数控机床直线轴不同控制方式热误差

摘要：首先，对数控机床直线轴的不同控制方式进行了介绍，并分别对全闭环控制方式下及半闭环控制方式下的直线轴热误差表现形式进行了描述。其次，为了揭示数控机床直线轴在不同控制方式的热误差的真实表现规律，进行了直线轴热误差测试实验的设计。最后，实施了测试实验，得到真实状态下的热误差数据曲线，并对相关的实验结果进行了分析。通过对实验结果的分析，较好地揭示了不同控制方式的热误差真实表现和规律，为热误差的研究提供了实验依据。

关键词：直线轴控制方式；热误差表现形式；热误差测试；

0前言

数控机床直线轴在运动过程中，会受到运动摩擦升温以及机床所处的环境温度变化的影响，将在直线运动方向上发生热变形而导致误差的产生，此误差即认为是机床的直线轴的热误差。研究表明，40％～70％的加工工件几何误差由机床的热误差引起[1-5]。而且其对机床直线方向的运动的定位精度和精度稳定性影响最大。为了研究在不同控制方式下的机床直线轴热误差规律。本文通过在不同的控制方式下，对机床直线轴的热误差表现形式进行阐述和进行热误差测试实验，并依据测试结果进行了对比分析，为机床的直线轴的热误差研究提供重要的实验依据。

1进给轴不同的控制方式的热误差表现形式

目前，数控机床直线轴的最常见的控制方式有两种，一种是半闭环控制方式，一种是全闭环控制方式。在半闭环控制方式下，数控机床直线轴主要采用伺服电机本身内置的编码器作为位置反馈，并通过驱动丝杠-螺母副传递运动，实现机床工作台的轴向位置移动，参与传动的丝杠-螺母副未包含于机床的控制闭环内。在数控机床的半闭环控制方式下，直线轴热误差主要表现为直线轴传动副中的丝杠受到温升变化的影响出现热伸长变形，使得其自身螺距改变，从而产生热伸长误差，使得工作台上工件位置精度受到影响。丝杠温升因素主要是环境温度的变化和丝杠本身与螺母间的摩擦及轴承座支撑旋转运动产生的热量等。在全闭环控制方式下，数控机床直线轴通过使用光栅尺这种通用的位置反馈器件来做位置反馈，将参与运动的丝杠-螺母副、轴承座、工作台等所有与发热传动的相关惯性结构都囊括在闭环控制系统内，能够对数控机床运动的位移进行直接测量和校验，可以尽最大努力改善和减小机械上的制造缺陷及丝杠受热伸长的影响所导致的位置误差。制造缺陷诸如丝杠间隙、轴承座位置误差、部件制造误差等。但光栅尺由于是玻璃或者碳钢材质（玻璃材质热膨胀系数为8μm/(m×℃)，碳钢材质热膨胀系数11.7μm/(m×℃），其本身受到温度变化的作用也会有热变形产生，将对机床的直线轴的定位精度产生影响。直线轴的热误差在数控机床全闭环控制方式下，主要表现为直线轴的位置反馈部件如光栅尺等，受环境温度变化和靠近机床运动部位受到部件传导热的影响，位置反馈元件发生热膨胀，致使机床直线轴产生热误差。特别是当带有光栅尺的机床处于昼夜或季节温差较大的场所内时，将更大程度地影响机床的定位精度。同时，光栅尺本身也具有一定结构，如铝制外壳、粘结层和玻璃光栅等，这些零件的材质各不相同，也具有不同的热膨胀系数，使得光栅尺自身热变形也会存在一定的非线性。

2进给轴不同控制方式的热误差测试实验

为了充分验证数控机床直线轴在不同控制方式下的热误差表现规律，以及反映直线轴不同控制方式热误差真实状态，对直线轴不同控制方式热误差测试热进行实验设计。采用某型号三轴加工中心开展实验。测试的场所无恒温控制。利用机床X向直线轴进行实验，其伺服机构丝杠为电机侧轴承固定、远端的另一侧轴承支撑的安装方式，X轴的行程大约为1100mm，最大快移速度允许36m/min。采用全闭环控制方式，通过海德汉的玻璃材质的光栅尺作为位置反馈和检测部件。机床不同控制方式的改变主要通过数控系统控制光栅尺失效和光栅尺生效来实现。具体的热误差测试实验采用雷尼绍的XL80激光干涉仪对X轴进行热误差测试。测试时，不加激光干涉仪本身的材料温度校验的温度传感器，并手动设置采集软件中的“温度补偿”的温度，设定为20℃，目的为了采集软件不做结果的修正，测试直线轴当前温度下的实际位置误差，而非经过结果修正得到的20℃下的折算误差。测试现场如图1所示。在靠近光栅尺安装部位周围的床身附近布置磁吸式的高精度温度传感器（精度为0.1℃），指示光栅尺周围的环境温度变化。以半闭环控制方式的热误差的测试说明测试实验流程为：（a）首先使光栅尺反馈失效，在X轴冷态下，测试X轴在0～1000mm的初始冷态的定位误差，同时对温度传感器测量的温度值进行记录。（b）之后将X轴在0～1000mm坐标行程内以10m/min的快移速度进行往复拉伸运动。（c）X轴拉伸运动停止后，测试1组X轴的定位误差，同时对温度传感器的温度值进行记录，共7次。（d）重复以上（b）步骤、（c）步骤，直到X轴单位时间内热误差几乎不变。（e）将X轴在固定端附近停止（0mm坐标位置），自然冷却，每10min间隔测量1组机床的定位误差，和对温度传感器的温度值进行记录。共4次。全闭环控制方式的热误差测试，则在光栅尺反馈生效的状态下重复上述实验流程直至测试完成。

3进给轴热误差数据分析

图2给出了机床采用半闭环控制方式时的X轴热误差和温度结果。通过图2可以看出，X轴在半闭环控制方式下热误差结果相当大，在全程的最远点的热误差为65.3μm。依据碳钢材料的热膨胀系数11.7μm/℃，再根据机床环境温度的变化图来看，环境温度只变化了0.6℃，热误差的最大值不仅仅是只有环境温度因素影响的，而且在X轴各个测试点上的定位误差均有显著的变化，以测试起点位置为基准随着距离的增大各点丝杠都发生热伸长，这说明丝杠在环境温度变化影响的同时，还存在由于自身伺服结构运动摩擦温升作用产生的热伸长，而且自身运动的摩擦升温是产生热误差的主要原因。依据以往测试经验，半闭环控制方式的运动温升主要来自丝杠-螺母副的摩擦生热。为了对比X轴半闭环控制产生的热误差与全闭环控制带光栅尺的热误差表现形式，使X轴光栅尺生效。以相同测试参数进行热误差测试，测试结果如图3所示。从图3可以看出，直线轴热误差变化相对较小，在全程的最远点的热误差为21.2μm左右。通过温度变化结果可知，光栅尺的温度变化为2℃左右，根据玻璃光栅尺的膨胀率为8μm/(m×℃)），其产生的热误差，理论上大约为16μm，相接近于实际的实验结果，说明配备光栅尺的直线轴其热误差产生的主要原因为环境温度变化影响的光栅尺出现的热变形。同时，激光干涉仪测量的各点定位误差也存在一定的非线性，尤其在行程最远点附近变化量明显有放大的状态，究其原因主要是由于最远点靠近直线轴伺服电机端，电机的发热对光栅尺局部温升有一定影响导致的。综合不同控制方式的热误差测试结果可以分析出，机床直线轴在全闭环控制方式下，机床直线轴的热误差要小于半闭环控制方式产生的热误差，光栅尺作为位置直接反馈对于直线轴精度稳定性还是具有较大作用的，有利于直线轴定位精度的稳定性。但光栅尺也会受到环境温度影响或者位置靠近丝杠运动部位而受到热辐射影响产生热误差。对于较高精度要求的机床，配备光栅尺还是需要远离机床局部的发热源，保证光栅尺温度均匀性，并对其进行温升控制，最好置于恒温环境中使其产生热误差的不利影响降到最低。

4结论

本文首先对数控机床直线轴的不同控制方式的热误差表现进行阐述，并设计和实施了验证热误差表现规律的相关测试实验，得到真实状态下的热误差数据曲线，然后对实验结果进行分析得到：1、机床直线轴半闭环控制方式下，机床热误差主要由环境温升和运动温升导致的，伺服结构的运动为热误差产生的主要原因。全闭环控制方式下，机床热误差主要是由于光栅尺受到环境温度影响产生的；2、机床直线轴在全闭环控制方式下，机床直线轴的热误差要小于半闭环控制方式产生的热误差，光栅尺作为位置直接反馈对于直线轴精度稳定性还是具有较大作用的，有利于直线轴定位精度的稳定性。本文的相关研究结果和总结的直线轴不同控制方式的热误差变化规律对工程实际的具有指导意义。

作者:吴玉亮 单位:沈阳机床(集团)有限责任公司