用大白話說丨數(shù)控機床熱誤差、建模及補償

數(shù)控機床做為工業(yè)母雞（生產(chǎn)其他設(shè)備、下蛋的）是裝備制造業(yè)的核心裝備，那么一臺機床的“好”與“壞”要怎么來判斷，不考慮價格因素，對于機床使用者來一定是首先要滿足其核心要求，在滿足核心要求的前提下要兼顧效率、精度與質(zhì)量（可靠性），也就是說評價一臺機床的好壞一定是在特定環(huán)境及需求下的多因素考慮。

   由于要說熱誤差，下面就對單一的精度問題簡單分析一下，與精度相對應(yīng)的概念是誤差，可以簡單理解成誤差低了精度就高，為什么要引入一個相對的概念，這主要是從逆向解決問題的角度來考慮的；誤差就是身上的“病”，精度可能就是人的健康，病治好了，就健康了。

   機床誤差是指機床工作臺或刀具在運動中，理想位置和實際位置的差異。機床是需要進行高精度加工的，如果你想要的刀具運動理想軌跡（位置）與實際軌跡（位置）不符，那么就沒法實現(xiàn)高精度加工了，當(dāng)然了現(xiàn)實中由于多種因素制約實際上是沒法完全一致的，就像我給你一把刀，然后在蛋糕上劃一條線，你能正好沿著線切嗎？如果線無限的細(xì)呢？那就不僅需要有無限細(xì)的刀刃，還需要你自身手眼身無限的穩(wěn)定性，你當(dāng)然知道這是不可能的。

   對于數(shù)控機床來說影響精度的誤差源主要有以下幾個：（1）幾何誤差：還拿切蛋糕舉例，也就是那把刀本身如果不是絕對直的，你就很難按著畫定的那條線來切；（2）熱（變形）誤差：熱脹冷縮是普適的物理定律，雖然不同材質(zhì)在同樣溫升下膨脹或縮小的長度是不一樣的，但是，都會有變化！因此你可以想象一下，假如這是一個溫度急劇上升的房間，當(dāng)你舉起和落下刀的兩個不同時間，刀的長度（寬度）發(fā)生了變化，那就肯定切不準(zhǔn)了。（3）運動誤差：當(dāng)你舉起刀往下切的過程中，由于肌肉張力的微微抖動，理論上當(dāng)然不可能按照畫出的理想線來切（4）力（變形）誤差：在切的過程中，蛋糕上有奶油，厚度也有可能不均勻，表面上有水果，蛋糕內(nèi)部還可能有果仁等等，切奶油、切水果、切蛋糕和切到果仁的過程中，肯定有力的變化，有可能你用力過猛了，也可能出現(xiàn)沒切動的情況，你需要隨時調(diào)整，切少了還好，如果切過“線”了，就有誤差了。（5）其它誤差；環(huán)境、心理、你近視眼等等，理論上都有可能使你切不好蛋糕。

   下面從是什么、為什么以及怎么辦三個步驟來說說熱誤差。

   熱誤差的終極成因只有一個，溫度差！溫度差的變化帶來了熱變形進而導(dǎo)致了熱誤差，而溫度差就是由于能量轉(zhuǎn)換帶來的。切削過程做功發(fā)熱（機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽⑦\動部件運動過程中摩擦力會引起的摩擦熱、電機、液壓系統(tǒng)的發(fā)熱（能量損耗轉(zhuǎn)化為熱能）、還有就是環(huán)境溫度或是機床本身（結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、材料性能等）帶來的熱傳導(dǎo)問題，這些將造成熱變形的出現(xiàn)。

   那么這些熱變形對數(shù)控機床的加工過程能造成什么不好的影響呢？會產(chǎn)生線性位移和角度位移，由于熱漲冷縮的物理效應(yīng)，刀具在切削工件的過程中，實際位置會與理想位置將產(chǎn)生偏移，偏移的形式就為線性和角度，還拿切蛋糕來舉例子，可以想想，沒切好就會有兩種情況，一是切少或是多了，但還是沿著線切的，另一種是切的時候，切歪了，產(chǎn)生了一個誤差角度。

   面對熱誤差我們能怎么辦呢？有四種辦法，首先是減少發(fā)熱，減少發(fā)熱從根上解決了不同位置溫度差的問題；其實是控制溫升，如果不能減少發(fā)熱，那就給它制冷，這個也很好理解；第三是優(yōu)化機床結(jié)構(gòu)，簡單的說來，就是如果你知道你手中的刀在切蛋糕的時候會向右邊歪一個毫米，那你就可以讓刀先往左邊歪一個毫米，這樣里出外進就正好可以按直線切了，或者你可以用小刀來切，這樣由于熱漲冷縮產(chǎn)生的疊加變形也會?。ǖ缎∏械拇螖?shù)多造成的誤差不考慮）；第四種方法就是下面要多說幾句的，熱誤差補償，之前的幾種方法實際實施起來成本相對較高，而熱誤差補償方法就是誤差我讓你產(chǎn)生，但是我把誤差是多少搞明白，我讓你再相反方向做一個動作來抵消誤差，假如你切蛋糕的時候我知道你切第三刀的時候，刀已經(jīng)“伸長”了兩毫米，于是我可以告訴你，你把手往后挪兩毫米就OK了。

    如果我們要對一臺數(shù)控機床進行熱誤差補償，我們需要做什么工作？首先你要明白不同溫度下，熱誤差是不一樣的，因此你要先測量溫度，其次你要知道不同溫度下不同位置的誤差值是多少，這樣才能知道什么時候補償多少，也就是要建模。

    什么是建模呢？記得十多年前我讀碩士的時候，建模、仿真滿天飛，動輒就是這套東西，建模其實就是把規(guī)律描述出來，1+1=2就是最簡單的建模；對于熱誤差的建模就是你要測試出一堆的溫度、位置和誤差的數(shù)據(jù)，然后在一堆看似沒有規(guī)律或貌似有規(guī)律的數(shù)據(jù)中，劃出一條離所有點都最近的一條線（便于簡化理解，當(dāng)然這條線肯定不那么好畫，什么是非線性？就是說規(guī)律挺復(fù)雜不太好找出來），然后按著你畫出的這條線，就知道了，什么時候誤差是多少，然后“做一個相反的動作”來抵消熱誤差。