CNC机床热增长特性

摘要

本发明公开了一种CNC机床热增长特性。一种表征CNC机床热增长的方法，在至少一个实施例中，提供了分析和表征CNC机床的热增长的方法。该方法可包括将具有孔的人工制品安装在CNC机床上并执行测试循环。测试循环可包括探测人工制品的孔来确定其相对于CNC机床的位置并执行包括一个或更多个CNC加工程序的干循环。该方法可以进一步包括计算该孔位置相对于孔和CNC机床之间的参考相对位置的偏差。该方法可用于提高或评估CNC机床热补偿机制的有效性或者对CNC机床热补偿机制进行故障排除。该方法可在环境温度下开始并包括重复测试循环直到在机床中达到稳态温度。

说明书

技术领域

本公开涉及表征CNC机床热增长的方法。

背景技术

计算机数字控制(CNC)加工广泛应用于各种制造组件的生产(包括汽车工业)中。CNC加工中心在使用期间会经历温度变化，这会由于机床内各种组件的热膨胀而导致加工精度降低。温度变化可由多种因素引起，包括机床预热、机床组件产生的热、环境温度的变化。热膨胀可导致工件与刀具之间的相对位置在实际位置中与所命令的位置相比偏离高达70μm。对于需要高度控制公差的应用，这种因热膨胀导致的误差是不可接受的。为解决这个问题，CNC机床制造商已经实施若干方法来应对热增长。一种方法是热补偿，其可包括感测机床的一个或更多个组件的温度并应用预校准算法来调整工件和/或刀具的命令位置以补偿热膨胀。

发明内容

在至少一个实施例中，提供了一种方法，该方法包括将具有孔的人工制品安装到CNC机床上，并确定在温度T₁时人工制品的孔相对于CNC机床的第一位置和在大于温度T₁的温度T₂时人工制品的孔相对于CNC机床的第二位置。该方法还可包括计算第二位置相对于第一位置的偏差，以确定CNC机床的热稳定性。

该方法可包括操作CNC机床使得温度从T₁升高到T₂。CNC机床可包括主轴和探针，而确定步骤可包括确定人工制品的孔相对于主轴和探针的第一位置和第二位置。在一个实施例中，该方法包括测量CNC机床上一个或更多个位置处的温度。CNC机床热补偿机制可在确定第二位置之前而被启用。可在启用和关闭CNC机床热补偿机制的情况下，执行确定第二位置的步骤，并且计算步骤可包括在启用和关闭热补偿机制的情况下计算第二位置相对于第一位置的偏差。

在一个实施例中，人工制品包括至少两个孔，而确定步骤包括确定在温度T₁时人工制品的每个孔相对于CNC机床的第一位置以及在温度T₂时人工制品的每个孔相对于CNC机床的第二位置，且计算步骤包括计算人工制品的每个孔的第二位置相对于人工制品的每个孔的第一位置的偏差。在另一个实施例中，确定步骤还包括确定在高于T₁的多个温度时人工制品的孔相对于CNC机床的位置，且计算步骤包括计算在所述多个温度时的人工制品的孔的位置相对于第一位置的偏差。

在至少一个实施例中，提供了一种方法，该方法包括将具有孔的人工制品安装到CNC机床上并执行测试循环。测试循环可包括探测人工制品的孔来确定其相对于CNC机床的位置并执行包括一个或更多个CNC加工过程的干循环。该方法可进一步包括计算孔位置相对于孔和CNC机床之间的参考相对位置的偏差。

该方法可包括将测试循环重复一次或更多次并在每次测试循环时计算孔位置相对于该孔和CNC机床之间的参考相对位置的偏差。在一个实施例中，监测CNC机床上的至少一个位置处的温度，并且将所述至少一个位置处在第二时间t₂时的温度与第一时间t₁时的温度进行比较。如果t₂时的温度和t₁时的温度之间的差值大于预定值，那么可执行附加的测试循环。在一个实施例中，无论t₂时的温度和t₁时的温度之间的差值是多少，重复测试循环持续至少最小时间且最多持续最大时间。该方法可包括将偏差与预定公差进行比较。

在一个实施例中，干循环包括钻孔或铣削加工。干循环也可包括一个或更多个换刀、快速进给、A/B分度和速度/进给。预定值可在0.5至5.0℃之间。CNC机床可在第一测试循环之前处在环境温度下。在一个实施例中，在温度控制机制关闭和打开的情况下执行探测步骤。

在至少一个实施例中，提供了一种非暂时性计算机可读存储介质。非暂时性计算机可读存储介质可存储指令用于评估CNC机床热补偿机制的有效性。当被计算机执行时，该指令可使计算机执行以下功能：从CNC机床上接收关于在温度T₁时人工制品的孔相对于CNC机床的第一位置的信息和在大于温度T₁的温度T₂时人工制品的孔相对于CNC机床的第二位置的信息；以及计算第二位置相对于第一位置的偏差，以确定CNC机床热补偿机制的有效性。

根据本发明，提供一种方法，该方法包括：将具有孔的人工制品安装在CNC机床上；执行测试循环，包括探测人工制品的孔以确定其相对于CNC机床的位置和执行包括一个或更多个CNC加工过程的干循环；计算孔位置相对于在该孔和CNC机床之间的参考相对位置的偏差。

根据本发明的一个实施例，方法还包括将测试循环重复一次或更多次并计算每次测试循环下的孔位置相对于孔和CNC机床之间的参考相对位置的偏差。

根据本发明的一个实施例，方法还包括监测CNC机床上的至少一个位置处的温度，并且将该至少一个位置处的在第二时间t₂时的温度与在第一时间t₁时的温度进行比较。

根据本发明的一个实施例，如果在第二时间t₂时的温度与在第一时间t₁时的温度之间的差值大于预定值，那么执行额外的测试循环。

根据本发明的一个实施例，无论t₂时的温度和t₁时的温度之间的差值是多少，测试循环被重复持续至少最小时间且最多持续最大时间。

根据本发明的一个实施例，方法还包括将偏差与预定公差进行比较。

根据本发明的一个实施例，干循环包括钻孔或铣削过程。

根据本发明的一个实施例，干循环还包括一个或更多个换刀、快速进给、A/B分度和速度/进给。

根据本发明的一个实施例，预定值为从0.5至5.0℃。

根据本发明的一个实施例，在温度控制机制关闭以及温度控制机制打开的情况下执行探测步骤。

根据本发明的一个实施例，CNC机床在第一次测试循环之前处于环境温度下。

根据本发明，提供一种非暂时性计算机可读存储介质，存储指令用于评估CNC机床热补偿机制的有效性，当计算机执行指令时使计算机执行以下功能：从CNC机床接收关于在温度T₁时人工制品的孔相对于CNC机床的第一位置的信息和在大于温度T₁的温度T₂时该人工制品的孔相对于CNC机床的第二位置的信息；计算第二位置相对于第一位置的偏差，以确定CNC机床热补偿机制的有效性。

附图说明

图1是根据实施例的用于分析CNC机床热增长的人工制品(artifact)的透视图。

图2是根据实施例的附连到工件台(parttable)的人工制品的俯视图。

图3是根据实施例的附连到工件台的人工制品的侧视图。

图4是在工件台旋转180度的情况下图3的人工制品的另一个侧视图。

图5是根据实施例的用于CNC机床热增长表征的算法。

图6是根据实施例的可用于执行图5中的算法的计算机系统的简化示意图。

图7是示出了CNC机床床身和主轴的温度随时间的变化的温度测试数据的示例。

图8是在热补偿关闭和打开的情况下孔在X、Y和Z方向上的线性偏差测试数据的示例。

图9是在热补偿关闭和打开的情况下另一个孔在X、Y和Z方向上的线性偏差测试数据的示例。

图10是在热补偿打开的情况下六个孔在X方向上的线性偏差测试数据的示例。

具体实施方式

根据需要，在此公开本发明的详细实施例。然而，将理解的是，所公开的实施例仅是本发明的示例，本发明可采用各种和替代的形式实施。附图不一定按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅为教导本领域技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。

可以使用CNC机床执行各种加工操作。例如，铣床、车床、钻床、电火花加工机床(EDM)、刳刨机、切割机(例如，水、等离子、激光等)、磨床、焊接机、冲压机、喷涂机及其他均可被构造为CNC机床。CNC机床的操作原理对于本领域的普通技术人员是公知的且不作详细说明。通常情况下，CNC机床包括沿X轴和Y轴运动的工件台和在Z轴上运动的刀具主轴。将要被加工的零件附连到工件台，并通过沿X和Y方向移动零件以及沿Z方向移动刀具而执行操作。或者，零件可保持静止而刀具可沿X、Y和Z方向移动。更先进的CNC机床还可包括通过使用旋转台和/或耳轴的组合而围绕一个或更多个轴旋转。

通常情况下，CNC机床包括许多组件，例如，主轴、滚珠丝杠、工件台、耳轴、机床立柱、床身、夹具和其他。这些组件可各自具有它们自己的几何形状并且可以由不同的材料制成。因此，组件可由于大小和形状的不同和/或热膨胀属性(例如，热膨胀系数)的差异而各自对温度变化的反应不同。为试图补偿机床组件的热膨胀或热增长，CNC机床供应商已经创建了算法，该算法使用从机床上的一个或更多个位置收集的温度数据并调整刀具和/或工件的命令位置，使得刀具与工件的相对位置是准确的。热补偿还可包括使用各种温度控制机制。例如，CNC机床可包括空气或液体冷却、风扇、散热器或者用于散热或以其它方式控制温度的其他装置。

然而，热补偿在若干种方式下无法准确地校正CNC机床的热膨胀。一种方式是如果在算法中所执行的计算不准确的情况。该算法可接收校正输入(例如，温度数据)，但它不会对刀具和/或工件的命令位置进行校正调整，从而引起超过可接受公差的误差。这样的不精确可能会由不正确的计算、不正确的材料属性数据、不正确的材料选择或其他错误源引起。另一种方式是如果输入到算法中的输入不正确的情况。例如，温度数据可能不准确、温度传感器可能太少、传感器可能被放置在错误的位置或者输入的数据可能有其他问题。另一个潜在问题是温度控制机制是无效的。该算法可能需要在机床内部对组件或区域进行空气冷却或液体冷却以降低温度，但是，冷却可能不充分(或过度)或者温度控制机制可能无法正确工作。

热补偿机制(mechanism)故障可发生在一个或多个维度上。例如，所有三个轴(X、Y、Z)的位置可能不准确或者只有一个或两个轴的位置不准确。此外，如果有超过三个轴(诸如在使用5轴机床时)，对于某些方位而言在X、Y和Z方向上的定位可能是准确的，但在其他方向上则不准确。此外，可能仅在某些温度下或某些温度范围内发生问题。因此，在热补偿系统没有准确执行时可能难以发现问题。

CNC加工中高度控制公差的需求正在不断增长，而CNC机床的热性能是实现严格公差的重要部分。CNC机床的购买者将从表征CNC机床热增长的方法中受益以确保机床将能够满足他们的目标公差。参照图1至图5，公开了表征CNC机床的热增长并分析其热补偿机制的有效性的方法。这些方法可以允许测试CNC机床的热补偿机制，以确认热补偿在各种条件下正常工作而且所要求的公差得到满足。如果发现热补偿无法正确工作，这些方法可协助诊断并修复问题。

参照图1，提供了人工制品10，其可应用于所公开的方法中。人工制品10可具有高度精确的尺寸并可由具有非常低的热膨胀系数(CTE)的材料形成。任何具有适当低的CTE(例如，小于10×10^-6m/mK)的材料都可用于人工制品10。在一个实施例中，人工制品是由岩石或矿物(诸如花岗岩)形成。人工制品10可具有任何形状，然而，如图1所示，在至少一个实施例中它是矩形棱柱。人工制品10可具有若干个面12。对于为矩形棱柱的人工制品10来说，这些面可被指定为前面(F)、背面(B)、左面(L)、右面(R)、顶面(T)和底面(BT)。每个面12上可形成一个或更多个孔14。孔14可具有高度精确的尺寸(例如，亚微米级的公差)。例如，如果孔14如图1中所示具有圆形横截面，那么孔14的直径和/或深度可以是高度精确的，并在一定的温度范围内保持如此。高精度衬套(bushing)(未示出)可插入孔14中以进一步协助提供尺寸高度精确的人工制品。衬套也可由具有低的CTE的材料形成并可以具有非常精确的尺寸(例如，亚微米级的公差)，该尺寸在一定温度范围内保持精确(例如，热合格精度)。

图1中示出了人工制品10的前面(F)、右面(R)和顶面(T)12。每个面12被示出为具有两个孔14，然而，一些面可具有零个或一个孔或两个以上的孔。每个孔14可基于它所处的面而被分配标示和数字。因此，图1所示的六个孔14可被标示为如所示出的F1、F2、R1、R2、T1和T2。这些孔14可具有任何尺寸(例如，对于圆柱孔来说，直径和深度)，所述尺寸可对应于铣、钻、或者对机床编程而执行的其他加工工艺的尺寸。每个面12上的孔14可对齐或者随机分布。例如，孔F1和F2水平对齐，而R1和R2具有对角线式的间距或方位。

参照图2至图4，人工制品10可固定到CNC机床的工件台20。虽然CNC机床可以有多种构造，但是图2至图4是相对于5轴式、B对A的构造而进行描述的。在该构造中，工件台20可以称为B工作台。如图2中所示，B工作台可以绕Z轴旋转，从而可将人工制品从起点(例如，0度)旋转完整的360度。可对CNC机床编程以将B工作台旋转到特定位置，诸如在图2中所示的0度、90度、180度和270度。所示出的人工制品处在B＝270度的位置，而0度、90度和180度的位置用虚线示出。但是，可使用附加的或其它位置，例如，间隔30度、45度或60度。

在图2至图4中，主轴被构造为在Z轴上移动，B工作台绕Z轴旋转，且B工作台还可通过耳轴(未示出)绕X轴旋转。绕X轴旋转的角度可被称为A位置。在图2中，A是90度，这使得人工制品10的顶面的T1和T2孔面向主轴。在图3中，B工作台仍然在B＝270度的位置而A位置已变为0度。在B工作台绕X轴旋转的情况下，12个侧面中的一个现在面向主轴。因此，不同的孔14(诸如R1和R2孔)可接近主轴。在图4中，B工作台旋转到B位置为90度而A位置为180度的位置。其结果是，人工制品10已经相对于图3上下翻转，而且也绕Z轴(B位置)旋转使得相同的面12面向主轴。使用A和B位置的组合，人工制品10可以旋转使得每个面12(除了附着到工件台20的面)均可以面向主轴。这可以允许主轴接近每个孔14。

人工制品10可用于表征CNC机床(如上所述的5轴机床)的热增长。所述表征可用于各种目的，包括机床验收和/或检修。如上所述，CNC机床供应商通常使其机床包括温度补偿机制，以校正由热膨胀导致的位置变化。所公开的热增长表征过程可以允许客户或潜在客户在接受最终递交之前或作为最终付款的先决条件(例如，机床验收)而评估温度补偿机制的准确性和有效性。热增长表征过程也可使CNC机床生产商在实际状况和各种情况下检修机床的热补偿机制。

热增长表征(TGC)过程通常可包括探测程序和干循环(drycycle)，二者可形成一个测试循环。探针可插入到主轴中以替换刀具。探测程序可包括探测人工制品的一个或更多个孔(或其它定位特征)来确定孔中心的位置(例如，X和Y坐标)和/或孔的深度(例如，Z坐标)。也可使用孔中心之外的位置(诸如顶部/底部或侧部)。位置可以是孔和CNC机床(例如，主轴和探针)之间的相对位置。通过旋转工件台(例如，通过调整上述的A和B的位置)，可旋转人工制品使得每个面(除了附着到工件台的面)都暴露在探针下。在人工制品的每个面面向探针时，所述面上的一个孔、一部分孔或全部孔可被探测到，以确定孔中心的位置和/或孔的深度。然后可旋转人工制品使得不同的面暴露在探针下并再次进行测量。此过程可继续直到每个面和每个孔都已被探测到。如果需要较短的探测程序，在探测程序中可跳过一些面和/或孔。此外，在每个循环下被探测的面和/或孔的数量可保持相同，或者探测程序可在循环之间进行改变。例如，第一个测试循环和最后一个测试循环可执行完整的探测程序，但对于一些或所有的中间测试循环可执行较短的探测程序以减少TGC过程的总时间。

可在CNC机床的热补偿(TC)机制打开或关闭的情况下执行探测程序。在至少一个实施例中，在热补偿关闭的情况下执行一次探测程序，然后在打开热补偿机制的情况下再执行一次探测程序(或反之亦然)。在TC打开和关闭的情况下运行探测程序时额外地洞察热补偿的有效性和/或准确度。在探测程序期间，热补偿可在任何间隔时打开或关闭。例如，被探测的所有孔都可在TC关闭的情况下进行测量，然后可在TC打开的情况下再次运行探测程序。可替代地，可在对每个面的探测或对每个孔的探测期间关闭和打开TC。例如，可在TC关闭的情况下探测顶面的孔(例如，T1和T2)，然后在旋转人工制品使得不同的面暴露到探针下之前在打开TC的情况下再次探测所述孔。

在探测程序之后(或之前)，可由CNC机床执行干循环。干循环可包括在加工工件时由CNC机床执行的一些或全部的正常程序。除了基本的加工过程(诸如旋转主轴和移动工件台)，在加工操作期间发生的其它过程也可被包括在干循环中。例如，干循环可包括换刀、快速进给、A/B分度、速度/进给或其他过程。因此，干循环可模拟在CNC加工中心内正常地发生的一些或所有操作，但不包括安装刀具或真实工件。

在第一次测试循环之前，可执行探针校准或准确度程序。在一个实施例中，量规(gauge)R&R测试可先于测试循环进行。量规R&R(重复性和再现性)测试对于本领域的普通技术人员是公知的，将不作详细说明。简言之，量规R&R测试测量由测量系统本身引起的可变性水平，并将其与所观察的总可变性进行比较，以确定测量系统的可行性。重复性关注的是特定的人/仪器对同一目标在相同的条件下进行的测量的变化。再现性关注的是不同的操作者或仪器测量同一目标时引起的变化。通过量规R&R测试所要求的重复性和再现性水平会因客户(或供应商等)的不同而不同。例如，一些过程可能需要R&R高达5％、10％、15％、或其它水平。探针校准或准确度程序(例如，量规R&R)可在单个人工制品位置处执行(诸如A＝90度且B＝0度)，或者可在多个人工制品位置处执行。

在至少一个实施例中，TGC过程可从冷启动开始。冷启动可包括在关闭足以冷却到环境条件(如温度)的时间后启动机床。根据机床类型、大小、环境条件和其他因素，达到环境条件所需要的关闭时间会有所不同。通常情况下，让机床静置24小时会允许它达到环境温度，然而它可能只需要12、10、8、6小时或更少的时间。TGC过程可在机床在其运行过程中遇到的任何环境温度下执行。因此，在至少一个实施例中，机床周围不放置任何围绕物(例如，帐幕)而且也不执行外部加热或冷却(在典型装配HVAC系统的外部)。但是，在另一个实施例中，环境温度可被控制在一定范围内。例如，环境温度可以控制在20-30℃内，或其中任何子范围(诸如24±2℃的)内。通常情况下，TGC过程的充分准备可包括在早上或下午设置CNC机床、让它适应环境、并在第二天早上执行冷启动。

以冷启动开始的开始TGC过程可允许CNC机床组件经历更宽的温度范围。例如，CNC机器组件将在环境温度下启动并在TGC过程中达到稳态温度。与TGC过程在温热机床的情况下开始相比，这可允许TGC过程分析更多的温度和探针位置数据点。虽然在冷启动的情况下开始会有一些优点，但TGC过程可从非冷启动开始(例如，机床温度高于环境温度)。

在CNC机床启动且可选的探针校准或准确度程序已经完成之后，可执行第一测试循环。如上所述，测试循环可包括探测程序和其后的干循环之后(或反之亦然)。在探测程序期间，可测量人工制品上一些或全部的孔以获得其孔中心坐标(例如，X、Y和Z)或者任何其他合适的参考位置。孔中心(或其他参考点)的位置可与CNC机床(例如，与主轴和探针)相关。在一个实施例中，第一循环期间的探测程序可以为与孔和CNC机床之间的编程或预期的相对位置对应的每个孔确定参考位置。在另一个实施例中，每个孔的参考位置可以是已知的并可在第一测试循环之前(例如，从上一个探测程序)存储在存储器中。在随后的测试循环中，每个孔的相对位置可与该孔的参考位置进行比较，以确定相对于该参考位置的偏差。探测程序可包括在热补偿打开和关闭的情况下所进行的测量，如上所述。可探测每个面和孔，或可探测代表性的或统计意义下足够数量的面和孔。对于每个循环，探针测量数据都被存储而记录。

探测程序完成后，CNC机床可执行干循环。干循环可包括用于CNC加工操作(例如，铣削或钻孔操作)的任何或全部的编程步骤，然而，在干循环期间并不包括刀具和工件。干循环可包括诸如换刀、快速进给、A/B分度、速度/进给或其他过程的操作。因此干循环准确地模拟实际的CNC加工操作，结果模拟机床内准确的温度变化。机床内的温度传感器(例如，附连到机床基座、夹具、人工制品、主轴或主轴轴承和电机、滚珠丝杠、工件台、耳轴、机床立柱、床身等的温度传感器)可在测试循环期间测量、记录并存储温度数据。温度数据可在整个测试循环期间以固定的时间间隔(手动或编程)进行测量和记录、可在测试循环的开始和停止时进行测量和记录、在整个测试循环期间持续地进行测量和记录、或根据任何其它合适的算法进行测量和记录。用于在测试循环期间记录温度数据的温度传感器可以是与CNC机床温度补偿机制所使用的相同的传感器，或者它们可以是增设到机床用于TGC过程的其他的传感器(或两者的组合)。

干循环的时长可基于CNC机床的类型和被模拟的加工操作的类型而变化。在一个实施例中，干循环的时长为5至60分钟或者其任何的子区间。例如，干循环可持续10至50分钟、15至45分钟或15至30分钟。在干循环结束时，测试循环可完成。然后分析温度数据，以确定是否应该执行额外的测试循环。在至少一个实施例中，如果在特定时间段内的最大温度和最小温之间度的差值小于预定值，那么不执行额外的测试循环。如果温度的差值超过预定值，那么执行另一个测试循环(例如，探测程序和干循环)。

预定值和时间段会基于CNC机床的类型和被模拟的加工操作而变化。在一个实施例中，预定值为从0.5至5℃或其任何子区间。例如，预定值可从0.5至4℃、0.5至3.0℃、或0.5至2.0℃，包括0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5或4.0℃。在一个实施例中，时间段可从0.25至2小时，或其任何子区间。例如，时间段可以是0.5小时、1小时或1.5小时。在其间确定温度差值的时间段可以是动态时间窗口。例如，如果时间段为1小时，那么对于每一个温度读取可将在读取温度时所读取的温度与读取前1小时的温度进行比较。可替代地，温度差值可按照固定时间间隔比较得到。例如，在第一次循环开始后的每个小时(例如，如果上午9点开始，就在上午10点、11点、中午12点、下午1点等时间点检查)。

在至少一个实施例中，可为TGC过程设置最小时间。执行TGC过程持续至少一定时间可确保CNC机床已经达到稳态温度或大约处在或接近稳态温度。为产生用于分析的充足数据，也可允许执行一定数量的探测程序和干循环。在一个实施例中，TGC过程的最小运行时间可为最少一个小时，例如，至少1、2、3或4个小时。因此，如果TGC过程已经运行少于最小运行时间且干循环之后的温度差值低于预定值，那么TGC过程将不会终止。相反，会执行额外的测试循环直到达到最小运行时间。如果TGC过程已运行了最小运行时间且温度差值低于预定值，那么TGC过程会终止而不运行额外的测试循环。如果温度差值大于预定值，那么最小运行时间对TGC过程没有影响。

在至少一个实施例中，可为TGC过程设置最大时间。最大时间可设置为使得TGC过程在一天内执行完，这会允许潜在客户可在TGC过程执行的当天确定机床验收。最大时间也可阻止TGC过程运行超过了在其中执行TGC过程的设备的停机时间，使得不需要额外的人工监控。此外，最大时间可设置为对应于在其后CNC机床应已达到稳态温度的时间长度。除非有问题或故障，CNC机床的温度一般不会无限地持续升高。因此，最大时间可用于中止TGC过程，使得问题的根源可被确定并得到解决。在一个实施例中，TGC过程的最大运行时间可小于或等于24小时。例如，最大运行时间可小于或等于18小时、12小时、8小时或6小时。因此，如果TGC过程运行时间达到或超过最大时间，那么即使温度差值超过预定值，TGC过程也会被终止。如果TGC过程运行时间小于最大时间，(如果温度差值大于预定值)那么可执行额外的测试循环。

TGC过程的最小和最大时间可根据多种因素而变化，这些因素包括CNC机床的类型、探测程序和干循环的次数、环境温度、在干循环期间执行的操作的类型和数量或其它因素。因此，最小和最大时间会因上述因素而变化。此外，TGC过程可忽略最小和最大时间。例如，如果期望尽可能快地执行TGC过程，那么可移除最小时间的要求，使得一旦满足了温度差值要求，该过程就立刻被终止。类似地，如果期望进行极其彻底的TGC过程并且不考虑时间或潜在的机床问题，那么可移除最大时间的要求，使得TGC过程无限期地进行直到温度差值要求得到满足或手动终止该过程。

参照图5，根据实施例，示出了TGC过程100的流程图。在步骤102处，发起TGC过程。在步骤104处，CNC机床在环境温度下冷启动且对探针进行量规R&R测试。如果量规R&R测试的结果是可以接受的，那么在步骤106处执行测试循环。测试循环包括探测步骤108和干循环步骤110。在第一测试循环期间，探测步骤108可如上所述为每个孔建立参考位置。在随后的测试循环期间，探测步骤108可以测量每个孔相对于CNC机床的位置。还可计算每个孔的位置相对于参考位置的偏差。在每个测试循环106期间，可记录并存储位置、偏差和温度数据。

测试循环结束后，在步骤112处计算温度差值。如果在过去的一个小时内最大温度和最小温度之间的差大于1℃，(即，T_max-T_min在过去一小时内不小于1℃)，则可确定该温度未处于或接近稳态。如果温度差在过去一小时内不小于1℃，则在步骤114中将TGC过程的运行时间与8小时的最大运行时间进行比较。如果TGC过程尚未运行8小时或以上，那么在步骤106处运行另一个测试循环。如果TGC过程已经运行了8小时或以上，则不执行额外的测试循环并在步骤118处对探针执行第二次量规R&R测试。

如果步骤112中温度差的计算确定最高温度和最低温度之间的差值在过去的一个小时内小于1℃(即，T_max-T_min在过去一小时内小于1℃)，则确定该温度处于或接近稳态。如果温度差值在过去一小时内小于1℃，则在步骤116处将TGC过程的运行时间与3小时的最小运行时间进行比较。如果TGC过程尚未运行3小时，则在步骤106中执行另一次测试循环。如果TGC过程已经运行了3小时，则不执行额外的测试循环，并在步骤118处对探针执行第二次量规R&R测试。第二次量规R&R测试之后，TGC过程在步骤120处结束。

图5中示出的TGC过程100是TGC过程的一个示例，并且不限制所公开的热增长表征过程。如上所述，诸如最小时间、最大时间、温度差值和温度差值时间段的参数可根据CNC机床、探测程序和干循环的类型和时长以及其它因素而变化。此外，如上所述，并非过程100中的所有步骤都是需要的。例如，可以移除最小和/或最大时间要求。另外，量规R&R测试可由不同的探针校准或准确度测试代替，或者可以完全除去。

TGC过程进行之后，可检索和分析温度、位置和偏差数据。该数据可用来确定CNC机床的热补偿机制是否适当地工作。根据用户、客户或供应商，可接受的相对于探针参考/预期的相对位置的偏差量会有所不同。对于公差要求非常严格的应用，可接受的偏差小。然而，如果不要求严格的公差，那么可接受的偏差可相对高。此外，可接受的偏差可以根据被分析的轴而变化。例如，对于一些应用，Z轴偏差可能不如在X和Y轴的偏差重要(或者反之亦然)。在一个实施例中，在任何或所有方向的可接受偏差可以是在1至50μm内，或其任何的子范围内(诸如5至30μm，5至25μm，5至15μm，或约10μm)。

所获得的偏差数据可用于分析机床的热补偿机制的有效性、对这些机制进行故障检测、做出采购或验收机床的决定或任何其他目的。如果对于偏差要求，热补偿可有效地工作，则客户可以接受机床的最终交付、完成付款或以其他方式完成收购协议。机床供应商可使用该TGC过程对他们的机床和热补偿机制进行质量控制。如果发现热补偿机制在或更多个轴工作不够好，那么客户可以拒绝最终交货或付款，或可以要求供应商作出必需的调整以满足偏差的要求。机床供应商还可以使用失败的TGC过程来诊断他们的热补偿机制中的问题。例如，在热补偿算法中使用的计算可能是不准确的，或者温度控制机制(例如，冷却系统、风扇等)可能不能正常工作。

在热增长表征过程期间获得的温度数据还可适用于评估故障排除或热补偿机制的有效性。例如，如果TGC过程运行了允许的最大运行时间，则这可能是机床出问题的迹象。一般，CNC机床将在6至10小时内到达相对的稳态温度。因此，如果机床运行了8小时而温度仍在上升，那么机床有可能有问题。对于那些的确达到相对稳态温度的机床，温度数据显示稳态发生的有多快以及各种机床组件都经历了怎样的温度。

为了为本公开的各个方面提供附加内容，下面的讨论意在提供可适于实施本公开的各个方面的计算环境的简要、概括性的描述。虽然本公开的一个或更多个实施例涉及可运行一个或更多个计算机的计算机可执行的指令的常规内容，但是本领域的技术人员将认识到本主题也可与其它程序模块进行结合而实施和/或作为硬件和软件的组合而实施。

通常，程序模块包括路径、程序、组件、数据结构等，其执行特定任务或实现特定抽象数据类型。此外，本领域的技术人员将理解，本发明方法的各方面可以在其他计算机系统配置(包括单处理器或多处理器计算机系统、小型计算机、大型计算机以及个人计算机、手持式无线计算装置、基于微处理器的或可编程的消费电子产品等，其中的每个都可操作地耦合到一个或更多个相关联的设备)下实施。本公开的各方面也可以在分布式计算环境中实施，其中某些任务由通过通信网络链接的远程处理设备执行。在分布式计算环境中，程序模块可以位于本地存储器存储设备和远程存储器存储设备中的每个。

所公开的方法和过程可由一个计算机或多个计算机执行，计算机可以是CNC机床的一部分(或以其它方式与机床通信)。可替代地，数据可由CNC机床产生并被传送到未与CNC机床通信的计算机。参照图6，示出了可被用于执行所公开的功能的计算机系统200的简化示意图。该计算机系统可包括控制器202(诸如处理器或微处理器)。它可以进一步包括存储器204和RAM206。计算机可具有输入208(诸如鼠标、键盘或其它界面)和输出210(例如显示器)。如上所述，该计算机系统可以从CNC机床212接收信息(诸如时间、温度、位置、偏差以及其它信息)。

计算机系统200是简化示意图，并且应当认识到，该计算机可包括任意数量的微处理器、集成电路、存储器装置(例如，闪存(FLASH)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)或其它合适的变型)和软件，它们彼此共同作用进行在此所公开的操作。此外，任何一个或更多个计算机可以被配置为执行计算机程序，该计算机程序被嵌入在非暂时性计算机可读介质中并被编程为执行所公开的任何数目的功能。通常，持久性(非暂时性)存储器可包括在计算机或其它设备断电时保留数据的所有形式的存储器。这些存储器包括但不限于硬盘驱动器(HDD)、光盘(CD)、数字化视频光盘(DVD)、磁带、固态驱动器、便携式USB驱动器和任何其他合适形式的持久性存储器。

用于实施本公开的各个方面的示例性环境可包括计算机，其包括处理单元、系统存储器和系统总线。系统总线将系统组件(包括但不限于系统存储器)耦合到处理单元。处理单元可以是任何各种市售处理器。处理单元也可使用双微处理器和其它多处理器结构。

系统总线可以是若干类型的总线结构中的任何一种，其还可互连到存储器总线(带有或不带有存储器控制器)、外围总线和使用任何的各种市售总线结构的局部总线。该系统存储器可包括只读存储器(ROM)和/或随机存取存储器(RAM)。基本输入/输出系统(BIOS)被存储在非易失性存储器(诸如ROM、EPROM、EEPROM)中，该BIOS包含帮助在计算机内的元件之间传输信息(诸如在启动期间)的基本程序。RAM还可包括高速RAM(诸如用于缓存数据的静态RAM)。

许多程序模块可以存储在驱动器和RAM中，包括操作系统、一个或更多个应用程序、其它程序模块和程序数据。操作系统、应用、模块和/或数据中的所有或一些部分也可被缓存在RAM中。可以理解的是，本公开内容的主题可以用各种市售的操作系统或操作系统的组合来实施。

计算机可在使用经由有线和/或无线通信到一个或更多个远程计算机的逻辑连接的联网环境中操作。远程计算机可以是工作站、服务器计算机、路由器、个人计算机、便携式计算机、个人数字助理、蜂窝式设备、基于微处理器的娱乐设备、对等设备或其它常见的网络节点，并且可包括许多或所有所描述的与计算机相关的元件。所描述的逻辑连接包括到局域网(LAN)和/或更大的网络(例如广域网(WAN))的有线/无线连接。这样的LAN和WAN联网环境常见于办公室和公司以及方便企业范围的计算机网络(诸如内联网)，所有这些都可连接到全球通信网络(诸如因特网)。

示例

参照图7至图10，示出了使用所公开的TGC过程收集的温度和偏差数据的例子。图7示出了来自连接到CNC机床床身和主轴的传感器的温度数据。如在曲线图中所看到的，主轴温度在以更为平缓的速度增加之前从冷启动开始迅速上升。与此相反，床身温度从冷启动开始具有较为平缓的温升。根据最小运行时间、温度差、温度差时间段，具有图7中的温度数据的热增长表征过程可以继续执行附加的测试循环，或者它可以由于温度上升的减缓而被终止。

图8和图9示出了人工制品的两个孔(孔1(B1)和孔2(B2))的测试数据。在关闭和开启CNC机床的热补偿(分别为“WOC”和“WC”)的情况下，在X、Y和Z方向上探测孔。在热补偿开启的情况下，这些测试的可接受的线性偏差为10μm。如图8和图9所示，在热补偿开启的情况下，两个孔相对于它们的起始/参考位置的Y向和Z向的偏差保持在10μm内。Y向偏差甚至在热补偿关闭的情况下保持在10μm内，而Z向偏差在热补偿关闭的情况下在接近测试结束时非常接近10μm的限度。但是，与此相反，在热补偿关闭和开启的情况下，这两个孔的X向偏差都明显超过10μm的可接受的限度。因此，该TGC过程已检测X轴的热补偿没有有效地工作。

图10示出了人工制品中六个孔(F1、F2、L1、L2、R1、R2)的X向偏差的测试数据。测试数据是在对CNC机床(在X方向上不满足10μm验收要求)的热补偿机制(诸如图7和图8所示)进行校正后获得的。热补偿机制被校正后，在热补偿开启的情况下对六个孔执行另一个TGC过程，以确定校正是否充分。示出了每个孔的X轴偏差的数据，这些数据被偏置以具有同一起始位置。如曲线图所示，每个X轴偏差很好地处在10μm的限度内。事实上，每个孔都处在5μm的参考位置内。

虽然以上描述了示例性实施例，但是这些实施例不意在描述了本发明所包含的所有可能的形式。相反，说明书中使用的词语是描述性词语而不是限制性词语，而且应理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行各种改变。此外，可将各个实施的实施例的特征进行组合以形成本发明的进一步的实施例。