摘 要： 熱誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)施策略指的是根據(jù)熱誤差模型計(jì)算出的預(yù)測(cè)值，使用某種技術(shù)、通過(guò)某些裝置和機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)熱誤差補(bǔ)償?shù)木唧w方法措施。本文將對(duì)數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償?shù)膸追N常用實(shí)施策略做深入闡述，并對(duì)它們做研究比較。

關(guān)鍵詞： 數(shù)控機(jī)床；熱誤差補(bǔ)償；實(shí)施策略；研究比較

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

將熱誤差模型預(yù)測(cè)的補(bǔ)償值反饋給數(shù)控機(jī)床，然后控制機(jī)床的各坐標(biāo)軸做出相應(yīng)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)提高加工精度的目的，這就是熱誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)施。能夠把熱誤差補(bǔ)償值準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地反饋給數(shù)控機(jī)床，讓機(jī)床的坐標(biāo)軸迅速地做出相應(yīng)調(diào)整，才是真正意義上的熱誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)。本文將對(duì)數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償?shù)膸追N實(shí)施策略做深入闡述與研究比較。

1 熱誤差補(bǔ)償法在減小熱變形誤差上的優(yōu)勢(shì)

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

熱誤差預(yù)防法是通過(guò)改進(jìn)機(jī)床結(jié)構(gòu)（在設(shè)計(jì)和制造環(huán)節(jié)消除或減少可能的熱誤差源）、提高機(jī)床制造精度、或者控制溫度來(lái)盡可能地消除熱誤差源。這種方法通常從兩個(gè)方面入手：機(jī)床結(jié)構(gòu)和材料改進(jìn)和機(jī)床溫升控制。雖然誤差預(yù)防法對(duì)減小熱誤差起著十分積極的效果，但其存在著受現(xiàn)有加工能力的限制、會(huì)造成系統(tǒng)成本的大幅度上升、無(wú)法克服外界環(huán)境干擾等缺點(diǎn)，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(yīng)用上有很大的局限性。

熱誤差補(bǔ)償法是通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床熱誤差的測(cè)量、分析、建模等過(guò)程總結(jié)出熱誤差的數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)學(xué)模型對(duì)未知熱誤差進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算從而得到其補(bǔ)償值，然后將補(bǔ)償值實(shí)時(shí)地反饋到數(shù)控機(jī)床的伺服控制系統(tǒng)中，改變機(jī)床的實(shí)際坐標(biāo)來(lái)減小機(jī)床熱誤差。與熱誤差預(yù)防法相比，熱誤差補(bǔ)償法具有成本低、補(bǔ)償方式靈活、補(bǔ)償精度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，是減小機(jī)床熱誤差的普遍選擇。

2 實(shí)施熱誤差補(bǔ)償?shù)膸追N常用策略

熱誤差補(bǔ)償策略指的是根據(jù)熱誤差模型計(jì)算出的預(yù)測(cè)值，使用某種技術(shù)、通過(guò)某些裝置和機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)熱誤差補(bǔ)償?shù)木唧w方法。近年來(lái)，實(shí)現(xiàn)熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償有以下三種常用方法：反饋中斷法、原點(diǎn)平移法和軟件補(bǔ)償法。

反饋中斷法通過(guò)將熱誤差模型計(jì)算出的補(bǔ)償值插入到原CNC伺服系統(tǒng)的反饋環(huán)中來(lái)實(shí)現(xiàn)熱誤差補(bǔ)償。補(bǔ)償用控制器根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的溫度值計(jì)算出對(duì)應(yīng)的熱誤差補(bǔ)償值，同時(shí)它還獲取伺服電機(jī)的編碼器反饋信號(hào)，控制器將一個(gè)與補(bǔ)償值大小相等、方向相反的數(shù)字信號(hào)與反饋信號(hào)進(jìn)行加減運(yùn)算，控制伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)時(shí)修正刀具的到達(dá)坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)熱誤差補(bǔ)償。但這種方法所采用的信號(hào)插入通常是很復(fù)雜的，它要采用專門設(shè)計(jì)的接口電路才能將補(bǔ)償信號(hào)插入到伺服環(huán)中，且容易引起兩路信號(hào)產(chǎn)生干涉。

原點(diǎn)平移法同樣是將熱誤差模型計(jì)算出的補(bǔ)償值插入到原CNC系統(tǒng)的伺服環(huán)中，但它利用的是有些CNC系統(tǒng)自帶的機(jī)床坐標(biāo)系偏置功能，根據(jù)CNC控制器接收到的補(bǔ)償信號(hào)，控制機(jī)床坐標(biāo)系做出相應(yīng)的平移，并控制伺服環(huán)調(diào)整相應(yīng)的位置控制信號(hào)，改變伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)給機(jī)床電機(jī)的脈沖量，從而實(shí)現(xiàn)熱誤差補(bǔ)償。但這種方法需要改變CNC控制器中PLC單元的程序，以便補(bǔ)償控制器可以從CNC系統(tǒng)中獲取各軸的位置參數(shù)，同時(shí)為了CNC控制器可以接收補(bǔ)償信號(hào)。且這種方法在沒(méi)有機(jī)床坐標(biāo)系偏置功能的CNC系統(tǒng)中是不能實(shí)施的。

軟件補(bǔ)償法一般是通過(guò)開放式數(shù)控系統(tǒng)實(shí)施的，傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的封閉性阻礙了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。在開放式數(shù)控系統(tǒng)上使用軟件補(bǔ)償法來(lái)實(shí)施熱誤差補(bǔ)償?shù)牟呗詾椋合仍陂_放式數(shù)控系統(tǒng)的PC機(jī)上開發(fā)熱誤差補(bǔ)償軟件，然后采用在線補(bǔ)償?shù)姆绞酵ㄟ^(guò)熱誤差補(bǔ)償軟件預(yù)先對(duì)原NC指令進(jìn)行處理，使補(bǔ)償值預(yù)先經(jīng)過(guò)運(yùn)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(tǒng)，讓其執(zhí)行這些指令用于加工工件，從而實(shí)現(xiàn)熱誤差補(bǔ)償。

3 幾種實(shí)施策略的比較

反饋中斷法和原點(diǎn)平移法通常都是通過(guò)傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)來(lái)實(shí)施熱誤差補(bǔ)償?shù)模鼈兊难a(bǔ)償策略相似。這兩種方法都需要使用一臺(tái)外部工控機(jī)或開發(fā)一個(gè)外部熱誤差補(bǔ)償控制器及專用的接口電路和原CNC系統(tǒng)相連，來(lái)實(shí)施熱誤差補(bǔ)償；都需要把補(bǔ)償信號(hào)插入到原CNC控制器中，需要對(duì)原CNC控制器的硬件或PLC程序做一些改動(dòng)，且都存在上述的信號(hào)插入和干涉問(wèn)題。因此通過(guò)傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)使用這兩種方法來(lái)實(shí)施熱誤差補(bǔ)償，有實(shí)現(xiàn)成本較高、技術(shù)難度較大的缺陷。

而通過(guò)開放式數(shù)控系統(tǒng)使用軟件補(bǔ)償法來(lái)實(shí)施熱誤差補(bǔ)償，則可以繞過(guò)上述難題，由于系統(tǒng)是開放的及采用了完全不同的方法，此法不存在傳統(tǒng)方法的固有缺陷，而且此法成本較低、更易于實(shí)現(xiàn)，同時(shí)又避免了上述的信號(hào)插入和干涉問(wèn)題，補(bǔ)償精度更高，是未來(lái)熱誤差補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展方向。

4 結(jié)束語(yǔ)

熱誤差補(bǔ)償是提高數(shù)控機(jī)床加工精度的一門關(guān)鍵技術(shù)，熱誤差補(bǔ)償模塊勢(shì)必會(huì)成為現(xiàn)代高檔數(shù)控機(jī)床必備的智能模塊。熱誤差補(bǔ)償主要依賴于檢測(cè)技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助建模技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，這些技術(shù)為熱誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)施提供了強(qiáng)有力的支持，相信在未來(lái)，熱誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)施技術(shù)會(huì)發(fā)展得更加智能與精準(zhǔn)。

作者簡(jiǎn)介：王謙 男 宿州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 碩士研究生 安徽省宿州市。