五軸數(shù)控機床熱誤差檢測分析范文

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機床裝配精度達到一個極限時，機床的整體制造精度就到達了一個瓶頸，此時進一步提高機床精度，就需要解決機床熱誤差問題。機床處在生產(chǎn)環(huán)境之中，受外部環(huán)境溫度的影響及自身運動而產(chǎn)生的熱量影響，機床的溫度會隨時間變化而產(chǎn)生非規(guī)律性的溫度變化，由于金屬的熱應力特性，金屬機床機構的溫度變化勢必使機床各機構產(chǎn)生伸縮或變形，從而造成機床產(chǎn)生精度近些年來，隨著科技水平、機床技術的提高及工業(yè)對高精度、高穩(wěn)定性機床的需求越來越多，高精密機床發(fā)展迅速。高精密機床在各種機床結構設計、材料、工藝、零部件加工精度、機床裝配精度達到一個極限時，機床的整體制造精度就到達了一個瓶頸，此時進一步提高機床精度，就需要解決機床熱誤差問題。機床處在生產(chǎn)環(huán)境之中，受外部環(huán)境溫度的影響及自身運動而產(chǎn)生的熱量影響，機床的溫度會隨時間變化而產(chǎn)生非規(guī)律性的溫度變化，由于金屬的熱應力特性，金屬機床機構的溫度變化勢必使機床各機構產(chǎn)生伸縮或變形，從而造成機床產(chǎn)生精度偏差。

1熱誤差對機床的影響

機床在被加工工件上產(chǎn)生的精度偏差稱之為機床加工誤差。根據(jù)加工誤差，將機床誤差可以在工件最終反映的誤差劃分為機床幾何誤差、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，機床幾何誤差、熱誤差和力誤差這3類誤差分別占機床誤差的比例如表1所示。表中，機床精度的幾何誤差、熱誤差、力變形誤差占到機床誤差的28%、54%、18%，所以對機床這3項誤差的控制將是提高機床加工精度的關鍵，其中的幾何誤差和力誤差是通過機床結構設計、材料、工藝、零部件加工、機床裝配等進行控制的，每部機床制造完成后其誤差值就是相對固定的。而熱誤差是機床在使用過程中產(chǎn)生的，且是一個非規(guī)律性變化的誤差[1]。機床的溫度場所能達到的平衡是一個動態(tài)的平衡，機床因溫度變化而產(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、輻射將傳導到機床之上，也將造成機床溫度變化，此外機床內(nèi)部的軸承、導軌等運動部件間的摩擦；冷卻潤滑液、切削液；電機功率損耗等都會產(chǎn)生大量的熱量，大量的熱量聚集引起機床內(nèi)部產(chǎn)生熱應力，致使機床部件只有通過變形來平衡熱應力的作用。熱量可導致主軸伸長、絲桿膨脹、床身和立柱的變形、機床的結構變化等熱變形。由于各零件形狀、結構及約束條件不同，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，最終導致機床加工精度下降。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、時間變化而變化，同時機床有一定熱容量，其溫升還存在時滯現(xiàn)象，因此機床的熱變形是隨時間而變化的非規(guī)律性現(xiàn)象[2]。圖1所示為機床的熱作用過程，在機床工作過程中，機床在內(nèi)部熱源及外部熱源的作用下，產(chǎn)生熱量并傳導給機床各部位產(chǎn)生溫差，各零部件產(chǎn)生熱應力從而發(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。直接檢測指機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、千分表等各種機械或光學的方法直接測量相應誤差。間接估計是指通過使用球桿儀等測量儀器測量出綜合誤差后，利用運動學原理估計各種誤差分量。直接檢測方法直觀明了，檢驗結果的精度一般較高，但是往往需要專業(yè)檢測設備才能進行檢測，所耗費的時間一般較間接估計長，對某些誤差目前還根本無法進行直接檢測。對這些無法直接檢測的誤差，間接估計提供了一種快速有效的誤差估計方法[3]。本文以立式鉆攻五軸數(shù)控機床主軸熱誤差檢測作為案例。2.1機床主軸參數(shù)本案例為對某品牌的立式鉆攻五軸數(shù)控機床的主軸進行熱誤差檢測，因為機床主軸為高速旋轉(zhuǎn)部件，運轉(zhuǎn)時會產(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床熱誤差檢測的重點。本案例機床為高剛性結構，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，機床XYZ軸定位精度0.01mm，重復定位精度0.005mm，切削速度48m/min。2.2主軸檢測設置（1）傳感器布置因機床主軸為高速旋轉(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，采用在主軸安裝主軸檢驗棒替代加工刀具，并在檢驗棒端面設置3個位移傳感器方式，用檢驗棒三向位移量替代主軸熱誤差值，以采集機床主軸熱誤差狀況。同時為了檢驗機床主軸熱誤差與溫度、時間的關系，本案例設置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）試驗條件設置為了減少外部環(huán)境溫度場對機床溫度的干擾，機床試驗環(huán)境采用恒溫恒濕環(huán)境，其中環(huán)境溫度設置在22℃，相對濕度設置在55%，并將機床在此環(huán)境下靜置48h，使溫度平衡。檢驗分兩段進行，分別采集兩次數(shù)據(jù)。第一段，機床主軸以最高轉(zhuǎn)速連續(xù)運轉(zhuǎn)0.5h，中間停機2h；第二段，機床以最高轉(zhuǎn)速連續(xù)運轉(zhuǎn)4h，試驗過程中，主軸冷卻系統(tǒng)持續(xù)工作。（3）試驗結果從采集數(shù)據(jù)看，機床主軸第一段檢驗，由于主軸起始溫度較低，同時機床有一定熱容量，其溫升存在時滯，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，溫度得到釋放及平衡，進行第二段檢驗時，觀察到主軸前0.5h，溫度及位移未有明顯變化，當?shù)?.5h時，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?shù)郊s4h時，主軸及冷切液的溫度達到一位相對平穩(wěn)狀態(tài)，主軸熱誤差也達到一個相對平穩(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)生的機理看，機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償法。誤差防止法通過改進機床結構，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構設計，此方法經(jīng)濟成本高，且存在著無法克服外界環(huán)境干擾等問題；誤差補償法為采用軟件技術對機床進行誤差補償，其原理為人為設置新的誤差去抵消或削弱機床誤差，誤差補償法是一項經(jīng)濟效益顯著且實用高效的熱誤差控制手段，現(xiàn)已成為機床減少熱誤差研究的主要方向[4]。從本案例試驗結果看，主軸熱誤差與時間、溫度存在一個函數(shù)關系，且通過大量試驗，發(fā)現(xiàn)此函數(shù)關系具有相對穩(wěn)定性。因此可以設置一個系統(tǒng)，將在主軸的某個時間，某個溫度點上的熱誤差量進行模型化，當主軸在某個時間，達到某個溫度時，通過此模型，即可知道主軸的熱圖1機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，從而對主軸進行熱誤差補償[5]。誤差補償系統(tǒng)原理是在誤差檢測的基礎上，形成實時檢測，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)換成計算機可接受的數(shù)字量信號，并根據(jù)系統(tǒng)所建立的模型計算相應誤差補償量[6]。機床不同的熱誤差源性質(zhì)不同，對機床精度的影響也不同，實現(xiàn)誤差補償所需建立的模型也就不同。因此對機床形成有效的誤差補償，需要對各項誤差分別進行檢測，并分別建立模型，綜合各模型，最終形成機床誤差補償系統(tǒng)[7-8]。

4結束語

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

作者:謝澤兵 阮毅 余寧 單位:廣東省機械研究所