[发明专利]一种数控机床主轴轴向热误差物理建模方法

说明书

本发明公开了一种数控机床主轴轴向热误差物理建模方法，包括如下步骤：（A）在机床上安装温度传感器，所述温度传感器包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器；（B）建立主轴仅受环境温度变化引起的热误差线性子模型；（C）建立主轴仅受主轴温度变化引起的热误差线性子模型；（D）建立主轴仅受立柱温度变化引起的热误差非线性子模型；（E）建立包含上述各误差成分的叠加模型；本发明提供的主轴轴向热误差模型考虑了机床结构参数，仅仅需要4个温度传感器，模型泛化能力强且具有物理意义，易于编程实现，为后期热误差补偿应用提供技术支撑。

技术领域

本发明属于数控机床热精度控制中的主轴热误差建模与补偿领域，具体涉及一种数控机床主轴轴向热误差物理建模方法。

背景技术

零件的加工精度主要由加工设备精度决定；数控机床是广泛应用于汽车、航空航天、船舶等行业中的复杂曲面零件加工的装备。为了达到更好的产品质量，这些零件对加工精度要求越来越高；因此，对数控机床的本身的精度也有更高的要求。在影响机床精度的众多因素之中，热载荷引起的机床变形，最终导致的热误差是影响机床精度稳定性最关键的因素。

在实际加工中，运转中的机床会受到内部热源和外部热源的干扰，产生非均匀的温度场；由于机床具有复杂的结构，会产生复杂的热弹性变形。各部件的热变形通过误差传播链，最终导致刀尖点与工件之间产生非期望相对位移，造成热误差。机床热误差占到机床误差的40~70%，其中主轴热误差最高达机床热误差的80%；由于主轴以及机床在轴向方向一般是不对称的，主轴轴向热误差占主轴热误差的比重很大，对机床精度影响显著，直接影响加工零件质量。因此，为了提高机床的精度，加工出符合要求的零件，急需对主轴轴向热误差展开研究。

目前，有大量的文献对主轴轴向热误差进行研究，但是存在如下问题：（1）只考虑主轴温度引起的主轴轴向热误差，忽略环境温度和立柱温度对主轴轴向热误差；（2）需要的较多的传感器，增加补偿成本并可能影响实际加工；（3）主要采用的BP神经网络方法计算主轴轴向热误差，这些方法需要的超参数多，实际应用中难以找到最优参数，很容易导致模型过拟合，最终导致泛化能力不足，影响后期补偿精度；并且这些方法只具有统计学意义，无机床结构参数，不具有物理意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数控机床主轴轴向热误差物理建模方法，该方法与数控机床结构相结合采用4个温度传感器计算主轴轴向热误差，泛化能力强，可实际应用于多种数控机床，为后期误差补偿提供技术支撑。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种数控机床主轴轴向热误差物理建模方法，包括如下步骤：

（A）在机床上安装温度传感器，所述温度传感器设有4个，分别为用于测量主轴温度T_S的第一温度传感器、用于测量立柱上部温度T_C1的第二温度传感器、用于测量立柱下部温度T_C2的第三温度传感器和用于测量环境温度T_amb的第四温度传感器；

（B）建立主轴仅受环境温度变化引起的热误差线性子模型，如公式（Ⅰ）所示，

（Ⅰ）

公式（Ⅰ）中，δ^’_amb(t)为环境温度变化引起的主轴轴向热误差，α₁为环境温度变化引起的主轴热变形系数，α₂为偏差项，ΔT_amb为环境温度的变化量，L_S为主轴特征长度；