數控機床熱誤差補償的幾種實施策略研究與比較

摘 要： 熱誤差補償的實施策略指的是根據熱誤差模型計算出的預測值，使用某種技術、通過某些裝置和機構，實現熱誤差補償的具體方法措施。本文將對數控機床熱誤差補償的幾種常用實施策略做深入闡述，并對它們做研究比較。

關鍵詞： 數控機床；熱誤差補償；實施策略；研究比較

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A

將熱誤差模型預測的補償值反饋給數控機床，然后控制機床的各坐標軸做出相應調整，以實現提高加工精度的目的，這就是熱誤差補償的實施。能夠把熱誤差補償值準確、實時地反饋給數控機床，讓機床的坐標軸迅速地做出相應調整，才是真正意義上的熱誤差補償的實現。本文將對數控機床熱誤差補償的幾種實施策略做深入闡述與研究比較。

1 熱誤差補償法在減小熱變形誤差上的優勢

研究表明，熱變形誤差是數控機床等精密加工機械的最大誤差源，占總誤差的40%～70%左右。目前，提高機床的加工精度、減少熱誤差有兩種基本方法：熱誤差預防法和熱誤差補償法。

熱誤差預防法是通過改進機床結構（在設計和制造環節消除或減少可能的熱誤差源）、提高機床制造精度、或者控制溫度來盡可能地消除熱誤差源。這種方法通常從兩個方面入手：機床結構和材料改進和機床溫升控制。雖然誤差預防法對減小熱誤差起著十分積極的效果，但其存在著受現有加工能力的限制、會造成系統成本的大幅度上升、無法克服外界環境干擾等缺點，而且誤差防止法只能在一定程度上減小熱誤差而不能將熱誤差完全消除，以上這些因素使得這種方法在應用上有很大的局限性。

熱誤差補償法是通過對數控機床熱誤差的測量、分析、建模等過程總結出熱誤差的數學模型，利用數學模型對未知熱誤差進行預測計算從而得到其補償值，然后將補償值實時地反饋到數控機床的伺服控制系統中，改變機床的實際坐標來減小機床熱誤差。與熱誤差預防法相比，熱誤差補償法具有成本低、補償方式靈活、補償精度高等一系列優點，是減小機床熱誤差的普遍選擇。

2 實施熱誤差補償的幾種常用策略

熱誤差補償策略指的是根據熱誤差模型計算出的預測值，使用某種技術、通過某些裝置和機構，實現熱誤差補償的具體方法。近年來，實現熱誤差實時補償有以下三種常用方法：反饋中斷法、原點平移法和軟件補償法。

反饋中斷法通過將熱誤差模型計算出的補償值插入到原CNC伺服系統的反饋環中來實現熱誤差補償。補償用控制器根據實時監測到的溫度值計算出對應的熱誤差補償值，同時它還獲取伺服電機的編碼器反饋信號，控制器將一個與補償值大小相等、方向相反的數字信號與反饋信號進行加減運算，控制伺服驅動器實時修正刀具的到達坐標，從而實現熱誤差補償。但這種方法所采用的信號插入通常是很復雜的，它要采用專門設計的接口電路才能將補償信號插入到伺服環中，且容易引起兩路信號產生干涉。

原點平移法同樣是將熱誤差模型計算出的補償值插入到原CNC系統的伺服環中，但它利用的是有些CNC系統自帶的機床坐標系偏置功能，根據CNC控制器接收到的補償信號，控制機床坐標系做出相應的平移，并控制伺服環調整相應的位置控制信號，改變伺服驅動器發給機床電機的脈沖量，從而實現熱誤差補償。但這種方法需要改變CNC控制器中PLC單元的程序，以便補償控制器可以從CNC系統中獲取各軸的位置參數，同時為了CNC控制器可以接收補償信號。且這種方法在沒有機床坐標系偏置功能的CNC系統中是不能實施的。

軟件補償法一般是通過開放式數控系統實施的，傳統數控系統的封閉性阻礙了這項技術的發展。在開放式數控系統上使用軟件補償法來實施熱誤差補償的策略為：先在開放式數控系統的PC機上開發熱誤差補償軟件，然后采用在線補償的方式通過熱誤差補償軟件預先對原NC指令進行處理，使補償值預先經過運算反映到修正后的NC指令中，然后再將修正后的NC指令傳送給伺服控制系統，讓其執行這些指令用于加工工件，從而實現熱誤差補償。

3 幾種實施策略的比較

反饋中斷法和原點平移法通常都是通過傳統數控系統來實施熱誤差補償的，它們的補償策略相似。這兩種方法都需要使用一臺外部工控機或開發一個外部熱誤差補償控制器及專用的接口電路和原CNC系統相連，來實施熱誤差補償；都需要把補償信號插入到原CNC控制器中，需要對原CNC控制器的硬件或PLC程序做一些改動，且都存在上述的信號插入和干涉問題。因此通過傳統數控系統使用這兩種方法來實施熱誤差補償，有實現成本較高、技術難度較大的缺陷。

而通過開放式數控系統使用軟件補償法來實施熱誤差補償，則可以繞過上述難題，由于系統是開放的及采用了完全不同的方法，此法不存在傳統方法的固有缺陷，而且此法成本較低、更易于實現，同時又避免了上述的信號插入和干涉問題，補償精度更高，是未來熱誤差補償技術的發展方向。

4 結束語

熱誤差補償是提高數控機床加工精度的一門關鍵技術，熱誤差補償模塊勢必會成為現代高檔數控機床必備的智能模塊。熱誤差補償主要依賴于檢測技術、傳感器技術、計算機輔助建模技術和計算機軟件技術，隨著技術的進步，這些技術為熱誤差補償的實施提供了強有力的支持，相信在未來，熱誤差補償的實施技術會發展得更加智能與精準。

作者簡介：王謙 男 宿州職業技術學院 碩士研究生 安徽省宿州市。