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山東久誠機床有限公司
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加工中心熱誤差補償研究

來源:未知 作者:admin 時間:2017-07-15
 熱誤差是機床最大的誤差源之一。隨著機械加工自動化和高精度化的發展,加工中心的熱變形問題日益成為關注的焦點。
目前,減小機床熱誤差的研究可分為三類:(1)改進結構 設計和提高制造精度;(2)實現溫度控制;(3)進行誤 差建模和軟件補償。其中誤差補償技術,與前二者相比,具 有顯著的有效性和經濟性。尤其在我國,經濟型數控機床眾 多,通過誤差補償提高其熱態下的加工精度具有重要的工程 應用前景。
本研究基于多體理論提出了熱誤差建模的理論和方法,對M AKINO加工中心的熱誤差進行了分析和辨識,并以實時 補償方式進行了加工驗證。
1 三軸加工中心熱誤差建模
多體系統是對工程實際中復雜系統的高度概括。對于任何多 體系統都可用低序體陣列對系統拓撲結構進行數字化描述。這種描述方法為分析復雜多體系統提供了便利,并有助于建模的計算機化。圖1為三軸MAKINO加工中心的結構示 意圖。
 
0.地基,慣性參考坐標系 1.床身 2.溜板 3.工作臺
4.工件 5.刀具 6.主軸箱
圖1 三軸加工中心結構示意圖1) 熱誤差的測定
MAKINO加工中心具有良好的剛度和熱結構。各驅動電 動機與床體分離,并具有高效的散熱結構。在精加工條件下 ,主軸軸承摩擦是影響機床精度的主要熱源,尤其高速旋轉 時,主軸熱伸長和漂移表現得更為突出。
本文采用5點法(如圖2)測量主軸相對于工作臺的熱伸長、熱傾斜和熱漂移。測量儀器為電感測微儀,測量精度1?m。拾取機床溫度裝置為智能巡檢儀,該儀器采用進口Pt-100熱電阻元件,精確度達±0.15℃,并具有15個通道,可通過RS232標準通信接口由微機拾取溫度信息。
 
圖2 五點測量法示意根據MAKINO加工中心的結構特點(通過溫升曲線分析和比較(去除相關性較大的溫度測量點(并采用逐步回歸分析法(最終確定了5個測量點的溫度作為熱誤差參數辨識模型的輸入,這5個測量點分別位于主軸軸端、立柱前側上方、立柱后側、床身,另一個用來監測環境溫度。
2) 熱誤差參數辨識
刀具相對于工作臺的位置誤差參數(用下標p表示)表現在ε6px,ε6py,ε6pz,δ6px,δ6py,δ6pz六項熱誤差參數中,它們分別表示刀具(編號為6)相對于工作臺在X、Y、Z三個方向上的角位置誤差和線位置誤差參數。由于ε6pz對加工無影響,在此取值為零。所以通過五點法 完全可以確立其它五項參數,δ6pz=δz,ε6py= (δy2-δy1)/d,ε6px=(δx1-δx2)/d,δ6px=δx2+300×ε6px,δ6py=δy2-300×ε6py;其中d代表同一側兩觸頭間的距離,芯棒有效長度為300mm;δx1、δx2、δy1、δy2、δz的含義見圖2。實驗中發現,由于加工中心結構對稱、制造精度較高,主軸在X-Z平面內的熱漂移和熱傾斜、Y-Z平面內的熱傾斜很??;在室溫20℃、主軸轉速800r/min、長達13h的轉動下,X-Z平面內的熱傾斜平衡在6.5×10-6rad(絕對值,不指示方向),熱漂移平衡在2?m,Y-Z平面內的熱傾斜平衡在6×10-6rad,可見由主軸這幾項熱變形引起的誤差量很小,對一般精度的數控機床而言,補償意義不大,所以可令ε6px,ε6py,δ6px為零。運用多元線性回歸方法對δ6py,δ6pz與5點溫升間的關系進行擬合,結果如下:
δ6pz=0.3270-1.7336k[0]+12.5456k[1]-5.8040k[2]-6.7731k[3]-0.3 548k[4] (11)
δ6py=0.6444+0.5304k[0]+5.1889k[1]-4.0763k[2]-2.9656k[3]+0.0741k[4] (12)
其中k[0]、k[1]、k[2]、k[3]、k[4]分別表示5個測溫點采來的溫度值。
2 熱誤差補償實驗驗證
1) 樣件設計及實驗方案
考慮到實時補償和驗證模型的方便,整個試件如圖3所示,基準面為底面和兩個相鄰的側面。一天加工一行凸臺(共10個),兩天的加工程序和環境溫度情況盡可能一致;某一時刻只加工一個凸臺的三個側面,并在主軸以800r/min的速度空運轉一定時間后,再接 著加工下一個凸臺。凸臺的尺寸為9mm×28mm×10mm,在一個凸臺上耗費的加工時間在2min以內。
 
圖3 實驗樣件示意補償加工時,在加工每個凸臺前,微機實時拾取溫度數據,通過補償程序計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,整個過程可控制在8s以內。因為機床的溫升速度有限,所以可以認為這種補償方法是實時的。補償程序流程如圖4所示。
 
圖4 補償程序流程圖2) 補償結果試件經三坐標測量機測量后,將未經補償的10個凸臺與補償加工后的10個凸臺進行對比,結果顯示補償效果顯著,精度提高平均在85%左右(見表和圖5)。
未經補償和經補償加工后的凸臺高度比較
凸臺 理論值(mm) 未經補償(mm) 經補償(mm) 精度提高(%)
 
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