技术领域
[0001] 本发明属于装备制造业中精密数控机床机械加工误差控制技术领域，具体为精密数控机床加工丝杠热变形伸长实时测量与补偿方法。
相关背景技术
[0002] 在装备制造业中精密数控机床在加工过程中由于两端支撑轴承、传动螺母与丝杠的摩擦导致丝杠温升热膨胀而伸长，不可避免的导致理想加工尺寸与实际加工尺寸不符，产生较大误差。丝杠由于摩擦热产生的温度变化而伸长，是影响精密数控机床定位与加工精度的重要因素，是反映机床性能的一项重要指标。作为精密数控机床的重要传动部件，如不及时检测出和补偿这一误差将导致加工工件超差或直接失效。
[0003] 针对热变形产生的误差问题，常见的有热误差预防和热误差补偿两种解决方案，如下所述：
[0004] 热误差预防法是通过改进设计和制造途径消除或减少可能的热误差源，如提高制造精度，或者控制温度来满足加工精度要求。其补偿误差手段是人为的制造新的误差去抵消当前成为问题的原始误差，达到减小加工误差的目的。误差预防常用方法有恒温车间、空心丝杠冷却系统，丝杠预紧系统或设计成热对称系统等，虽能一定程度上减少热变形，有一定的缺陷，精度模糊，很难量化，仍存在较大误差，且做不到绝对补偿，而且成本很高、体积大、维修难度高。
[0005] 热误差补偿法需根据机床物理机构和材料性质建立丝杠摩擦温升与丝杠伸长量的函数关系。大多采取计算法时一般利用热传导方程(简化为一维或二维)首先计算丝杠长度方向各点的温度分布θ(x，t)，然后根据温度分布计算变形量Δt。该方法须建立热力学数学模型进行补偿数控机床的丝杠产生的热变形量。虽能起到一定作用，但建立热力学温度场数学模型困难、复杂、不精确，受环境温度因素变化影响很大，很难得到较精确的温度场数学模型。热误差补偿技术作为一种提高数控机床精度稳定性的方法，已经被研究了很多年，有一些优点，如相对于主动热控制的低成本、可提高无法设计成热对称结构的进给轴的精度稳定性、针对已完成装配但热误差较大的机床来实施等，但误差大、随机性大，做不到绝对补偿。
具体实施方式
[0027] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0028] 实施例一，由图1给出，本发明涉及精密数控机床加工丝杠热变形伸长实时测量与补偿方法，包括以下步骤：
[0029] S1：如图2所示，补偿数控机床加工过程中在X、Y、Z轴方向丝杠不可避免产生的热变形量ΔX、ΔY、ΔZ；
[0030] S2：如图3所示，数控机床加工过程中在X、Y、Z位移方向安装无接触测微传感器；该微位移传感器安装在丝杠的端面偏离中心孔处，丝杠端面与传感器端面基本平行；两端面初始距离δ以传感器要求为准；
[0031] S3：如图4所示，数控机床加工过程中随着温度的变化实时、精确测量出X、Y、Z轴传动位移方向滚珠丝杠的微弱伸长量ΔX、ΔY、ΔZ；
[0032] S4：如图5所示，使用嵌入式计算机解析出伸长量ΔX、ΔY、ΔZ，通过标准通信口上传至上位机CNC控制器；
[0033] 嵌入式计算机接收无接触传感器‑“位移/电流”转换器的4‑20mA的线性电信号，当量为：16mA/1mm＝0.16mA对应0.01mm，0.016mA对应0.001mm＝1μm(1微米)，即1微米对应0.016mA电流，即1mA对应62.5μm(微米)。
[0034] 该模拟电流信号经滤波器滤波输入至嵌入式计算机12位A/D转换器引脚，经数字信号处理转换成数字信号；
[0035] 嵌入式计算机的12位A/D转换器将输入的模拟信号转换成1μm对应2.34个数字量，只要对这些数字量进行运算，就能换算得到热伸长微位移量ΔX、ΔY、ΔZμm的位移当量。
[0036] 另外，若系统制造精度许可，且要求精度需要还可用软件细分插入得到1/10μm、1/100μm精度。
[0037] S5：如图6所示，上位机CNC控制器根据嵌入式计算机解析出的伸长量ΔX、ΔY、ΔZ，通过特殊算法补偿数控系统由于进给系统温度变化引起的不应有误差，达到提高零件加工精度的目的。
[0038] 如图6所示，丝杠有效运动长度L，丝杠两端L2、L3未使用，加工过程中温升主要集中在L段，被加工工件长度L1，丝杠由于摩擦产生的热伸长量ΔX；
[0039] 工件应补偿的热伸长量为： (单位：μm)；
[0040] 经嵌入式计算机量化后的数字量为：
[0041] 采用外部机械坐标偏置功能实现补偿量的写入，该方法不需要对数控指令及数控系统的软硬件作任何修改，也不影响工件坐标系，对加工的影响最小且对原有系统不产生影响。
[0042] 需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0043] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
