1 热误差简介

  金属材料具有热胀冷缩的特性，当机床处于工作状态时，由于电动机的发热和机床运动部件产生的摩擦热、切削热以及外部热源等会引起机床的热变形，如：主轴轴承和电机、进给轴滚珠丝杠副、轴承座、导轨及伺服电机。

在精密加工中，热误差的影响非常严重，占机床总误差的40%~70%，通过热误差补偿功能，在不改变机床结构的前提下，能大大提高机床的加工精度。

2 主轴热误差补偿功能简介

2.1 功能简介

开通主轴热误差功能，可通过软件界面实时显示当前时刻的热误差补偿信息，包括时间、测温点的温度，主轴电机的电流以及误差补偿值。

根据已采集的当前时刻的机床信息，对该时间段机床伸长量进行预测，写入总补偿量中；机床读取总补偿量中的值对机床的机械坐标进行补偿，通过抬高机床坐标系的方式，反向补偿掉机床的热伸长，以达到补偿热伸长带来的误差，使刀具刀尖点的绝对位置变化更接近目标位置，最大程度降低热误差带来的对加工质量的影响。

2.2 硬件结构

硬件结构简单，在不改变机床原有结构的基础上，直接安装温度传感器即可。安装方便、硬件成本较低，适合于大批量应用。

图2-1 温度传感器安装示意图

2.3 软件界面

显示界面清晰明了，便于查看机床自身状态信息变化，及采集伸长结果和预测结果的显示。

图 2-2 主轴Z向补偿界面

主要显示以下信息：

1）时间、主轴转速、温度、电流、补偿倍率、补偿常数和总补偿量都是系统自动获得，用于显示机床的状态信息数据。

2）补偿残差1：用于对热误差模型的修改（修改补偿倍率），由用户通过对刀仪、千分表手动测得，或者通过视觉测量自动获得。该值默认为0。一般都是修改该值。

3）总补偿量：总补偿量是最后控制机床多走或少走的值，由热误差模型、测温点的温度计算得到的热变形量。

4）数据波形：反应温度变化、预测伸长量的变化，使用户更加直观明了的看到温度和预测伸长量的变化趋势。

2.4 系统功能

图2-3 i5热误差补偿系统主要功能

i5热误差补偿功能适应性、稳定性和应用便利性很强，主要有以下优点：

1）模型预测精度和鲁棒性较高，能补偿掉 80%的热误差，使加工精度有较大提高；

2）实时热误差补偿、无需热机、停机后恢复过程极短；

3）建立数据打印表格及数据波形界面，方便用户查看热误差伸长及补偿量，实现人机友好交互；

4）模型一对一匹配，针对每台机床建立出适合的模型，模型的健壮性和预测精度高；

5）与CNC集成度高，能直接获得与热误差相关的机床运动特征和工况，补偿时交互数据方便且同步；

6）后台运行，模型建立好之后无需任何操作，直接在加工过程中补偿到系统里面；

7）自动测量是针对模型数据自动测量采集，能通过对刀仪自动间断性的采集主轴热伸长，采集建模数据准确且方便；

3 主轴热误差补偿结构及原理

图3-1 i5热误差补偿结构及原理图

i5热误差将状态监控、信息采集、信息处理、数据分析、伸长预测、数据显示和参数设置都进行模块化处理，并将这些模块集成在i5系统中，具有交互快速且方便的优势，极大的加强了数据的稳定性和准确性。

4 应用优势

几乎所有的机床都存在热伸长的情况，通过热误差补偿功能，在不改变机床原有结构的前提下，能大大提高机床的加工精度。

在实际生产加工中，基于i5热误差补偿各软硬件的性能，使用i5热误差补偿功能的机床具有以下优势：

• 1）省去热机时间以及空跑的电力和人力成本，降低设备闲置成本；
• 2）安装方便、硬件成本较低，适合于大批量应用；
• 3）无需配置额外的数据接收/发送装置以及数据处理、显示装置；
• 4）i5热误差补偿采用的是自主研发的数字式温度传感器，成本较低、数据稳定可靠、精度高；
• 5）使用方便，交互数据处理同步且集成度高，补偿完成后，用户无需进行任何操作，系统即可实现自动补偿。

5 补偿效果

一般的M1.4机床，根据所处的环境不同，主轴热伸长达到6-10丝，对加工质量影响较大，一般每次开机加工前需空跑2小时，进行热机，极大浪费电能，并增加机床闲置成本，降低有效工时。

5.1 模型数据采集方式

通过自动测量功能，设置好参数，运行建模程序，无需人工进行其他操作，即可自动间断性的采集主轴伸长量，并将数据以文本形式保存，用于后续建模。

图4-1 自动测量数据采集

自动测量参数设置界面简洁明了、使用简单、设置方便。