7日收到修改稿 .*, ,1测量方法1. 1热误差的测量机床热误差是由于内外热源作用下 , 刀具相对工件产生热位移造成的 . 由于丝杠的热膨胀和立柱的热弯曲 , 热误差不仅取决于温度而且随各轴的位置而变化 . 为了全面快速地测量热误差 , 本文采用了一种一维球列检具 . 一维球列即在一刚度足够的基座上等间隔镗一系列尺寸相同的锥孔 , 在锥孔上粘一系列尺寸相同、球度误差很小的钢球 . 使用在 xy z 三个方向同时瞄准球心的三维测头 , 测量球心的坐标 . 以 z 轴为例说明测量原理 , 如图 1a 所示 , 将一维球列装卡在工作台上 , 调整使其与 z 轴平行 . 将测头固定在主轴箱上 , 在机床未升温状态对各球心坐标进行测量 , 测值作为参考值 . 然后 , 机床以一定方式运转 , 每隔一定时间对各球心坐标测量一次 , 在新状态下的测量值相对参考值的变化反映了机床的热漂移 . 从所测热漂移值可以得到各项热误差.(a 工作台 (b 双测头图 1热误差的测量Fig . 1 Thermal error measurement1 机床坐标系零点的漂移$d (t 1, x 0, y 0, z 0 =[x 0(t i -x 0(0 , y 0(t i -y 0(0 , z 0(t i -z 0(0 ](1 式中 :[x 0(0 , y 0(0 , z 0(0 ]为各球心坐标的参考值 ; [x o (t i , y 0(t i , z 0(t i ]为第 t i 时刻各球心坐标的测量值 .2 机床各轴单位长度的热膨胀k lx (t i =[x 2(t i -x 1(t i -x 2(0 +x 1(0 ]/lk ly (t i =[y 2(t i -y 1(t i -y 2(0 +y 1(0 ]/lk lz (t i =[z 2(t i -z 1(t i -z 2(0 +z 1(0 ]/l(2 3 立柱的倾斜立柱倾斜通过测量两个 Z 平面上坐标值 [x 1(t i , y 1(t i ]和 [x 2(t i , y 2(t i ]来确定 . 立柱在 x 方向的热倾斜 :A x (t i =[x 2(t i -x 1(t i -x 2(0 +x 1(0 ]/l (3・ 811・第 31卷第 6期李书和等 :机床热变形误差实时补偿技术A y (t i =[y 2(t i -y 1(t i -y 2(0 +y 1(0 ]/l4 刀轴的热倾斜刀轴倾斜的测量需要使用双测头 , 如图 1b 所示 . 两个测头之间的距离与一维球列的各球心距相等 , 通过测头 a 、 b 的测量值来确定 .刀轴在 x 方向的热倾斜 :B x (t i =[x b (t i -x a (t i -x b (0 +x a (0 ]/l(4刀轴在 y 方向的热倾斜 :B y (t i =[y b (t i -y a (t i -y b (0 +y a (0 ]/l对上述各误差最大的几项进行补偿就可大幅度提高精度 .1. 2温度的测量根据对热源分布、热量传播、敏感部分等的理论分析和初步实验 , 在床身上比较重要的位置分布 12个热敏电阻 , 测量温度 . 热敏电阻的位置和作用如表 1所示 .表 1热敏电阻的位置和作用Tab . 1 The positions and functions of temperature sensors 热敏电阻T 1T 2, T 11, T 12, T 9T 3, T 7, T 8T 5, T 10T 4T 6位置工作台主轴轴套、主轴箱立柱的上下端 Z 轴滚珠丝杠一维球列检具前后轴承、电机轴承作用参考温度主轴的热变形立柱的热膨胀丝杠的热膨胀检具的热膨胀 1. 3测量策略为辨识机床热特性 , 让机床运行方式接近加工状态 , 在不同的坐标下 , 实验方式有三种 :1 主轴以不同的固定转速转动 ;2 主轴按转速谱转动 ;3 主轴转速模拟实际加工过程 . 2热特性的分析在一典型实验中 (主轴转速 n =800r /min, t =0~210m in; n =0r/m in, t=210~300min 发现 , 主轴前后轴承的磨擦热是机床的最大热源 , 温度变化最为剧烈 , 幅值达 4~5℃ . 而立柱的热容量较大 , 温升比较缓慢 , 在主轴停转后立柱温度仍继续上升 . z 轴滚珠丝杠轴承的温度变化很大 . 主轴箱箱体左右的温度变化不太剧烈 . 床身温度和室温变化缓慢 .在热误差方面 , z 轴零点热漂移最大 , 可达 30L m, x 轴和 y 轴热漂移值较小 , 仅为 5L m . 同时 z 轴热膨胀也最大 , 相对零点 100mm 距离的热膨胀达 3~4L m .分析表明 , 该机床 z 轴热误差最大 . 实际上 z 轴热误差是主轴热膨胀、主轴箱热变形、 z 轴滚珠丝杠热膨胀和立柱热变形等几部分造成的 . 其中丝杠膨胀和立柱的弯曲与 z 轴位置有关 , 如图 2示 .图 3为不同 z 坐标下 (z 1=-50, z 2=-150, z 3=-250, z 4=-350 z 轴热漂移的情况 . 开始阶段几条曲线比较相似 , 随时间的推移而逐渐分离 . 这是由于开始阶段热漂移主要是由与位置无关的主轴热位移造成的 , 变化速度比较快 , 很快达到热平衡 . 此后 , 与位置有关的热・ 812・天津大学学报1998年 11月热漂移的不同.图 2 z 轴热误差的分量图 3不同 z 坐标下的热误差Fig . 2 The components of z -axis Fig . 3 Thermal errors at diff erentthermal error z coordinates3热误差的建模由于 z 轴的热误差最大 , 这里只研究 z 轴热误差的建模 . 图 4和图 5为模型拟合热误差和预测新工作状态下热误差的情况.图 4对一新工作条件下 (800r /m in 图 5对一新工作条件下 (DIN 8602转速谱热误差的拟合情况热误差的预测情况Fig . 4 Fitting result of the thermal error at Fig . 5 Prediction result of the thermal error a new cutting condition (800r /min at a new cutting condition (D IN 8602spectr um3. 1误差合成公式z 轴任一坐标处 z 1的热误差为$z (z 1 =$z (z 0 +k (z 1-z 0 (5 式中 :$z (z 0 为 z 轴零点处的热漂移 ; k 为 z 轴单位长度的热膨胀 . 这里只考虑了这两项最显著的误差 .3. 2多元线性回归模型采用线性回归分析分别建立 z 轴零点热漂移和 z 轴热膨胀与温度的模型 . 模型的形式为 [3]・ 813・第 31卷第 6期李书和等 :机床热变形误差实时补偿技术y d =B 0+B 1x 1+B 2x 2+…… +B m x m +E 式中 :yd 为所要估计的热误差; x 1, … , x m 为机床各测温点的温升值 ; B 0, B 1, … , B m 为模型中的未知参数 ; E 为残余误差 . 模型中的参数用最小二乘法估计 .3. 3热敏感点的选择在建立模型时 , 自变量的选择是一个关键问题 . 如果遗漏了重要的变量 , 回归效果一定不会好 . 自变量过多 , 把对因变量影响不显著的也引入 , 会影响方程的稳定性 , 效果也不会好 . 同时 , 实时监测、计算等的任务量也加大了 . 为从 12个候选温度测点中挑选“ 热敏感点” , 从而建立最优模型 , 采用了逐步线性回归方法 . 回归方程每次选入一个变量 , 每选入一个新的自变量后都重新对构成该方程的每个自变量进行一轮新的偏 F 检验 . 如果发现某个自变量的上述边际贡献不显著 , 不论是前期选入的还是现期选入的 , 都要剔除出回归方程 , 并用剩下的自变量重新拟合回归方程 . 这一过程按上述原则一直进行 , 直到待筛选的全部自变量中根据给定的显著水平没有一个再能被选入或排除出刚构成的回归方程为止 . 这些工作都用大型数学工具软件包 SPSS 来实现 . 最终 , 选出 4个“ 热敏感点” , 即工作台、主轴箱箱体、立柱和主轴轴承 . 由图 4和图 5可见模型拟合热误差和预测一种新工作状态下热误差 , 结果比较准确 .4热误差补偿的执行大多数数控系统不具备热误差实时补偿功能 , 所以要借助于外部微机 . 监测机床上 4个点的温度 , 通过接口板采集机床的坐标位置 , 利用存储在微机中热误差模型计算热误差 . 利用微机与数控 CNC 系统的直接通讯技术 , 将补偿值传送到机床控制器 , 通过改变机床零点的位置来实现实时补偿 .为了验证热误差的补偿效果 , 进行了铣削实验 , 以所铣槽深的变化反映热误差 . JCS -018A 的定位精度为 1L m , 加工的工艺条件为 :主轴转速 1000r /m in , 切削量 0. 1m m , 不使用冷却液 . 在相同的条件下进行了多次实验 . 槽深误差由 7L m 减小到 2L m , 补偿效果达到 70%左右 .5结论研究了 JCS-018A 型加工中心热误差的补偿 . 用一维球列测量机床加工空间内的热误差 , 在机床结构的关键位置上布置热敏电阻测量温度 , 制订了测量策略 , 对机床的热特性进行了分析并利用回归分析确定热误差与 4个敏感点的温度之间的关系 . 通过切削实验 , 验证热误差补偿效果非常明显 .参考文献1 Bryan J. International status of th ermal er ror research. Annals of th e CIRP, 1990; 39(2 :645~6562 Chen J S, Yuan J, Ni J e t al . Real-time com pens ation for time-variant volumetric error on a machining center. ASM E Jour nal of Engineering for Ind ustry ,1993; 114:472~4793, ・ 814・天津大学学报1998年 11月。

机床热误差产生原因分析及常用补偿办法一、引言机床热误差是指机床在工作过程中，由于受到温度变化等因素的影响，导致机床加工精度下降的一种误差。

热误差的存在严重影响了机床的加工精度和稳定性，因此对机床热误差的产生原因进行分析，并采取相应的补偿措施，对提高机床加工精度具有重要意义。

本文将从机床热误差产生原因分析入手，结合常用的补偿办法进行探讨，以期为相关领域的研究工作提供参考。

二、机床热误差产生原因分析1.机床结构热误差机床在工作时，受到来自外界温度的影响，机床各部件的材料性能、机床结构等因素都会随温度的变化产生变形，导致机床加工精度降低。

机床结构热误差是机床热误差中最为常见的一种误差类型，对机床结构进行合理设计和优化，是减少机床结构热误差的重要手段。

2.主轴热误差主轴在工作时由于受到摩擦、热胀冷缩等因素的影响，会产生热变形现象，从而引起主轴的旋转精度下降。

对主轴进行有效的冷却和温度补偿是减少主轴热误差的关键。

3.导轨热误差机床导轨是机床上最为重要的定位元件，其加工精度和稳定性直接影响着机床的加工质量。

而导轨在工作时由于受到温度的变化，会产生热膨胀现象，导致导轨的精度下降。

对导轨进行有效的冷却和温度补偿是减少导轨热误差的关键。

4.传动系统热误差机床传动系统作为机床上最重要的动力传输元件，其受到温度变化的影响程度较重，因此在传动系统设计时需注意传动零件的热膨胀系数和变形规律，以减少传动系统热误差的产生。

5.环境温度变化机床在实际使用中，经常受到环境温度的影响，如温度的升高会导致机床各部件的材料热胀冷缩，从而引起机床的加工精度下降。

控制机床工作环境的温度对减少机床热误差具有重要意义。

三、常用补偿办法1.热环境调节通过对机床工作环境进行温度调节，以降低环境温度的变化对机床产生的影响，减少热误差的产生。

对机床工作间进行隔热处理，也是一种有效的热环境调节手段。

2.温度补偿技术温度补偿技术是利用传感器实时监测机床各部件的温度变化，并通过控制系统对机床进行温度补偿，以减少热误差的产生。

CNC机床加工中的热变形控制与补偿引言CNC（Computer Numerical Control）机床是现代制造业中的重要装备，其高精度和高效率使其在各行各业中得到了广泛应用。

然而，由于材料在加工中受到热力影响导致的热变形对加工质量和精度产生了不可忽视的影响。

因此，在CNC机床加工中，热变形的控制与补偿显得尤为重要。

一、热变形的原因CNC机床加工中的热变形主要源于以下几个方面：1. 主轴驱动引起的热变形：主轴的高速旋转产生摩擦热，使主轴温度升高，进而引起机床各部位的热膨胀，导致热变形；2. 切削加工引起的热变形：切削过程中，刀具与工件之间的摩擦产生的热量会使工件局部温度升高，导致热膨胀和变形；3. 内部应力引起的热变形：材料加工后内部应力的释放也会导致热变形。

二、热变形的影响热变形对CNC机床加工的影响主要表现在以下几个方面：1. 加工精度下降：由于机械结构的热膨胀导致零件定位的改变，使加工精度降低；2. 加工质量下降：热变形使得工件表面产生热裂纹、残余应力等缺陷，影响工件的材料性能和使用寿命；3. 加工效率降低：热变形会导致加工过程中频繁调整机床参数，增加生产时间和成本；4. 刀具磨损加剧：由于热变形使刀具与工件接触面积增大，导致刀具磨损加剧，降低切削效率。

三、热变形的控制为了控制CNC机床加工中的热变形，可以采取以下措施：1. 机床结构设计优化：通过对机床结构进行合理的分析和设计，减少热变形的程度；2. 冷却系统改进：加强冷却系统，通过冷却液对主轴和切削区域进行冷却，有效降低温度；3. 热稳定性材料应用：选择具有较低热膨胀系数和较高热导率的材料，减少热变形的可能性；4. 温度监测与控制：通过安装温度传感器，对机床的温度进行监测，及时进行温度调整；5. 热补偿技术应用：通过在机床控制系统中引入热补偿算法，对机床进行实时的热补偿，减小热变形对加工质量的影响。

四、热变形的补偿热变形的补偿是通过对加工过程中发生的热变形进行修正，以保证加工精度和质量。

机床热误差产生原因分析及常用补偿办法一、引言现代制造业对产品精度的要求越来越高，但是机床在加工过程中会受到温度影响，导致热误差的产生。

如果不对热误差进行有效的补偿，将会直接影响产品的加工质量，甚至导致生产事故。

研究机床热误差的产生原因以及常用的补偿办法对于保障产品加工精度具有重要意义。

二、机床热误差的产生原因分析1.机床结构热变形机床在工作过程中会受到外部环境温度变化的影响，导致机床结构材料的热膨胀或收缩，从而引起机床的尺寸变化。

特别是大型数控机床，在长时间的加工过程中，由于机床结构的温升会导致机床的各个部分产生不同程度的热变形，从而引起热误差的产生。

2.主轴热变形机床的主轴在高速加工过程中会受到较大的摩擦力和热量的影响，导致主轴温升，从而引起主轴的热变形。

主轴的热变形会直接影响到工件的加工精度，甚至导致产品质量不合格。

3.润滑油温度机床在工作过程中需要进行润滑，而润滑油的温度会直接影响到机床各个零部件的温度。

当润滑油温度升高时，会导致机床各个部件的温度升高，从而引起热误差的产生。

4.外部环境温度5.加工热量6.其他因素除了上述因素之外，机床的热误差还受到机床结构设计、机床材料特性、润滑方式、切削参数等多方面的影响。

以上这些因素的综合作用，导致了机床热误差的产生，因此在实际生产中，需要采取相应的措施对热误差进行有效的补偿。

三、机床热误差的常用补偿办法1.温度补偿温度补偿是对机床热误差进行校正的有效方法之一。

通过在机床的各个部件上设置温度传感器，实时监测机床的温度变化，并且通过控制系统对温度进行实时补偿，从而减小了机床的热误差。

2.结构优化通过对机床的结构进行优化设计，例如采用热稳定性好的材料、合理设置机床的冷却系统、优化机床的传热结构等，可以有效减小机床热误差的产生。

3.控制系统补偿控制系统补偿是通过对机床数控系统的程序进行调整，以达到对热误差的补偿效果。

例如在机床数控系统中设置热误差的补偿参数，通过对加工程序进行调整，从而达到对热误差进行有效补偿的目的。

机床加工过程中误差成因及补偿方法分析摘要：在数控机床加工过程中，通常会由于加工过程中产生的热、施加力、尺寸测量、控制系统及定位不精准等因素导致零件的加工尺寸产生出入。

在目前的数控机床中，通常会采用补偿控制技术以抵消或减弱上述误差，在数控机床产生以来，补偿控制就随之出现，如何提高加工过程中的精度始终是该领域中的重要课题。

关键词：机床加工；误差类型；补偿方法1数控机床的概述及加工误差优化的重要性1.1数控机床的概述数控机床（Numerical Control MachineTool）是一种采用数字化控制技术的机床。

通过编程，将加工工艺的各项参数转化为数控指令，输入到数控系统中。

数控系统按照预设的程序，通过伺服驱动系统驱动机床各运动部件实现刀具与工件的相对运动，完成零件的加工。

数控机床具有加工精度高、自动化程度高、生产效率高、加工范围广等特点，被广泛应用于航空、航天、汽车、模具等领域的零件加工。

1.2加工误差优化的重要性加工误差优化在数控机床加工过程中具有极高的重要性。

优化加工误差不仅有利于提高零件的加工精度，确保产品质量，还可以提高生产效率，降低制造成本，从而增强企业的市场竞争力。

2数控机床加工误差的类型及成因2.1机床导轨误差机床导轨误差是指在机床的制造、装配和使用过程中，由于导轨表面的磨损、凹凸不平、制造加工误差、装配调整误差、污染、温度变化等因素引起的位置误差。

导轨误差对机床的加工精度和稳定性产生严重影响，可能导致加工件精度下降、表面质量劣化、加工速度减慢、工具寿命缩短等问题。

制造过程中的加工误差是导致导轨误差的重要原因，包括材料变形、工艺偏差、加工质量不佳等因素。

2.2丝杠与滚珠丝杠副误差丝杠副误差是指在制造、装配和使用过程中因加工误差、装配误差、磨损、变形等因素引起的丝杠副位置误差。

丝杠误差会影响数控机床定位精度和运动精度，降低机床加工精度和稳定性。

在制造过程中，丝杠的加工误差是导致丝杠误差的主要原因之一。

数控机床误差测量与实时智能补偿关键技术
及应用
随着工程制造业的发展，数控机床逐渐取代了传统的机床，成为
了高效精密加工的主力军。

然而，由于数控机床存在着系统误差、尺
寸误差等问题，导致加工精度不尽如人意。

为了解决这些问题，数控
机床误差测量与实时智能补偿技术应运而生。

数控机床误差测量是指通过对数控机床加工过程中存在的误差进
行精确测量和分析，找出误差的来源及其大小，并将其量化，以便进
一步进行补偿。

通常，数控机床误差可以分为几种类型，如基础误差、运动误差、非线性误差等。

针对不同的误差类型，可以采用不同的测
量方法，如激光干涉、摆角测量、位移传感器等。

数控机床实时智能补偿是指在加工过程中实时检测误差，并通过
计算机智能算法进行补偿，以提高加工精度和加工效率。

实时智能补
偿主要包括两种方法：一种是反馈补偿，即将误差进行反馈并进行补偿；另一种是前馈补偿，即预测误差并在中途进行补偿，以减小实际
误差。

数控机床误差测量与实时智能补偿技术已经得到了广泛的应用，
其主要作用有以下几点：首先，可以提高数控机床的加工精度和加工
效率，从而提高产品的质量；其次，可以减少废品率，降低生产成本；第三，可以提高数控机床的稳定性和可靠性，从而延长设备的使用寿命。

总之，数控机床误差测量与实时智能补偿技术是数控机床加工领
域中的关键技术之一，其应用前景十分广阔。

随着技术的不断发展和
完善，相信它将为工程制造业的发展做出更大的贡献。