五轴联动数控机床热误差补偿技术
研究现状综述
摘要：介绍了五轴联动数控机床热误差及其补偿技术，从国内、国外两个方面阐述了热误差补偿技术的研究现状。
关键词：五轴联动 机床热误差 热误差补偿
当今世界正处于现代制造业不断发展的时代, 数控机床特别是高、 精数控机床是实现先进技术的重要因素。随着加工工艺的日益精细和复杂, 对数控机床精度的要求也越来越高, 精密、超精密以及纳米加工成为主要发展方向
【1】
。 五
轴联动数控系统是目前数控技术中难度最大，应用范围最广的技术, 它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体, 应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工, 对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等行业有着举足轻重的影响力
【2】
。五轴联动机床在运动过程中所涉及的误差源
很多而且相当复杂, 如果能够对相应的误差进行补偿, 则必能使机床精度得到显著提高，与传统机床相比, 五轴联动机床在具备高性能的同时也带来了一些新问题，例如在削加工过程中主轴温升过高,由此产生的热变形和热祸合问题, 对电主轴的动态特性、 刚与热变形特性以及对机床的刚性和热稳定性都有相当程度的影响。大量研究表明：在精密加工中,由机床热变形所引起的制造误差占总误差的40% ～ 70%
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，因此要提高五轴联动数控机床的精度就必须采取有效的
措施来分析并减小热误差。
目前解决机床热误差主要有两种基本方法：误差预防法和误差补偿法。误差预防法是一种“硬技术”，通过设计和制造途径消除或减少可能的误差源，靠提高机床制作精度来满足加工精度要求。误差预防法有很大的局限性，即使能够实现，在经济上的代价往往是很高的。误差补偿法是使用软件技术，人为产生出一种新的误差去抵消当前成为问题的原始误差，是一种既有效又经济的提高机床加工精度的手段。通过误差补偿可在机床上加工出超过机床本身精度的工件，这是一种“精度进化”的概念。近年来，误差补偿技术以其强大的技术生命力迅速被
各国学者、专家所认识，并使之得以迅速发展和推广，已成为现代精密工程的重要技术支柱之一。基于此，国内外在数控机床热误差补偿与控制方面进行了大量研究，近年来国外取得了较大进展，有些技术已应用于高速高精度数控机床。 国内外研究现状：对于热误差补偿技术，美国密歇根大学取得了令人瞩目的成果
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。他们应用热误差补偿技术，使美国通用（GM）公司下属一家离合器制造厂
的100 多台车削加工中心的加工精度提高了一倍以上，并使加工波音飞机机翼的巨型龙门加工中心的加工精度提高了10 倍。加拿大McGill University 发表了系列论文，提出了一种优化机床热变形实时补偿的新方法——通用模型法和S域IHCP 法来求解机床热变形，解决了经验模型中补偿函数相对于位移函数、位移函数相对于温度分布函数均需要离线调整的缺点，而且求解效率高
【5】
。日本东
京大学根据智能制造新概念已开发了由热致位移主动补偿热误差的新结构，并在智能高速加工中心上予以实现
【6】
。韩国学者研究了综合主轴热误差和进给系统。德国Aachen 大学在热结构优化设计和热
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热误差的数控机床实时补偿系统
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误差补偿方面也做了大量的研究工作。
日本MAKINO 公司使用中空滚珠丝杠新结构，以温度补偿系统，使冷却油通过滚珠丝杠中孔，实现滚珠丝杠工作过程热变形控制。2003 年瑞士Mikron 公司开发出智能热补偿系统(ITC) 模块，配置了ITC 的机床能自动处理温度变化造成的误差。智能热补偿系统的优点是能够提高加工精度，缩短加工时间。与其他同类机床相比，可节省15 ～ 25min 的机床预热时间，而且进行超精密加工所需要的热稳定时间也明显缩短。近年来，日本OKUMA 公司独创了“热亲和概念”，这是一种新的构思。
国内多家机构也展开了热变形控制技术研究。上海交通大学在热误差鲁棒建模技术、热误差补偿模型在线修正方面取得多项成果
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。北京机床研究所研制
了智能补偿功能板，实现机床热误差、运动误差和承载变形误差的自动补偿并对数控机床误差的综合动态补偿技术进行深入的研究
【10】
。浙江大学在离散化固体
, 为机床温度测点的
热系统基础上，提出了热模态分析理论和热敏感点理论
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选取和热误差建模提供了依据；近年来又开展了奇异值分解识别机床热态特性
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、机床热误差主动热校正及参数遗传优化
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【13】
、热误差模糊神经网络建模
的研究
，开始把人工智能技术应用于机床加工误差补偿中。同时，提出了
相变材料复合恒温构件的新结构，将相变材料注入到机床基础件中，根据相变材料在发生相变时吸收或放出能量而温度保持不变的特性，可在一定范围内消除基础件热变形
【15】
。天津大学在基于多体理论模型的加工中心热误差补偿技术
【17】
【16】
、
基于主轴转速的机床热误差状态方程模型建立
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、数控机床的位置误差补偿模型
等方面开展了深入研究。华中科技大学提出了一种基于神经网络辨识影
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响机床热误差关键点的新方法
。清华大学提出了一种基于自组织原理的主
轴热误差补偿策略, 它只需根据对主轴热倾斜状态的定性测量结果即可进行定量误差补偿
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。北京机械工业学院提出了神经网络补偿机床热变形误差的机
器学习技术。台湾的国立台湾大学和台中精机公司合作进行了“高精度工具机热变形补偿控制技术”的研发，对误差补偿单板电脑系统模组化、温度传感器最佳放置点研究、误差补偿单板电脑系统验证、现场快速误差检测系统等进行研究，使其研制的立式机床的加工精度从50μm 以上降低到10μm以下。
近年来，曾开发了两种不同的技术来实现误差补偿：反馈中断补偿法和原点平移补偿法。反馈中断补偿法是通过将热误差模型的计算数值直接插入到伺服系统的位置反馈环中而实现的。热误差补偿控制器获取进给驱动伺服电机的编码器反馈信号，同时，该补偿控制器还计算机床的热误差，且将等同于热误差的数字信号与编码器信号相加减，伺服系统据此实时调节机床的进给位置。该技术的优点是无需改变CNC 控制软件，可用于任何CNC 机床，包括一些具有机床运动副位置反馈装置的老型号CNC 机床。然而，该技术需要特殊的电子装置将热误差信号插入伺服环中，这种插入有时是很复杂的，一般需要局部改动CNC 控制系统的硬件。原点平移补偿法原理是热误差补偿控制器计算机床的热误差，这些误差量作为补偿信号被送至CNC控制器，而后通过CNC 控制系统中PLC 的I/O 口平移参考原点，以此实现热误差量的补偿。这种补偿既不影响坐标值，也不影响CNC 控制器上执行的代码程序，因此对操作者而言，该方法是不可见的。原点平移法，不用改变任何CNC 机床的硬件，但它需要改变CNC 控制器中的可编程控制器单元的
程序，以便在CNC 控制器可以接收补偿值。原点平移热误差补偿法是目前常用的实现方法。
热误差补偿技术的最新发展情况
热误差补偿的最新技术是日本OKUMA 机床公司独创的“热亲和概念”，“即使在温度变化环境下也能实现自动、高精度加工的人工智能化机床和技术”是称为热亲和概念的基础技术，利用这种新的精度补偿技术能够排除因加工中发热和设备环境温度变化对加工精度的影响，使加工过程中的尺寸精度变化非常小。
热亲和是一种新的构思，它是在尽可能抑制热量发生的同时，对不可避免产生的热量采取接受的考虑方法。要预测所产生的所有复杂热变形是相当困难的，但如果仅产生可以预测的热变形，就可以采用补偿的方法来消除热量产生的影响。这样，即使不用大型空调装置来控制整个设备或车间内的温度，也能在通常的大气温度范围内保持高的加工精度。
现在，OKUMA 公司已开发了一种称为箱形组合的简单的新型积木式结构立柱，这种左右两侧大致均衡的构造确保了热量对称分布。由于采用了单纯的箱式组合，所以即使环境温度发生变化，机床也是按预定的方向进行伸缩。此情况下的膨胀和收缩量在以热量分析为基础的设计阶段可以预测，并与实际机床的测量数据进行比较，其预测结果和测量数据几乎相同。此外，如果立柱具有露出部分和罩盖部分，则外界空气不同的流动方向就能防止发生不均匀的温度变化。为此，所采取的措施是采用热量均匀分布的结构，前侧用罩子覆盖，而将数控箱安装在后侧，以此确保前、后侧的条件相同。这些措施可以做到预测热量变化的大小。机床运转时最大的发热源是主轴电机。为了减少这部分产生的热量并有效地进行冷却，对主轴轴承的四周采用双重结构的油套。这些轴承利用油气进行润滑，位于两侧的喷嘴确保了热量均匀分布。尽管如此，随着主轴转速的升高将会产生更多的热量，上述结构不能消除更高的主轴转速所增加的热量，为此，OKUMA公司开发了新的主轴热位移控制功能TAS-S，利用这个功能可以预测并补偿主轴所产生的热量变化。安装在机床上的温度传感器对不同的条件（起动时、运转中、加工结束时及主轴转速等）变化进行微调，并与温度跟踪延迟、温度变化梯度等条件因素一起进行补偿。
总之，热误差补偿技术是提高五轴联动数控机床加工精度的关键技术之一，热误差补偿控制设备已成为现代高档数控机床必备的智能模块。
国外许多专家、学者都对五轴联动数控机床的热误差补偿进行了大量研究，提出了一些新的理论，正在突破或者说将要突破热误差补偿难题。我国在重大专项“高档数控机床与基础制造装备”中已把动态综合补偿列入需要攻关的关键共性技术，可见误差补偿技术已引起国家层面的高度重视。可以预计，在不久的将来我国将开发成功具有自主知识产权的高精度、低成本热误差补偿器，可对主轴和刀具间的热变形误差进行实时修正，并嵌入到国产的数控系统中，为大批数控机床误差实时补偿的实施创造有利条件。