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加工中心热误差补偿研究

来源:未知 作者:admin 时间:2017-07-15
 热误差是机床最大的误差源之一。随着机械加工自动化和高精度化的发展,加工中心的热变形问题日益成为关注的焦点。
目前,减小机床热误差的研究可分为三类:(1)改进结构 设计和提高制造精度;(2)实现温度控制;(3)进行误 差建模和软件补偿。其中误差补偿技术,与前二者相比,具 有显著的有效性和经济性。尤其在我国,经济型数控机床众 多,通过误差补偿提高其热态下的加工精度具有重要的工程 应用前景。
本研究基于多体理论提出了热误差建模的理论和方法,对M AKINO加工中心的热误差进行了分析和辨识,并以实时 补偿方式进行了加工验证。
1 三轴加工中心热误差建模
多体系统是对工程实际中复杂系统的高度概括。对于任何多 体系统都可用低序体阵列对系统拓扑结构进行数字化描述。这种描述方法为分析复杂多体系统提供了便利,并有助于建模的计算机化。图1为三轴MAKINO加工中心的结构示 意图。
 
0.地基,惯性参考坐标系 1.床身 2.溜板 3.工作台
4.工件 5.刀具 6.主轴箱
图1 三轴加工中心结构示意图1) 热误差的测定
MAKINO加工中心具有良好的刚度和热结构。各驱动电 动机与床体分离,并具有高效的散热结构。在精加工条件下 ,主轴轴承摩擦是影响机床精度的主要热源,尤其高速旋转 时,主轴热伸长和漂移表现得更为突出。
本文采用5点法(如图2)测量主轴相对于工作台的热伸长、热倾斜和热漂移。测量仪器为电感测微仪,测量精度1?m。拾取机床温度装置为智能巡检仪,该仪器采用进口Pt-100热电阻元件,精确度达±0.15℃,并具有15个通道,可通过RS232标准通信接口由微机拾取温度信息。
 
图2 五点测量法示意根据MAKINO加工中心的结构特点(通过温升曲线分析和比较(去除相关性较大的温度测量点(并采用逐步回归分析法(最终确定了5个测量点的温度作为热误差参数辨识模型的输入,这5个测量点分别位于主轴轴端、立柱前侧上方、立柱后侧、床身,另一个用来监测环境温度。
2) 热误差参数辨识
刀具相对于工作台的位置误差参数(用下标p表示)表现在ε6px,ε6py,ε6pz,δ6px,δ6py,δ6pz六项热误差参数中,它们分别表示刀具(编号为6)相对于工作台在X、Y、Z三个方向上的角位置误差和线位置误差参数。由于ε6pz对加工无影响,在此取值为零。所以通过五点法 完全可以确立其它五项参数,δ6pz=δz,ε6py= (δy2-δy1)/d,ε6px=(δx1-δx2)/d,δ6px=δx2+300×ε6px,δ6py=δy2-300×ε6py;其中d代表同一侧两触头间的距离,芯棒有效长度为300mm;δx1、δx2、δy1、δy2、δz的含义见图2。实验中发现,由于加工中心结构对称、制造精度较高,主轴在X-Z平面内的热漂移和热倾斜、Y-Z平面内的热倾斜很小;在室温20℃、主轴转速800r/min、长达13h的转动下,X-Z平面内的热倾斜平衡在6.5×10-6rad(绝对值,不指示方向),热漂移平衡在2?m,Y-Z平面内的热倾斜平衡在6×10-6rad,可见由主轴这几项热变形引起的误差量很小,对一般精度的数控机床而言,补偿意义不大,所以可令ε6px,ε6py,δ6px为零。运用多元线性回归方法对δ6py,δ6pz与5点温升间的关系进行拟合,结果如下:
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]分别表示5个测温点采来的温度值。
2 热误差补偿实验验证
1) 样件设计及实验方案
考虑到实时补偿和验证模型的方便,整个试件如图3所示,基准面为底面和两个相邻的侧面。一天加工一行凸台(共10个),两天的加工程序和环境温度情况尽可能一致;某一时刻只加工一个凸台的三个侧面,并在主轴以800r/min的速度空运转一定时间后,再接 着加工下一个凸台。凸台的尺寸为9mm×28mm×10mm,在一个凸台上耗费的加工时间在2min以内。
 
图3 实验样件示意补偿加工时,在加工每个凸台前,微机实时拾取温度数据,通过补偿程序计算出误差量并修正加工程序;继而把修正后的加工程序迅速传输给加工中心,整个过程可控制在8s以内。因为机床的温升速度有限,所以可以认为这种补偿方法是实时的。补偿程序流程如图4所示。
 
图4 补偿程序流程图2) 补偿结果试件经三坐标测量机测量后,将未经补偿的10个凸台与补偿加工后的10个凸台进行对比,结果显示补偿效果显著,精度提高平均在85%左右(见表和图5)。
未经补偿和经补偿加工后的凸台高度比较
凸台 理论值(mm) 未经补偿(mm) 经补偿(mm) 精度提高(%)
 
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