数控机床温度与热误差检测系统

1.温度与热误差检测硬、软件系统

温度与热误差检测系统应具有如下特点：①能同时采集温度与位移信号；②采样通道多；③精度高，实时性强，检测速度快；④使用方便，功能丰富。图4-25所示为温度与热误差检测硬件系统。

图4-25 温度与热误差检测硬件系统

温度与热误差检测系统由一定数量的温度及位移传感器、具有桥接电路的调整板、A/D板及主计算机组成。首先通过温度及位移传感器实时采集温度及位移信号。然后，信号经调整板放大、调整等处理后再经过A/D板进入主计算机。

图4-26所示为机床温度、热误差采集界面。通过温度采集界面可实时观测机床各测温点的实时温度及相应的热误差，以便实时掌握机床温度及热误差的变化规律，为机床热误差建模提供依据。

图4-27所示为温度检测试验装置。机床温度实时检测装置由温度传感器、变送装置及温度信号处理装置组成，检测精度达0.1℃，满足机床热误差补偿要求。

图4-26 机床温度、热误差采集显示图

图4-27 温度检测试验装置

a）试验设备外观图 b）温度检测

图4-28 各测点温度变化

图4-28所示为各测点的温度变化图。由图4-28可以看出，机床各测温点的温度变化不同，其中0通道检测机床主轴温度，由于主轴高速旋转产生大量热量，所以温升最大。

2.温度测点在机床上的布置

图4-29所示为温度传感器在巨型龙门加工中心上的布置。机床行程范围：X向，13716mm（45ft）；Y向，3048mm（10ft）；Z向，1219.2mm（4ft）。温度传感器总数为40个：床身12个、龙门架18个、主轴工作台7个、工件2个、环境温度1个。

图4-29 温度传感器在巨型龙门加工中心上的布置图

图4-30所示为温度传感器在卧式加工中心上的布置，温度传感器总数为18个。

3.热误差检测

对于如图4-31所示的平面（2D）误差（车床），位移传感器1检测X向的主轴热误差，再与位移传感器2配合检测主轴角向热误差；位移传感器3检测Z向的主轴热误差，共需三个位移传感器。此项检测也称主轴热漂移检测。(www.xing528.com)

图4-30 温度传感器在卧式加工中心上布置图

图4-31 热误差检测示意图

对于空间（3D）误差，也称体积误差，一般产生于加工中心，除了以上三个误差外，还需测Y向和绕X轴的主轴角向热误差，共需五个传感器。

另外，还可通过测量被加工零件的尺寸来辨识热误差。

4.机床温度与热误差检测实例

图4-32所示为温度和位移传感器在机床上的实际布置图。温度传感器分别布置在机床主轴、丝杠螺母及主轴支座上，分别检测上述机床部件的实时温度。通过位移传感器检测机床主轴热误差。

图4-32 温度和位移传感器在机床上的实际布置图

图4-33所示为温度和位移传感器布置示意图。

图4-33 温度和位移传感器布置示意图

根据机床温度及热误差实际检测数据（见图4-34和图4-35），选取2、10、11、14号温度传感器进行建模。设热误差与各测点温度的关系为

Δr=a₀+a₁·ΔT₂+a₂·ΔT₁₀+a₃·ΔT₁₁+a₄·ΔT₁₄

将试验数据带入上式，可得一方程组，根据最小二乘理论可得

Δr=-0.505ΔT₂+0.802ΔT₁₀+1.642ΔT₁₁+1.158ΔT₁₄+0.355由机床热误差曲线图可知，热误差拟合精度较高，建模残差为[-2～2μm]。

图4-34 机床各测温点温度变化曲线

图4-35 机床热误差曲线