加工中心熱誤差補(bǔ)償研究
1 三軸加工中心熱誤差建模
- 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。
- 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e6px,e6py矿钩,e6pz劫丧,d6px,d 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=dz,e6py= (dy2-dy1)/d悯仙,e6px=(dx1-dx2)/d龄毡,d6px=dx2+300×e6px,d6py=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) - 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e6px,e6py矿钩,e6pz劫丧,d6px,d 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=dz,e6py= (dy2-dy1)/d悯仙,e6px=(dx1-dx2)/d龄毡,d6px=dx2+300×e6px,d6py=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:
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 |
2 熱誤差補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
- 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
1079.2665
79.2665
79.2665
79.2665
79.2665
79.2665
79.2665
79.2665
79.2665
79.266579.2600
79.2580
79.2565
79.2575
79.2555
79.2505
79.2495
79.2465
79.2470
79.246079.2630
79.2665
79.2680
79.2670
79.2645
79.2635
79.2645
79.2640
79.2640
79.265546
100
85
94
82
81
88
87.5
87
95 - 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。
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 |
3 結(jié)論
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