用大白话说丨数控机床热误差、建模及补偿

数控机床做为工业母鸡（生产其他设备、下蛋的）是装备制造业的核心装备，那么一台机床的“好”与“坏”要怎么来判断，不考虑价格因素，对于机床使用者来一定是首先要满足其核心要求，在满足核心要求的前提下要兼顾效率、精度与质量（可靠性），也就是说评价一台机床的好坏一定是在特定环境及需求下的多因素考虑。

由于要说热误差，下面就对单一的精度问题简单分析一下，与精度相对应的概念是误差，可以简单理解成误差低了精度就高，为什么要引入一个相对的概念，这主要是从逆向解决问题的角度来考虑的；误差就是身上的“病”，精度可能就是人的健康，病治好了，就健康了。

机床误差是指机床工作台或刀具在运动中，理想位置和实际位置的差异。机床是需要进行高精度加工的，如果你想要的刀具运动理想轨迹（位置）与实际轨迹（位置）不符，那么就没法实现高精度加工了，当然了现实中由于多种因素制约实际上是没法完全一致的，就像我给你一把刀，然后在蛋糕上划一条线，你能正好沿着线切吗？如果线无限的细呢？那就不仅需要有无限细的刀刃，还需要你自身手眼身无限的稳定性，你当然知道这是不可能的。

对于数控机床来说影响精度的误差源主要有以下几个：（1）几何误差：还拿切蛋糕举例，也就是那把刀本身如果不是绝对直的，你就很难按着画定的那条线来切；（2）热（变形）误差：热胀冷缩是普适的物理定律，虽然不同材质在同样温升下膨胀或缩小的长度是不一样的，但是，都会有变化！因此你可以想象一下，假如这是一个温度急剧上升的房间，当你举起和落下刀的两个不同时间，刀的长度（宽度）发生了变化，那就肯定切不准了。（3）运动误差：当你举起刀往下切的过程中，由于肌肉张力的微微抖动，理论上当然不可能按照画出的理想线来切（4）力（变形）误差：在切的过程中，蛋糕上有奶油，厚度也有可能不均匀，表面上有水果，蛋糕内部还可能有果仁等等，切奶油、切水果、切蛋糕和切到果仁的过程中，肯定有力的变化，有可能你用力过猛了，也可能出现没切动的情况，你需要随时调整，切少了还好，如果切过“线”了，就有误差了。（5）其它误差；环境、心理、你近视眼等等，理论上都有可能使你切不好蛋糕。

下面从是什么、为什么以及怎么办三个步骤来说说热误差。

热误差的终极成因只有一个，温度差！温度差的变化带来了热变形进而导致了热误差，而温度差就是由于能量转换带来的。切削过程做功发热（机械能转变为热能）、运动部件运动过程中摩擦力会引起的摩擦热、电机、液压系统的发热（能量损耗转化为热能）、还有就是环境温度或是机床本身（结构、质量、材料性能等）带来的热传导问题，这些将造成热变形的出现。

那么这些热变形对数控机床的加工过程能造成什么不好的影响呢？会产生线性位移和角度位移，由于热涨冷缩的物理效应，刀具在切削工件的过程中，实际位置会与理想位置将产生偏移，偏移的形式就为线性和角度，还拿切蛋糕来举例子，可以想想，没切好就会有两种情况，一是切少或是多了，但还是沿着线切的，另一种是切的时候，切歪了，产生了一个误差角度。

面对热误差我们能怎么办呢？有四种办法，首先是减少发热，减少发热从根上解决了不同位置温度差的问题；其实是控制温升，如果不能减少发热，那就给它制冷，这个也很好理解；第三是优化机床结构，简单的说来，就是如果你知道你手中的刀在切蛋糕的时候会向右边歪一个毫米，那你就可以让刀先往左边歪一个毫米，这样里出外进就正好可以按直线切了，或者你可以用小刀来切，这样由于热涨冷缩产生的叠加变形也会小（刀小切的次数多造成的误差不考虑）；第四种方法就是下面要多说几句的，热误差补偿，之前的几种方法实际实施起来成本相对较高，而热误差补偿方法就是误差我让你产生，但是我把误差是多少搞明白，我让你再相反方向做一个动作来抵消误差，假如你切蛋糕的时候我知道你切第三刀的时候，刀已经“伸长”了两毫米，于是我可以告诉你，你把手往后挪两毫米就OK了。

 如果我们要对一台数控机床进行热误差补偿，我们需要做什么工作？首先你要明白不同温度下，热误差是不一样的，因此你要先测量温度，其次你要知道不同温度下不同位置的误差值是多少，这样才能知道什么时候补偿多少，也就是要建模。

 什么是建模呢？记得十多年前我读硕士的时候，建模、仿真满天飞，动辄就是这套东西，建模其实就是把规律描述出来，1+1=2就是最简单的建模；对于热误差的建模就是你要测试出一堆的温度、位置和误差的数据，然后在一堆看似没有规律或貌似有规律的数据中，划出一条离所有点都最近的一条线（便于简化理解，当然这条线肯定不那么好画，什么是非线性？就是说规律挺复杂不太好找出来），然后按着你画出的这条线，就知道了，什么时候误差是多少，然后“做一个相反的动作”来抵消热误差。