五軸數(shù)控機(jī)床熱誤差檢測分析范文

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機(jī)床裝配精度達(dá)到一個極限時(shí)，機(jī)床的整體制造精度就到達(dá)了一個瓶頸，此時(shí)進(jìn)一步提高機(jī)床精度，就需要解決機(jī)床熱誤差問題。機(jī)床處在生產(chǎn)環(huán)境之中，受外部環(huán)境溫度的影響及自身運(yùn)動而產(chǎn)生的熱量影響，機(jī)床的溫度會隨時(shí)間變化而產(chǎn)生非規(guī)律性的溫度變化，由于金屬的熱應(yīng)力特性，金屬機(jī)床機(jī)構(gòu)的溫度變化勢必使機(jī)床各機(jī)構(gòu)產(chǎn)生伸縮或變形，從而造成機(jī)床產(chǎn)生精度近些年來，隨著科技水平、機(jī)床技術(shù)的提高及工業(yè)對高精度、高穩(wěn)定性機(jī)床的需求越來越多，高精密機(jī)床發(fā)展迅速。高精密機(jī)床在各種機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料、工藝、零部件加工精度、機(jī)床裝配精度達(dá)到一個極限時(shí)，機(jī)床的整體制造精度就到達(dá)了一個瓶頸，此時(shí)進(jìn)一步提高機(jī)床精度，就需要解決機(jī)床熱誤差問題。機(jī)床處在生產(chǎn)環(huán)境之中，受外部環(huán)境溫度的影響及自身運(yùn)動而產(chǎn)生的熱量影響，機(jī)床的溫度會隨時(shí)間變化而產(chǎn)生非規(guī)律性的溫度變化，由于金屬的熱應(yīng)力特性，金屬機(jī)床機(jī)構(gòu)的溫度變化勢必使機(jī)床各機(jī)構(gòu)產(chǎn)生伸縮或變形，從而造成機(jī)床產(chǎn)生精度偏差。

1熱誤差對機(jī)床的影響

機(jī)床在被加工工件上產(chǎn)生的精度偏差稱之為機(jī)床加工誤差。根據(jù)加工誤差，將機(jī)床誤差可以在工件最終反映的誤差劃分為機(jī)床幾何誤差、熱變形誤差和力變形誤差。經(jīng)大量案例積累和研究統(tǒng)計(jì)，機(jī)床幾何誤差、熱誤差和力誤差這3類誤差分別占機(jī)床誤差的比例如表1所示。表中，機(jī)床精度的幾何誤差、熱誤差、力變形誤差占到機(jī)床誤差的28%、54%、18%，所以對機(jī)床這3項(xiàng)誤差的控制將是提高機(jī)床加工精度的關(guān)鍵，其中的幾何誤差和力誤差是通過機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料、工藝、零部件加工、機(jī)床裝配等進(jìn)行控制的，每部機(jī)床制造完成后其誤差值就是相對固定的。而熱誤差是機(jī)床在使用過程中產(chǎn)生的，且是一個非規(guī)律性變化的誤差[1]。機(jī)床的溫度場所能達(dá)到的平衡是一個動態(tài)的平衡，機(jī)床因溫度變化而產(chǎn)生的熱變形是產(chǎn)生熱誤差的直接原因。機(jī)床身處生產(chǎn)環(huán)境之中，環(huán)境的溫度變化、日照、輻射將傳導(dǎo)到機(jī)床之上，也將造成機(jī)床溫度變化，此外機(jī)床內(nèi)部的軸承、導(dǎo)軌等運(yùn)動部件間的摩擦；冷卻潤滑液、切削液；電機(jī)功率損耗等都會產(chǎn)生大量的熱量，大量的熱量聚集引起機(jī)床內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，致使機(jī)床部件只有通過變形來平衡熱應(yīng)力的作用。熱量可導(dǎo)致主軸伸長、絲桿膨脹、床身和立柱的變形、機(jī)床的結(jié)構(gòu)變化等熱變形。由于各零件形狀、結(jié)構(gòu)及約束條件不同，引起拉、壓、彎、扭等各種位移，造成各零部件產(chǎn)生不同程度的熱變形，最終導(dǎo)致機(jī)床加工精度下降。各種熱源的發(fā)熱量以及環(huán)境溫度均隨著具體加工情況、時(shí)間變化而變化，同時(shí)機(jī)床有一定熱容量，其溫升還存在時(shí)滯現(xiàn)象，因此機(jī)床的熱變形是隨時(shí)間而變化的非規(guī)律性現(xiàn)象[2]。圖1所示為機(jī)床的熱作用過程，在機(jī)床工作過程中，機(jī)床在內(nèi)部熱源及外部熱源的作用下，產(chǎn)生熱量并傳導(dǎo)給機(jī)床各部位產(chǎn)生溫差，各零部件產(chǎn)生熱應(yīng)力從而發(fā)生熱變形。

2熱誤差檢測案例

熱誤差的檢測可分為直接檢測與間接估計(jì)。直接檢測指機(jī)床在不同位置和溫度條件下，通過激光干涉儀、CCD位移傳感器、溫度傳感器、千分表等各種機(jī)械或光學(xué)的方法直接測量相應(yīng)誤差。間接估計(jì)是指通過使用球桿儀等測量儀器測量出綜合誤差后，利用運(yùn)動學(xué)原理估計(jì)各種誤差分量。直接檢測方法直觀明了，檢驗(yàn)結(jié)果的精度一般較高，但是往往需要專業(yè)檢測設(shè)備才能進(jìn)行檢測，所耗費(fèi)的時(shí)間一般較間接估計(jì)長，對某些誤差目前還根本無法進(jìn)行直接檢測。對這些無法直接檢測的誤差，間接估計(jì)提供了一種快速有效的誤差估計(jì)方法[3]。本文以立式鉆攻五軸數(shù)控機(jī)床主軸熱誤差檢測作為案例。2.1機(jī)床主軸參數(shù)本案例為對某品牌的立式鉆攻五軸數(shù)控機(jī)床的主軸進(jìn)行熱誤差檢測，因?yàn)闄C(jī)床主軸為高速旋轉(zhuǎn)部件，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會產(chǎn)生大量熱量，且其軸端安裝有加工刀具，其熱誤差直接影響著被加工工件的加工精度，因此主軸熱誤差檢測是機(jī)床熱誤差檢測的重點(diǎn)。本案例機(jī)床為高剛性結(jié)構(gòu)，主軸為拉釘型的BT30主軸，主軸最高轉(zhuǎn)速20000r/min，主軸額定功率3.7kW，最大功率5.5kW，主軸扭矩11.8N•m，機(jī)床XYZ軸定位精度0.01mm，重復(fù)定位精度0.005mm，切削速度48m/min。2.2主軸檢測設(shè)置（1）傳感器布置因機(jī)床主軸為高速旋轉(zhuǎn)部件，對主軸難以直接檢測熱變形量。由于主軸為軸狀部件，其熱變形存在熱膨脹變形及熱伸縮變形。由于機(jī)床主軸熱變形主要反映在加工刀具加工端面上，本案例利用拉釘型的BT30主軸特點(diǎn)，采用在主軸安裝主軸檢驗(yàn)棒替代加工刀具，并在檢驗(yàn)棒端面設(shè)置3個位移傳感器方式，用檢驗(yàn)棒三向位移量替代主軸熱誤差值，以采集機(jī)床主軸熱誤差狀況。同時(shí)為了檢驗(yàn)機(jī)床主軸熱誤差與溫度、時(shí)間的關(guān)系，本案例設(shè)置3個溫度傳感器，分別監(jiān)控主軸法蘭、冷卻液輸入管及環(huán)境溫度。（2）試驗(yàn)條件設(shè)置為了減少外部環(huán)境溫度場對機(jī)床溫度的干擾，機(jī)床試驗(yàn)環(huán)境采用恒溫恒濕環(huán)境，其中環(huán)境溫度設(shè)置在22℃，相對濕度設(shè)置在55%，并將機(jī)床在此環(huán)境下靜置48h，使溫度平衡。檢驗(yàn)分兩段進(jìn)行，分別采集兩次數(shù)據(jù)。第一段，機(jī)床主軸以最高轉(zhuǎn)速連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)0.5h，中間停機(jī)2h；第二段，機(jī)床以最高轉(zhuǎn)速連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)4h，試驗(yàn)過程中，主軸冷卻系統(tǒng)持續(xù)工作。（3）試驗(yàn)結(jié)果從采集數(shù)據(jù)看，機(jī)床主軸第一段檢驗(yàn)，由于主軸起始溫度較低，同時(shí)機(jī)床有一定熱容量，其溫升存在時(shí)滯，主軸溫度未有明顯上升，主軸各向未有明顯的位移，主軸未產(chǎn)生明顯熱誤差。主軸經(jīng)過中間停機(jī)，溫度得到釋放及平衡，進(jìn)行第二段檢驗(yàn)時(shí)，觀察到主軸前0.5h，溫度及位移未有明顯變化，當(dāng)?shù)?.5h時(shí)，主軸的溫度與位移發(fā)生激增，隨著主軸冷切液溫度的慢慢增高，主軸溫度及熱誤差在慢慢增加，其中主軸端面伸縮變形為主要變形量，當(dāng)?shù)郊s4h時(shí)，主軸及冷切液的溫度達(dá)到一位相對平穩(wěn)狀態(tài)，主軸熱誤差也達(dá)到一個相對平穩(wěn)狀態(tài)，最終主軸伸長（熱誤差值）約0.03mm。

3檢測案例分析

從熱誤差產(chǎn)生的機(jī)理看，機(jī)床減少熱誤差對加工精度的影響主要有兩種方法：誤差防止法和誤差補(bǔ)償法。誤差防止法通過改進(jìn)機(jī)床結(jié)構(gòu)，采用新材料，提高制造精度和熱穩(wěn)定性來減少和消除熱誤差源，主要有：減少摩擦降低熱源、采用熱穩(wěn)定性材料減少熱變形和熱魯棒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，此方法經(jīng)濟(jì)成本高，且存在著無法克服外界環(huán)境干擾等問題；誤差補(bǔ)償法為采用軟件技術(shù)對機(jī)床進(jìn)行誤差補(bǔ)償，其原理為人為設(shè)置新的誤差去抵消或削弱機(jī)床誤差，誤差補(bǔ)償法是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)效益顯著且實(shí)用高效的熱誤差控制手段，現(xiàn)已成為機(jī)床減少熱誤差研究的主要方向[4]。從本案例試驗(yàn)結(jié)果看，主軸熱誤差與時(shí)間、溫度存在一個函數(shù)關(guān)系，且通過大量試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)此函數(shù)關(guān)系具有相對穩(wěn)定性。因此可以設(shè)置一個系統(tǒng)，將在主軸的某個時(shí)間，某個溫度點(diǎn)上的熱誤差量進(jìn)行模型化，當(dāng)主軸在某個時(shí)間，達(dá)到某個溫度時(shí)，通過此模型，即可知道主軸的熱圖1機(jī)床的熱作用過程變形誤差值，在主軸熱變形的反向人為制造一個誤差值，即可以抵消主軸因熱變形產(chǎn)生誤差值，從而對主軸進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償[5]。誤差補(bǔ)償系統(tǒng)原理是在誤差檢測的基礎(chǔ)上，形成實(shí)時(shí)檢測，并將溫度傳感器和位移傳感器（熱誤差）信號變傳為微電流信號，經(jīng)信號調(diào)理、濾波處理后轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集卡所要求的電壓信號，數(shù)據(jù)采集卡通過模數(shù)轉(zhuǎn)換再將電壓信號轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可接受的數(shù)字量信號，并根據(jù)系統(tǒng)所建立的模型計(jì)算相應(yīng)誤差補(bǔ)償量[6]。機(jī)床不同的熱誤差源性質(zhì)不同，對機(jī)床精度的影響也不同，實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償所需建立的模型也就不同。因此對機(jī)床形成有效的誤差補(bǔ)償，需要對各項(xiàng)誤差分別進(jìn)行檢測，并分別建立模型，綜合各模型，最終形成機(jī)床誤差補(bǔ)償系統(tǒng)[7-8]。

4結(jié)束語

本文簡析熱誤差的形成機(jī)理及控制和減少機(jī)床熱誤差在提高機(jī)床精度的作用。在機(jī)床通過設(shè)計(jì)、制造、材料、工藝、裝配等方面無法顯著提高精度或經(jīng)濟(jì)效益過少的情況下，基于熱誤差檢測的熱誤差補(bǔ)償是一種經(jīng)濟(jì)效益十分顯著并能有效提高機(jī)床加工精度的方法。對熱誤差補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行研究是高精密機(jī)床提高加工精度的關(guān)鍵，也有利于提高普通機(jī)床的加工精度，對改造低精度機(jī)床或老機(jī)床也有著重大的意義。

作者:謝澤兵 阮毅 余寧 單位:廣東省機(jī)械研究所