机床热变形误差实时补偿技术.docx
- 文档编号:26435885
- 上传时间:2023-06-19
- 格式:DOCX
- 页数:8
- 大小:141.26KB
机床热变形误差实时补偿技术.docx
《机床热变形误差实时补偿技术.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《机床热变形误差实时补偿技术.docx(8页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
机床热变形误差实时补偿技术
实验研究
机床热变形误差实时补偿技术
李书和*a 杨世民 张奕群 张国雄
(天津大学精密仪器与光电子工程学院
摘 要 研究了通过实时补偿热误差提高数控机床加工精度的方法.采用一维球列加快和简化了热误差的测量.利用多元线性回归方法建立了热误差与温度的数学模型.在外部微机的帮助下,可在加工过程中实时补偿热误差.切削实验表明补偿效果良好.
关键词 数控机床,热误差,补偿
分类号 TG502.15
REAL-TIMECOMPENSATIONFORTHERMALLYINDUCED
ERRORSOFMACHINETOOLS
LiShuhe YangShimin ZhangYiqun ZhangGuoxiong
(SchoolofPrecisionInstrumentandOpto-electronicsEngineering,TianjinUniversity
Abstract Thispaperisconcernedwithenhancingtheaccuracyofamachinetoolthroughcompen-satingthermalerrorsinrealtime.The1-Dballarrayisusedtoaccelerateandsimplifythethermalerrormeasurement.Themodelofthermalerrorandtemperaturefieldisdevelopedbymulti-vari-vantregressionanalysistechnique.WiththeaidofanexternalPC,theerrorcanbecompensatedinrealtime.Thecuttingtestshowsthattheeffectofcompensationissatisfactory.
Keywords NCmachinetool,thermalerror,errorcompensation
科学技术的发展对数控机床的精度和可靠性提出了越来越高的要求.大量研究表明,热误差是数控机床最大的误差源,占总误差的40%~70%[1]
.减小热误差可通过三种方法,即改进设计、温度控制和误差补偿.其中误差补偿是一种方便、经济而有效的方法[2].本文以JCS-018A立式型加工中心为对象进行了研究.首先通过实验建立热误差与机床上若干点的温升之间的数学模型,在加工过程中借助外部微机监测温度,根据模型计算热误差,利用微机与机床数控系统的通讯技术及机床运动的可控性,修改进给量,从而实现实时补偿.1998年11月Nov.1998 天 津 大 学 学 报JOURNALOFTIANJINUNIVERSITY 第31卷 第6期 Vol.31No.6
a本文1997年1月8日收到.1997年5月7日收到修改稿.
*,,
1 测量方法
1.1 热误差的测量
机床热误差是由于内外热源作用下,刀具相对工件产生热位移造成的.由于丝杠的热膨胀和立柱的热弯曲,热误差不仅取决于温度而且随各轴的位置而变化.为了全面快速地测量热误差,本文采用了一种一维球列检具.一维球列即在一刚度足够的基座上等间隔镗一系列尺寸相同的锥孔,在锥孔上粘一系列尺寸相同、球度误差很小的钢球.使用在xyz三个方向同时瞄准球心的三维测头,测量球心的坐标.以z轴为例说明测量原理,如图1a所示,将一维球列装卡在工作台上,调整使其与z轴平行.将测头固定在主轴箱上,在机床未升温状态对各球心坐标进行测量,测值作为参考值.然后,机床以一定方式运转,每隔一定时间对各球心坐标测量一次,在新状态下的测量值相对参考值的变化反映了机床的热漂移.从所测热漂移值可以得到各项热误差
.
(a工作台 (b双测头
图1 热误差的测量
Fig.1 Thermalerrormeasurement
1 机床坐标系零点的漂移
$d(t1,x0,y0,z0=[x0(ti-x0(0,y0(ti-y0(0,z0(ti-z0(0]
(1式中:
[x0(0,y0(0,z0(0]为各球心坐标的参考值;[xo(ti,y0(ti,z0(ti]为第ti时刻各球心坐标的测量值.
2 机床各轴单位长度的热膨胀
klx(ti=[x2(ti-x1(ti-x2(0+x1(0]/l
kly(ti=[y2(ti-y1(ti-y2(0+y1(0]/l
klz(ti=[z2(ti-z1(ti-z2(0+z1(0]/l
(2 3 立柱的倾斜
立柱倾斜通过测量两个Z平面上坐标值[x1(ti,y1(ti]和[x2(ti,y2(ti]来确定. 立柱在x方向的热倾斜:
Ax(ti=[x2(ti-x1(ti-x2(0+x1(0]/l(3
・811・ 第31卷第6期 李书和等:
机床热变形误差实时补偿技术
Ay(ti=[y2(ti-y1(ti-y2(0+y1(0]/l
4 刀轴的热倾斜
刀轴倾斜的测量需要使用双测头,如图1b所示.两个测头之间的距离与一维球列的各球心距相等,通过测头a、b的测量值来确定.
刀轴在x方向的热倾斜:
Bx(ti=[xb(ti-xa(ti-xb(0+xa(0]/l
(4
刀轴在y方向的热倾斜:
By(ti=[yb(ti-ya(ti-yb(0+ya(0]/l
对上述各误差最大的几项进行补偿就可大幅度提高精度.
1.2 温度的测量
根据对热源分布、热量传播、敏感部分等的理论分析和初步实验,在床身上比较重要的位置分布12个热敏电阻,测量温度.热敏电阻的位置和作用如表1所示.
表1 热敏电阻的位置和作用
Tab.1 Thepositionsandfunctionsoftemperaturesensors热敏电阻
T1T2,T11,T12,T9T3,T7,T8T5,T10T4T6位置
工作台主轴轴套、主轴箱立柱的上下端Z轴滚珠丝杠一维球列检具前后轴承、电机轴承作用参考温度主轴的热变形立柱的热膨胀丝杠的热膨胀检具的热膨胀1.3 测量策略
为辨识机床热特性,让机床运行方式接近加工状态,在不同的坐标下,实验方式有三种:
1主轴以不同的固定转速转动;2主轴按转速谱转动;3主轴转速模拟实际加工过程.2 热特性的分析
在一典型实验中(主轴转速n=800r/min,t=0~210min;n=0r/min,t=210~300min发现,主轴前后轴承的磨擦热是机床的最大热源,温度变化最为剧烈,幅值达4~5℃.而立柱的热容量较大,温升比较缓慢,在主轴停转后立柱温度仍继续上升.z轴滚珠丝杠轴承的温度变化很大.主轴箱箱体左右的温度变化不太剧烈.床身温度和室温变化缓慢.
在热误差方面,z轴零点热漂移最大,可达30Lm,x轴和y轴热漂移值较小,仅为5Lm.同时z轴热膨胀也最大,相对零点100mm距离的热膨胀达3~4Lm.
分析表明,该机床z轴热误差最大.实际上z轴热误差是主轴热膨胀、主轴箱热变形、z轴滚珠丝杠热膨胀和立柱热变形等几部分造成的.其中丝杠膨胀和立柱的弯曲与z轴位置有关,如图2示.
图3为不同z坐标下(z1=-50,z2=-150,z3=-250,z4=-350z轴热漂移的情况.开始阶段几条曲线比较相似,随时间的推移而逐渐分离.这是由于开始阶段热漂移主要是由与位置无关的主轴热位移造成的,变化速度比较快,很快达到热平衡.此后,与位置有关的热・812・天 津 大 学 学 报 1998年11月
热漂移的不同
.
图2 z轴热误差的分量 图3 不同z坐标下的热误差
Fig.2 Thecomponentsofz-axis Fig.3 Thermalerrorsatdifferent
thermalerror zcoordinates
3 热误差的建模
由于z轴的热误差最大,这里只研究z轴热误差的建模.图4和图5为模型拟合热误差和预测新工作状态下热误差的情况
.
图4 对一新工作条件下(800r/min 图5 对一新工作条件下(DIN8602转速谱 热误差的拟合情况 热误差的预测情况
Fig.4 Fittingresultofthethermalerrorat Fig.5 Predictionresultofthethermalerror anewcuttingcondition(800r/min atanewcuttingcondition(DIN8602spectrum
3.1 误差合成公式
z轴任一坐标处z1的热误差为
$z(z1=$z(z0+k(z1-z0(5式中:
$z(z0为z轴零点处的热漂移;k为z轴单位长度的热膨胀.这里只考虑了这两项最显著的误差.
3.2 多元线性回归模型
采用线性回归分析分别建立z轴零点热漂移和z轴热膨胀与温度的模型.模型的形式为[3]
・813・ 第31卷第6期 李书和等:
机床热变形误差实时补偿技术
yd=B0+B1x1+B2x2+……+Bmxm+E式中:
y
d为所要估计的热误差;x1,…,xm为机床各测温点的温升值;B0,B1,…,Bm为模型中的未知参数;E为残余误差.模型中的参数用最小二乘法估计.
3.3 热敏感点的选择
在建立模型时,自变量的选择是一个关键问题.如果遗漏了重要的变量,回归效果一定不会好.自变量过多,把对因变量影响不显著的也引入,会影响方程的稳定性,效果也不会好.同时,实时监测、计算等的任务量也加大了.为从12个候选温度测点中挑选“热敏感点”,从而建立最优模型,采用了逐步线性回归方法.回归方程每次选入一个变量,每选入一个新的自变量后都重新对构成该方程的每个自变量进行一轮新的偏F检验.如果发现某个自变量的上述边际贡献不显著,不论是前期选入的还是现期选入的,都要剔除出回归方程,并用剩下的自变量重新拟合回归方程.这一过程按上述原则一直进行,直到待筛选的全部自变量中根据给定的显著水平没有一个再能被选入或排除出刚构成的回归方程为止.这些工作都用大型数学工具软件包SPSS来实现.最终,选出4个“热敏感点”,即工作台、主轴箱箱体、立柱和主轴轴承.由图4和图5可见模型拟合热误差和预测一种新工作状态下热误差,结果比较准确.
4 热误差补偿的执行
大多数数控系统不具备热误差实时补偿功能,所以要借助于外部微机.监测机床上4个点的温度,通过接口板采集机床的坐标位置,利用存储在微机中热误差模型计算热误差.利用微机与数控CNC系统的直接通讯技术,将补偿值传送到机床控制器,通过改变机床零点的位置来实现实时补偿.
为了验证热误差的补偿效果,进行了铣削实验,以所铣槽深的变化反映热误差.JCS-018A的定位精度为1Lm,加工的工艺条件为:
主轴转速1000r/min,切削量0.1mm,不使用冷却液.在相同的条件下进行了多次实验.槽深误差由7Lm减小到2Lm,补偿效果达到70%左右.
5 结 论
研究了JCS-018A型加工中心热误差的补偿.用一维球列测量机床加工空间内的热误差,在机床结构的关键位置上布置热敏电阻测量温度,制订了测量策略,对机床的热特性进行了分析并利用回归分析确定热误差与4个敏感点的温度之间的关系.通过切削实验,验证热误差补偿效果非常明显.
参 考 文 献
1 BryanJ.Internationalstatusofthermalerrorresearch.AnnalsoftheCIRP,1990;39(2:
645~656
2 ChenJS,YuanJ,NiJetal.Real-timecompensationfortime-variantvolumetricerroronamachiningcenter.ASMEJournalofEngineeringforIndustry,1993;114:
472~4793,・814・天 津 大 学 学 报 1998年11月
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 机床 变形 误差 实时 补偿 技术