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加工中心熱誤差補償研究
閱讀：966 發(fā)布時間：2008-12-17熱誤差是機床zui大的誤差源之一。隨著機械加工自動化和高精度化的發(fā)展，加工中心的熱變形問題日益成為關(guān)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(jié)構(gòu) 設(shè)計和提高制造精度；（2）實現(xiàn)溫度控制；（3）進行誤 差建模和軟件補償。其中誤差補償技術(shù)，與前二者相比，具 有顯著的有效性和經(jīng)濟性。尤其在我國，經(jīng)濟型數(shù)控機床眾 多，通過誤差補償提高其熱態(tài)下的加工精度具有重要的工程 應(yīng)用前景。
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(tǒng)是對工程實際中復(fù)雜系統(tǒng)的高度概括。對于任何多 體系統(tǒng)都可用低序體陣列對系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行數(shù)字化描述。這種描述方法為分析復(fù)雜多體系統(tǒng)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(jié)構(gòu)示 意圖。
0.地基，慣性參考坐標(biāo)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。各驅(qū)動電 動機與床體分離，并具有的散熱結(jié)構(gòu)。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(zhuǎn) 時，主軸熱伸長和漂移表現(xiàn)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，度達(dá)±0.15℃，并具有15個通道，可通過RS232標(biāo)準(zhǔn)通信接口由微機拾取溫度信息。
圖2 五點測量法示意根據(jù)MAKINO加工中心的結(jié)構(gòu)特點（通過溫升曲線分析和比較（去除相關(guān)性較大的溫度測量點（并采用逐步回歸分析法（zui終確定了5個測量點的溫度作為熱誤差參數(shù)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(cè)上方、立柱后側(cè)、床身，另一個用來監(jiān)測環(huán)境溫度。
2） 熱誤差參數(shù)辨識
刀具相對于工作臺的位置誤差參數(shù)（用下標(biāo)p表示）表現(xiàn)在ε6px，ε6py，ε6pz，δ6px，δ6py，δ6pz六項熱誤差參數(shù)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(shù)。由于ε6pz對加工無影響，在此取值為零。所以通過五點法 *可以確立其它五項參數(shù)，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(cè)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(fā)現(xiàn)，由于加工中心結(jié)構(gòu)對稱、制造精度較高，主軸在X-Z平面內(nèi)的熱漂移和熱傾斜、Y-Z平面內(nèi)的熱傾斜很小；在室溫20℃、主軸轉(zhuǎn)速800r/min、長達(dá)13h的轉(zhuǎn)動下，X-Z平面內(nèi)的熱傾斜平衡在6.5×10-6rad（值，不指示方向），熱漂移平衡在2?m，Y-Z平面內(nèi)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(shù)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(guān)系進行擬合，結(jié)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(shè)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(zhǔn)面為底面和兩個相鄰的側(cè)面。一天加工一行凸臺（共10個），兩天的加工程序和環(huán)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(cè)面，并在主軸以800r/min的速度空運轉(zhuǎn)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(nèi)。
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(shù)據(jù)，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(nèi)。因為機床的溫升速度有限，所以可以認(rèn)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(jié)果試件經(jīng)三坐標(biāo)測量機測量后，將未經(jīng)補償?shù)?0個凸臺與補償加工后的10個凸臺進行對比，結(jié)果顯示補償*，精度提高平均在85%左右（見表和圖5）。
未經(jīng)補償和經(jīng)補償加工后的凸臺高度比較
| 凸臺 | 理論值（mm） | 未經(jīng)補償（mm） | 經(jīng)補償（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 |
＊:表示未經(jīng)補償加工的凸臺 +:表示經(jīng)補償加工的凸臺 -:表示理論值所在位置
圖5 凸臺高度比較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，并結(jié)合MAKINO加工中心進行了熱誤差參數(shù)辨識和實驗驗證，取得了滿意的補償效果。研究結(jié)果證明，對于數(shù)控機床，通過該建模理論和相關(guān)的辨識方法，能既經(jīng)濟又顯著地提高機床的加工精度，具有一定的推廣和應(yīng)用價值。