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加工中心熱誤差補(bǔ)償研究

熱誤差是機(jī)床最大的誤差源之一返雷。隨著機(jī)械加工自動(dòng)化和高精度化的發(fā)展秋降,加工中心的熱變形問題日益成為關(guān)注的焦點(diǎn)嘱庸。
目前空崇,減小機(jī)床熱誤差的研究可分為三類:(1)改進(jìn)結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)和提高制造精度;(2)實(shí)現(xiàn)溫度控制滥尉;(3)進(jìn)行誤差建模和軟件補(bǔ)償居绸。其中誤差補(bǔ)償技術(shù),與前二者相比昼反,具 有顯著的有效性和經(jīng)濟(jì)性因登。尤其在我國,經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床眾多塔奋,通過誤差補(bǔ)償提高其熱態(tài)下的加工精度具有重要的工程 應(yīng)用前景步鸣。
本研究基于多體理論提出了熱誤差建模的理論和方法,對(duì)M AKINO加工中心的熱誤差進(jìn)行了分析和辨識(shí)醇帅,并以實(shí)時(shí) 補(bǔ)償方式進(jìn)行了加工驗(yàn)證醒囊。

1 三軸加工中心熱誤差建模

多體系統(tǒng)是對(duì)工程實(shí)際中復(fù)雜系統(tǒng)的高度概括。對(duì)于任何多 體系統(tǒng)都可用低序體陣列對(duì)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字化描述凑逗。這種描述方法為分析復(fù)雜多體系統(tǒng)提供了便利弹惦,并有助于建模的計(jì)算機(jī)化。圖1為三軸MAKINO加工中心的結(jié)構(gòu)示 意圖悄但。

    0.地基棠隐,慣性參考坐標(biāo)系
    1.床身 2.溜板 3.工作臺(tái)
    4.工件 5.刀具 6.主軸箱

    圖1 三軸加工中心結(jié)構(gòu)示意圖

    圖2 五點(diǎn)測(cè)量法示意
  1. 熱誤差的測(cè)定
    MAKINO加工中心具有良好的剛度和熱結(jié)構(gòu)。各驅(qū)動(dòng)電 動(dòng)機(jī)與床體分離檐嚣,并具有高效的散熱結(jié)構(gòu)助泽。在精加工條件下 ,主軸軸承摩擦是影響機(jī)床精度的主要熱源嚎京,尤其高速旋轉(zhuǎn) 時(shí)嗡贺,主軸熱伸長(zhǎng)和漂移表現(xiàn)得更為突出。
    本文采用5點(diǎn)法(如圖2)測(cè)量主軸相對(duì)于工作臺(tái)的熱伸長(zhǎng)鞍帝、熱傾斜和熱漂移诫睬。測(cè)量?jī)x器為電感測(cè)微儀,測(cè)量精度1μm帕涌。拾取機(jī)床溫度裝置為智能巡檢儀摄凡,該儀器采用進(jìn)口Pt-100熱電阻元件,精確度達(dá)±0.15℃蚓曼,并具有15個(gè)通道蘑慕,可通過RS232標(biāo)準(zhǔn)通信接口由微機(jī)拾取溫度信息袒忿。
    根據(jù)MAKINO加工中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(通過溫升曲線分析和比較(去除相關(guān)性較大的溫度測(cè)量點(diǎn)(并采用逐步回歸分析法(最終確定了5個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度作為熱誤差參數(shù)辨識(shí)模型的輸入,這5個(gè)測(cè)量點(diǎn)分別位于主軸軸端蕊欣、立柱前側(cè)上方蓖桅、立柱后側(cè)、床身愈秕,另一個(gè)用來監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度舍稽。
  2. 熱誤差參數(shù)辨識(shí)
    刀具相對(duì)于工作臺(tái)的位置誤差參數(shù)(用下標(biāo)p表示)表現(xiàn)在e6pxe6py矿钩,e6pz劫丧,d6pxd 6py蛀家,d6pz六項(xiàng)熱誤差參數(shù)中浊待,它們分別表示刀具(編號(hào)為6)相對(duì)于工作臺(tái)在X、Y馅溉、Z三個(gè)方向上的角位置誤差和線位置誤差參數(shù)缔类。由于e6pz對(duì)加工無影響,在此取值為零劲阎。所以通過五點(diǎn)法 完全可以確立其它五項(xiàng)參數(shù)绘盟,d6pz=dze6py= (dy2-dy1)/d悯仙,e6px=(dx1-dx2)/d龄毡,d6px=dx2+300×e6pxd6py=dy2-300×e6py锡垄;其中d代表同一側(cè)兩觸頭間的距離沦零,芯棒有效長(zhǎng)度為300mm;dx1货岭、dx2路操、dy1、dy2千贯、dz的含義見圖2屯仗。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),由于加工中心結(jié)構(gòu)對(duì)稱搔谴、制造精度較高魁袜,主軸在X-Z平面內(nèi)的熱漂移和熱傾斜、Y-Z平面內(nèi)的熱傾斜很幸莶场危晕;在室溫20℃、主軸轉(zhuǎn)速800r/min蕴节、長(zhǎng)達(dá)13h的轉(zhuǎn)動(dòng)下饼尾,X-Z平面內(nèi)的熱傾斜平衡在6.5×10-6rad(絕對(duì)值,不指示方向)贷弧,熱漂移平衡在2μm谐昌,Y-Z平面內(nèi)的熱傾斜平衡在6×10-6rad,可見由主軸這幾項(xiàng)熱變形引起的誤差量很小窟潜,對(duì)一般精度的數(shù)控機(jī)床而言筒啄,補(bǔ)償意義不大,所以可令e6px翅栖,e6py贤方,d6px為零。運(yùn)用 多元線性回歸方法對(duì)d6py谅褪,d6pz與5點(diǎn)溫升間的關(guān)系進(jìn)行擬合献甘, 結(jié)果如下:
    d6pz=0.3270-1.7336k[0]+12.5456k[1]-5.8040k[2]-6.7731k[3]-0.3 548k[4] (11)
    d6py=0.6444+0.5304k[0]+5.1889k[1]-4.0763k[2]-2.9656k[3]+0.0741k[4] (12)
    其中k[0]、k[1]张抄、k[2]砂蔽、k[3]、k[4]分別表示5個(gè)測(cè)溫點(diǎn)采來的溫度值署惯。

2 熱誤差補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證


    圖3 實(shí)驗(yàn)樣件示意

    *:表示未經(jīng)補(bǔ)償加工的凸臺(tái) +:表示經(jīng)補(bǔ)償加工的凸臺(tái) -:表示理論值所在位置
    圖5 凸臺(tái)高度比較
  1. 樣件設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)方案
    考慮到實(shí)時(shí)補(bǔ)償和驗(yàn)證模型的方便左驾,整個(gè)試件如圖3所示,基準(zhǔn)面為底面和兩個(gè)相鄰的側(cè)面极谊。一天加工一行凸臺(tái)(共10個(gè))诡右,兩天的加工程序和環(huán)境溫度情況盡可能一致;某一時(shí)刻只加工一個(gè)凸臺(tái)的三個(gè)側(cè)面轻猖,并在主軸以800r/min的速度空運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間后帆吻,再接著加工下一個(gè)凸臺(tái)。凸臺(tái)的尺寸為9mm×28mm×10mm蜕依,在一個(gè)凸臺(tái)上耗費(fèi)的加工時(shí)間在2min以內(nèi)桅锄。
    補(bǔ)償加工時(shí),在加工每個(gè)凸臺(tái)前样眠,微機(jī)實(shí)時(shí)拾取溫度數(shù)據(jù)友瘤,通過補(bǔ)償程序計(jì)算出誤差量并修正加工程序;繼而把修正后的加工程序迅速傳輸給加工中心肩蹬,整個(gè)過程可控制在8s以內(nèi)虏向。因?yàn)闄C(jī)床的溫升速度有限,所以可以認(rèn)為這種補(bǔ)償方法是實(shí)時(shí)的深酗。補(bǔ)償程序流程如圖4所示皇腮。

    圖4 補(bǔ)償程序流程圖
    未經(jīng)補(bǔ)償和經(jīng)補(bǔ)償加工后的凸臺(tái)高度比較
    凸臺(tái) 理論值(mm) 未經(jīng)補(bǔ)償(mm) 經(jīng)補(bǔ)償(mm) 精度提高(%)
    1
    2
    3
    4
    5
    6
    7
    8
    9
    10
    79.2665
    79.2665
    79.2665
    79.2665
    79.2665
    79.2665
    79.2665
    79.2665
    79.2665
    79.2665
    79.2600
    79.2580
    79.2565
    79.2575
    79.2555
    79.2505
    79.2495
    79.2465
    79.2470
    79.2460
    79.2630
    79.2665
    79.2680
    79.2670
    79.2645
    79.2635
    79.2645
    79.2640
    79.2640
    79.2655
    46
    100
    85
    94
    82
    81
    88
    87.5
    87
    95
  2. 補(bǔ)償結(jié)果試件經(jīng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量后,將未經(jīng)補(bǔ)償?shù)?0個(gè)凸臺(tái)與補(bǔ)償加工后的10個(gè)凸臺(tái)進(jìn)行對(duì)比汁恍,結(jié)果顯示補(bǔ)償效果顯著据值,精度提高平均在85%左右(見表和圖5)铛邦。

3 結(jié)論

本文應(yīng)用基于多體理論的誤差分析理論和方法,建立了三軸加工中心的熱誤差模型瘾歉,并結(jié)合MAKINO加工中心進(jìn)行了熱誤差參數(shù)辨識(shí)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證紫鳄,取得了滿意的補(bǔ)償效果。研究結(jié)果證明沧宠,對(duì)于數(shù)控機(jī)床灸蛤,通過該建模理論和相關(guān)的辨識(shí)方法,能既經(jīng)濟(jì)又顯著地提高機(jī)床的加工精度蕾奴,具有一定的推廣和應(yīng)用價(jià)值险毁。


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