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加工中心熱誤差補(bǔ)償研究

作者:天乙數(shù)控機(jī)床時(shí)間:2023-11-10870次瀏覽

信息摘要:

熱誤差是機(jī)床zui大的誤差源之一。隨著機(jī)械加工自動(dòng)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(diǎn)。目前,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;(3)進(jìn)行誤 差建模和軟件補(bǔ)償。其中誤差補(bǔ)償技術(shù),與前二者相比,具 有顯著的有效性和經(jīng)濟(jì)性。尤其在我國,經(jīng)

熱誤差是機(jī)床zui大的誤差源之一。隨著機(jī)械加工自動(dòng)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(diǎn)。


目前,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;(3)進(jìn)行誤 差建模和軟件補(bǔ)償。其中誤差補(bǔ)償技術(shù),與前二者相比,具 有顯著的有效性和經(jīng)濟(jì)性。尤其在我國,經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床眾 多,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。


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(jìn)行了分析和辨識,并以實(shí)時(shí) 補(bǔ)償方式進(jìn)行了加工驗(yàn)證。


1 三軸加工中心熱誤差建模


多體系統(tǒng)是對工程實(shí)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(jìn)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(jì)算機(jī)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(dòng)電 動(dòng)機(jī)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(jī)床精度的主要熱源,尤其高速旋轉(zhuǎn) 時(shí),主軸熱伸長和漂移表現(xiàn)得更為突出。


本文采用5點(diǎn)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(jī)床溫度裝置為智能巡檢儀,該儀器采用進(jìn)口Pt-100熱電阻元件,度達(dá)±0.15℃,并具有15個(gè)通道,可通過RS232標(biāo)準(zhǔn)通信接口由微機(jī)拾取溫度信息。


圖2 五點(diǎn)測量法示意根據(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)性較大的溫度測量點(diǎn)(并采用逐步回歸分析法(zui終確定了5個(gè)測量點(diǎn)的溫度作為熱誤差參數(shù)辨識模型的輸入,這5個(gè)測量點(diǎn)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(gè)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(xiàng)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(gè)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(diǎn)法 *可以確立其它五項(xiàng)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(shí)驗(yàn)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??;在室溫20℃、主軸轉(zhuǎn)速800r/min、長達(dá)13h的轉(zhuǎn)動(dòng)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(xiàng)熱變形引起的誤差量很小,對一般精度的數(shù)控機(jī)床而言,補(bǔ)償意義不大,所以可令ε6px,ε6py,δ6px為零。運(yùn)用多元線性回歸方法對δ6py,δ6pz與5點(diǎn)溫升間的關(guān)系進(jìn)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(gè)測溫點(diǎn)采來的溫度值。


2 熱誤差補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證


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,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。一天加工一行凸臺(共10個(gè)),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)凸臺的三個(gè)側(cè)面,并在主軸以800r/min的速度空運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間后,再接 著加工下一個(gè)凸臺。凸臺的尺寸為9mm×28mm×10mm,在一個(gè)凸臺上耗費(fèi)的加工時(shí)間在2min以內(nèi)。


圖3 實(shí)驗(yàn)樣件示意補(bǔ)償加工時(shí),在加工每個(gè)凸臺前,微機(jī)實(shí)時(shí)拾取溫度數(shù)據(jù),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,整個(gè)過程可控制在8s以內(nèi)。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。補(bǔ)償程序流程如圖4所示。


圖4 補(bǔ)償程序流程圖2) 補(bǔ)償結(jié)果試件經(jīng)三坐標(biāo)測量機(jī)測量后,將未經(jīng)補(bǔ)償?shù)?0個(gè)凸臺與補(bǔ)償加工后的10個(gè)凸臺進(jìn)行對比,結(jié)果顯示補(bǔ)償*,精度提高平均在85%左右(見表和圖5)。




*:表示未經(jīng)補(bǔ)償加工的凸臺 +:表示經(jīng)補(bǔ)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(jìn)行了熱誤差參數(shù)辨識和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,取得了滿意的補(bǔ)償效果。研究結(jié)果證明,對于數(shù)控機(jī)床,通過該建模理論和相關(guān)的辨識方法,能既經(jīng)濟(jì)又顯著地提高機(jī)床的加工精度,具有一定的推廣和應(yīng)用價(jià)值。


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