基于HEIDENHAIN數控系統主軸軸向熱變形補償技術

嚴江云 劉 博 張 韜

（沈機集團昆明機床股份有限公司，云南昆明 650203）

數控機床是具有一定精度要求的加工設備。除幾何精度、位置精度等誤差外，機床熱變形也是影響加工精度的重要誤差來源。機床在運行狀態下，會受到內部和外部的多種熱源影響，根據熱源種類以及機床軸特點，熱變形誤差存在幾種不同的表現形式。其中，機床主軸軸向熱變形誤差相比主軸徑向和進給軸熱變形更加明顯。對此誤差，在設計層面可采用加強冷卻、優化結構等方法盡量減小熱變形;同時，也可采用電氣反向補償抵消影響。本文結合海德漢數控系統（HEIDENHAIN iTNC 530），探討基于滯后跟隨功能的機床主軸軸向熱誤差電氣補償方法。

1 技術現狀

目前，國內外學者、研究機構針對數控機床熱誤差產生機理、誤差特征、誤差數學建模、誤差控制及其補償技術進行了大量研究。至今約有10多家技術領先的公司，如瑞士 MIKRON，日本的 MAKINO、OKUMA、FANUC，德國的 SIEMENS、HEIDENHAIN，以及北京機床研究所等，這些廠家擁有各自的數控機床熱變形誤差的自動補償技術，并將其作為現代高檔數控機床的必備智能組件，嵌入數控系統或電氣控制系統，為數控機床誤差實時補償的實施提供技術手段。

熱誤差補償通常采用反饋中斷補償法和原點平移補償法兩種不同的技術路線。反饋中斷補償是通過將熱誤差模型的計算數值直接插入到伺服系統的位置反饋環中而實現的。該技術需要特殊的電子裝置將熱誤差信號插入伺服環中，這種插入一般需要局部改動CNC控制系統的硬件，并且基于數控系統的伺服總線是開放的。原點平移補償法是通過熱誤差補償控制器計算機床的熱誤差，把誤差量作為補償值送到CNC控制器，再通過外部機床坐標系偏移功能對相關PLC信號處理，實現熱誤差量的補償。

2 HEIDENHAIN數控系統的補償原理

HEIDENHAIN數控系統在實現熱變形補償功能上使用滯后跟隨（Lag Tracking）方式。原理如圖1所示。

圖1中修正前主軸由于軸向熱變形發生DL長度的變化量，如熱伸長向負向變化。此變化量將作為滯后跟隨功能的修正量。數控系統使用滯后跟隨功能，根據修正量進行刀具軸的位置修正，當主軸伸長時向正向移動刀具軸。滯后跟隨功能由PLC程序通過系統編程接口（W576－W584）或模塊Module 9231啟動。該功能的修正范圍是±3 mm，輸入分辨率是0.000 1 mm。

數控系統主軸軸向熱變形補償方法是基于主軸結構典型位置溫度，進而查表運算，最終反向運動刀具軸補償的間接檢測補償方式。補償原理簡圖如圖2。

圖2中，補償技術路線包括3個主要過程:溫度獲取（過程Ⅰ）、創建補償表（過程Ⅱ）和執行補償（過程Ⅲ）。

溫度獲取（過程Ⅰ）是數控系統自動獲取安裝在主軸熱源點的溫度傳感器信息的過程。此過程由PLC程序通過模擬輸入接口完成。HEIDENHAIN iTNC 530數控系統提供兩種模擬輸入接口:位于主機上的X48模擬輸入端口和位于PLC擴展模塊上的PLA 4－4模擬輸入組件。與之對應，PLC程序可通過兩種方式讀取所連接的傳感器溫度，即主機X48模擬輸入端口使用系統地址W 486－490讀取溫度數據，或PLA 4－4模擬輸入組件使用Module 9138讀取溫度數據。受數控系統模擬輸入接口兼容類型限制，需選用Pt 100型熱敏電阻溫度傳感器。傳感器安裝在主軸系統熱源部位，通過屏蔽電纜連接至模擬輸入接口。傳感器安裝位置采集的溫度應能夠反映機床主軸主要熱源隨工作狀態變化的情況。

補償表用于存儲與主軸溫度變化對應的誤差數據。其位置由系統文件（OEM.SYS）中的TEMP_COMPENSATION定義。國標GB/T 17421.3在關于確定機床熱效應問題上，提出測量機床主軸上刀具軸向以及徑向多種誤差的五點測量方法。相應地，補償表中每個溫度值都對應有X、Y、Z三軸升/降溫情況下共6組數據。由于只考慮軸向誤差補償，因此，只使用其中刀具軸（Z軸）上的誤差數據。

創建補償表（過程Ⅱ）是建立主軸溫度數據和軸向熱變形數據對應關聯表的數據處理過程。其中，溫度數據由過程Ⅰ獲得，軸向熱變形數據通過布置在主軸前端的長度測量工具獲取，如千分表、刀具測頭、位移傳感器等。熱誤差數學擬合是指使用數學工具軟件（如MATLAB）根據有限組測量數據，按照數學方法（如多項式擬合）確定軸向熱變形和溫度之間的數學關系曲線。根據擬合關系曲線，選擇特定溫度點及其擬合曲線數值，建立軸向熱變形數據和溫度的分段線性關系模型，并由各個折線點組成補償表數據。選取溫度點需要保證不造成明顯的線性化逼近誤差，同時，要考慮過程Ⅲ中PLC補償程序的查表原則。

執行補償（過程Ⅲ）是數控系統根據PLC程序計算的補償值控制刀具軸反向運動抵消主軸軸向熱變形誤差的過程。HEIDENHAIN數控系統PLC程序可使用Module 9240、Module 9241、Module 9255 等文件操作程序模塊，查詢補償表中主軸溫度所在區間的誤差數據，使用線性插補計算補償值。數控系統使用滯后跟隨修正地址（W 576－584）獲取PLC計算的補償值，根據參數MP 4070設置的每個PLC循環生效的補償量，向變頻器系統發出控制指令。變頻器系統驅動刀具軸的伺服電動機，使連接的機床結構沿主軸軸向熱變形誤差反向運行，以此抵消誤差，實現補償。

綜合以上分析，在HEIDENHAIN數控系統上運用主軸軸向熱變形補償功能，硬件上需要Pt 100型溫度傳感器、模擬輸入接口及連接電纜等，軟件上需要實現溫度采集、補償運算以及參數設置等功能的PLC控制程序，并在數控系統上作必要的功能設置即可。因此，基于HEIDENHAIN數控系統的熱誤差補償方案具有技術和經濟可行性。

3 實驗應用

本公司研制的配置HEIDENHAIN iTNC 530數控系統的某大型臥式加工中心，機床主軸直徑130 mm，最高轉速3 000 r/min。溫度傳感器安裝在機床主軸軸承附近，并連接至PLA 4－4模擬輸入組件。主軸前部使用Renishaw公司NC 4刀具測頭自動檢測機床主軸熱變形情況。為便于測量，主軸上安裝約50 mm長度的刀柄。

根據機床主軸最高轉速，溫升實驗分成1 000、1 500、2 000、2 500、3 000 等轉速階梯，進行連續階梯升溫和連續階梯降溫空運轉測試。根據實驗數據繪制圖形如圖3所示。從圖3中不難發現，該機床主軸軸向熱變形存在兩個特點。

特點一:機床主軸在高速空運轉狀態下，溫度升高和軸向熱變形十分明顯。使用最高轉速運轉設計規定時間之后，傳感器數據顯示溫度超過80℃，接近主軸最高安全工作溫度。同時，主軸軸向熱變形的測量結果顯示伸長超過0.4 mm。

特點二:升溫階段和降溫階段的主軸軸向熱變形存在明顯差異。整體考察實驗數據，可以發現軸向熱變形量與溫度之間存在滯后現象。相同溫度下，升溫過程和降溫過程的差異最大可能達到0.05 mm。

HEIDENHIAN數控系統自帶的基本程序中包括實現溫度補償功能的子程序。在對誤差進行補償時，可以按照升溫和降溫誤差數據進行均值補償和分別補償。結合機床軸向誤差的實測數據，如采用分別補償方式，在某些溫度范圍內（如60～75℃范圍）會出現補償數據“突變”可能，將不利于機床運行和加工。因此，其基本程序只能采用均值補償。

根據機床主軸軸向熱變形存在明顯滯后的特點，機床制造商需自行編寫補償值計算程序。程序的核心內容是強化主軸溫度的檢測識別功能，并基于主軸溫度變化過程控制補償值，實現其平穩切換。溫度補償程序原理如圖4所示。

在根據設定次數進行平均值操作后，PLC程序根據溫度分別在升溫表和降溫表中查詢誤差數據，并分別進行線性插補計算升溫誤差值和降溫誤差值，見圖中Ⅰ和Ⅱ。同時，程序根據所得溫度判斷當前機床主軸的溫度變化狀態，并結合主軸溫度狀態持續的時間修正升溫系數和降溫系數，見圖中Ⅲ。由于程序始終保持升溫系數和降溫系數的和是1，因此，升/降溫誤差值與升/降溫系數分別乘積（見圖中Ⅳ和Ⅴ）再求和操作（見圖中Ⅵ）后所得到的補償值，必定處于當前溫度對應的升溫誤差值和降溫誤差值之間。此時，根據狀態持續時間控制升降溫系數即可實現補償值在升溫狀態和降溫狀態之間平穩轉換。

在本型機床上，分別應用兩種補償程序進行效果驗證。驗證實驗測量數據如圖5所示

通過圖形容易發現，兩種補償程序對主軸軸向熱變形都有明顯修正效果。基本程序使熱變形處于0.06 mm范圍內，而自行編寫的程序使之處于0.03 mm范圍內，并比基本程序補償時具有更加集中的數據分布。

4 結語

在高速運轉時，具有復雜大型主軸結構的大中型數控機床，主軸因發熱導致軸向變形誤差十分明顯。雖然使用溫度傳感器間接檢測很難取得與直接位置反饋控制的進給軸匹配的補償精度，但是，在目前缺乏主軸加工狀態下直接檢測主軸熱變形量手段的情況下，此種補償技術不失為抵消軸向熱變形誤差的有效方法。

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