加工中心热误差补偿研究(上)

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　　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。
% r: ~( U: B& b" V　　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。
3 t& @- u2 V% g. l- G　　1三轴加工中心热误差建模
+ N: `( Q+ R0 a! _; c2 y　　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
5 _4 H. d  J" D5 ^图1三轴加工中心结构示意图
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　　图2五点测量法示意
　　热误差的测定
- I8 n5 S: d3 ]% d　　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。
3 v- e: v/ V! y5 h4 m) x! g# ~" G　　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1µm。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。
# b8 v6 `3 x$ @; }- O: _　　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。
　　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e6px，e6py，e6pz，d6px，d 6py，d6pz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e6pz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，d6pz=dz，e6py= (dy2-dy1)/d，e6px=(dx1-dx2)/d，d6px=dx2+300×e6px，d6py=dy2-300×e6py；其中d代表同一侧两触头间的距离，芯棒有效长度为300mm；dx1、dx2、dy1、dy2、dz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2µm，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e6px，e6py，d6px为零。运用多元线性回归方法对d6py，d6pz与5点温升间的关系进行拟合，结果如下：d6pz=0.3270-1.7336k[0]+12.5456k[1]-5.8040k[2]-6.7731k[3]-0.3 548k[4] (11)
  V' f' u; u! K3 p7 h4 l　　d6py=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。
文章关键词： 加工中心   补偿