一种精密机床主轴的闭环热误差控制动态冷却方法技术

本发明专利技术公开了一种精密机床主轴的闭环热误差控制动态冷却方法，包括如下步骤，步骤1：以机床的主轴为被控对象，主动冷却系统为执行器，主轴的轴向热误差为被控变量；步骤2：将主轴总径向热误差值控制至接近零；步骤3：在使用主动冷却系统预热机床之后，通过对刀设定偏置坐标系并开始加工，消除加工过程中主轴轴向热误差的影响；同时通过动态冷却立柱，补偿加工过程中主轴与立柱产生的径向热误差的影响。相较于现有主轴冷却方法，以维持热误差平稳而非整体结构热变形最小为目标，进而通过对刀有效地提升机床加工精度。通过对于立柱的冷却，同时补偿立柱和主轴的热倾斜，从而有效消除加工中机床热变形导致刀具倾斜的径向热误差。中机床热变形导致刀具倾斜的径向热误差。中机床热变形导致刀具倾斜的径向热误差。

【技术实现步骤摘要】
一种精密机床主轴的闭环热误差控制动态冷却方法


[0001]本专利技术涉及精密机床
，具体为一种精密机床主轴的闭环热误差控制动态冷却方法。

技术介绍

[0002]随着数控机床零部件的设计、制造以及装配技术的进步，机床静态几何精度已基本满足我国中高端制造业的要求，而加工中动态生成的热误差成为精密机床误差的主要来源，约占综合误差的40～75％。主轴作为精密机床的核心部件，承受较大载荷且持续高速运转，其热误差是导致机床加工精度恶化的关键原因。
[0003]传统的热误差补偿是经济、实用的方法，但加工过程中补偿值的更新可能导致工件表面出现
‘
台阶
’
，且补偿效果过度依赖热误差模型的精确性与鲁棒性；此外，数控系统可能不具备补偿功能、或限制及不开放相关接口，导致大量机床无法使用补偿技术以降低主轴热误差。普通温度阈值触发式冷却方法不能适应动态变化的主轴热特性，对于主轴热误差的抑制效果有限。
[0004]主轴热误差包括轴向与径向热误差，轴向热误差主要来源于主轴自身热变形，而径向热误差主要来源于主轴自身热变形和安装主轴的大件的热变形，卧式机床中一般为立柱。之前通过冷却方法或可以降低主轴轴向热误差，但效果有限，且目前没有方法同时有效抑制加工中的主轴轴向与径向热误差。

技术实现思路

[0005]本专利技术主要解决的技术问题是提供一种精密机床主轴的闭环热误差控制动态冷却方法，动态调控冷却液温度的主动冷却方法，从而使卧式精密机床主轴热误差长期平稳；随后通过对刀设定偏置坐标系，消除主轴热误差对机床加工精度的影响。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种精密机床主轴的闭环热误差控制动态冷却方法，具体包括如下步骤：
[0007]步骤1：以机床的主轴为被控对象，主动冷却系统为执行器，主轴的轴向热误差为被控变量，采用温度监测系统、在线监测系统和热误差模型提供实时反馈，构建闭环热误差控制系统，利用闭环系统受扰后维持动态平衡的性能，长时间保持主轴轴向热误差的平稳；
[0008]步骤2：机床的立柱顶端位置热位移的实时监测值加上主轴自身径向热误差模型计算值视为总径向热误差的反馈值，同样理由对总径向热误差的闭环控制策略，动态调节冷却器中的冷却液温度，将主轴总径向热误差值控制至接近零；
[0009]步骤3：在使用主动冷却系统预热机床之后，通过对刀设定偏置坐标系并开始加工，消除加工过程中主轴轴向热误差的影响；同时通过动态冷却立柱，补偿加工过程中主轴与立柱产生的径向热误差的影响。
[0010]优选的，所述主动冷却系统包括机床的液冷机、压力泵、冷却器以及冷却液循环回路。
[0011]优选的，所述主动冷却系统中，冷却器的进、出口分别安装有温度传感器与压力传感器，冷却液循环回路中安装有压力阀和流量调节阀，用于控制冷却液的温度和流速。
[0012]优选的，所述冷却器包括主轴内置流道，以及安装在机床的立柱上的磁吸式冷却板。
[0013]优选的，所述温度监测系统包括磁吸式铂电阻温度传感器和电流信号采集设备，用于在线监测主轴结构温度，为热误差模型提供输入数据。
[0014]优选的，所述主轴轴向和径向热误差模型为采用自适应增强算法和支持向量机回归弱学习器拟合温度热变形实验数据构建的模型，该模型以在线温度监测为输入，实时计算主轴自身轴向与径向热误差；采集实验数据过程中仅主轴旋转，进给系统不运动，因此可忽略立柱热变形的影响，认为是主轴自身的热变形和热特性。
[0015]优选的，所述在线监测系统用于多路电流、电压信号数据同步在线采集，与上位机通信，实现主轴温度与立柱热位移数据的显示、处理及转储。
[0016]优选的，所述热误差控制系统中，上位机通过PLC控制器对冷却系统发送冷却液温度、流速指令，进而实施对冷却系统控制。
[0017]优选的，所述闭环热误差控制系统采用PID控制算法。
[0018]本专利技术的有益效果：
[0019]1.相较于现有主轴冷却方法，以维持热误差平稳而非整体结构热变形最小为目标，进而通过对刀有效地提升机床加工精度；冷却能耗较低，无额外冷却设备及主轴流道制造成本。
[0020]2.通过对于立柱的冷却，同时补偿立柱和主轴的热倾斜，从而有效消除加工中机床热变形导致刀具倾斜的径向热误差。
附图说明
[0021]图1为本专利技术的闭环主轴热误差控制示意图，分别对轴向和径向热误差进行控制。
[0022]图2为本专利技术的中实现主轴及立柱主动冷却的示意简图。
[0023]图3为本专利技术的主轴闭环热误差控制系统的结构示意图。
[0024]图4为本专利技术的闭环热误差控制效果。
[0025]图2中：2、立柱；3、磁吸式冷却板，4、结构温度传感器；5、主轴内置流道；6、主轴；7、第一压力传感器；8、第一回路温度传感器；9、第二压力传感器；10、第二回路温度传感器；12、流量调节阀；13、压力泵；14、液冷机。
具体实施方式
[0026]下面将结合附图对本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0027]主轴6闭环热误差控制示意框图请参阅图1，分别对主轴6轴向和径向热误差进行控制。在轴向热误差的闭环控制中，输入指令约为20μm左右，使热误差平稳即可；在径向热误差的闭环控制中，输入指令为0，通过对立柱2的冷却，减小主轴6的总径向热误差。
[0028]热误差模型采用支持向量机回归算法拟合温度
‑
热变形实验数据构建，测试其鲁棒性、精确性，确保为系统提供可靠反馈。采集数据的实验中仅主轴6旋转而进给轴静止，所采集热变形数据可视为主轴6自身热误差。
[0029]热误差模型采用支持向量机回归算法拟合温度
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热变形实验数据构建，测试其鲁棒性、精确性，确保为系统提供可靠反馈。采集数据的实验中仅主轴6旋转而进给轴静止，所采集热变形数据可视为主轴6自身热误差。
[0030]其中，主轴6轴向热误差为主轴6自身热误差，由模型直接输出；主轴6的总径向热误差为主轴6自身径向热误差与立柱2偏斜引起热位移的叠加值。立柱2偏斜引起热位移值通过对立柱2上多个测点热位移量进行插值取得。
[0031]机床冷却系统结构及实施方式请参阅图2～3。上位机模块为软件控制部分，包括主轴结构和冷却液循环的数据采集监测与冷却液温度/流速主动控制模块。
[0032]其中，主轴冷却器为主轴内置流道5；为磁吸式冷却板3(同时使用多个)，与立柱结合面间填充导热硅脂，冷却液在冷却板中高速循环实施冷却。
[0033]冷却液循环数据采集监测与控制模块由力控组态软件二次开发得到，可与PLC模块及关系数据库的数据交换。其中，采用实时数据库系统实现实时数据处理、历史数据存储、统计数据及报警信号处理等。I/O驱动程序读取PLC寄存器信号并传送给冷却液循环采集监测系统实时数据库。
[0034]数据采集监测与热误差主动控制模块间数据交互的方式为数据库操作，利本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种精密机床主轴的闭环热误差控制动态冷却方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤1：以机床的主轴为被控对象，主动冷却系统为执行器，主轴的轴向热误差为被控变量，采用温度监测系统、在线监测系统和热误差模型提供实时反馈，构建闭环热误差控制系统，利用闭环系统受扰后维持动态平衡的性能，长时间保持主轴轴向热误差的平稳；步骤2：机床的立柱顶端位置热位移的实时监测值加上主轴自身径向热误差模型计算值视为总径向热误差的反馈值，同样理由对总径向热误差的闭环控制策略，动态调节冷却器中的冷却液温度，将主轴总径向热误差值控制至接近零；步骤3：在使用主动冷却系统预热机床之后，通过对刀设定偏置坐标系并开始加工，消除加工过程中主轴轴向热误差的影响；同时通过动态冷却立柱，补偿加工过程中主轴与立柱产生的径向热误差的影响。2.根据权利要求1所述的一种精密机床主轴的闭环热误差控制动态冷却方法，其特征在于，所述主动冷却系统包括机床的液冷机、压力泵、冷却器以及冷却液循环回路。3.根据权利要求2所述的一种精密机床主轴的闭环热误差控制动态冷却方法，其特征在于，所述主动冷却系统中，冷却器的进、出口分别安装有温度传感器与压力传感器，冷却液循环回路中安装有压力阀和流量调节阀，用于控制冷却液的温度和流速。4.根据权利要求1所述的一种精密机床主轴的闭环热误差控制动态冷却方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷默涵，夏平，周帆，高峰，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：