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五轴数控机床热误差检测分析

2019/10/30 阅读:

机床装配精度达到一个极限时,机床的整体制造精度就到达了一个瓶颈,此时进一步提高机床精度,就需要解决机床热误差问题。机床处在生产环境之中,受外部环境温度的影响及自身运动而产生的热量影响,机床的温度会随时间变化而产生非规律性的温度变化,由于金属的热应力特性,金属机床机构的温度变化势必使机床各机构产生伸缩或变形,从而造成机床产生精度近些年来,随着科技水平、机床技术的提高及工业对高精度、高稳定性机床的需求越来越多,高精密机床发展迅速。高精密机床在各种机床结构设计、材料、工艺、零部件加工精度、机床装配精度达到一个极限时,机床的整体制造精度就到达了一个瓶颈,此时进一步提高机床精度,就需要解决机床热误差问题。机床处在生产环境之中,受外部环境温度的影响及自身运动而产生的热量影响,机床的温度会随时间变化而产生非规律性的温度变化,由于金属的热应力特性,金属机床机构的温度变化势必使机床各机构产生伸缩或变形,从而造成机床产生精度偏差。

1热误差对机床的影响

机床在被加工工件上产生的精度偏差称之为机床加工误差。根据加工误差,将机床误差可以在工件最终反映的误差划分为机床几何误差、热变形误差和力变形误差。经大量案例积累和研究统计,机床几何误差、热误差和力误差这3类误差分别占机床误差的比例如表1所示。表中,机床精度的几何误差、热误差、力变形误差占到机床误差的28%、54%、18%,所以对机床这3项误差的控制将是提高机床加工精度的关键,其中的几何误差和力误差是通过机床结构设计、材料、工艺、零部件加工、机床装配等进行控制的,每部机床制造完成后其误差值就是相对固定的。而热误差是机床在使用过程中产生的,且是一个非规律性变化的误差[1]。机床的温度场所能达到的平衡是一个动态的平衡,机床因温度变化而产生的热变形是产生热误差的直接原因。机床身处生产环境之中,环境的温度变化、日照、辐射将传导到机床之上,也将造成机床温度变化,此外机床内部的轴承、导轨等运动部件间的摩擦;冷却润滑液、切削液;电机功率损耗等都会产生大量的热量,大量的热量聚集引起机床内部产生热应力,致使机床部件只有通过变形来平衡热应力的作用。热量可导致主轴伸长、丝杆膨胀、床身和立柱的变形、机床的结构变化等热变形。由于各零件形状、结构及约束条件不同,引起拉、压、弯、扭等各种位移,造成各零部件产生不同程度的热变形,最终导致机床加工精度下降。各种热源的发热量以及环境温度均随着具体加工情况、时间变化而变化,同时机床有一定热容量,其温升还存在时滞现象,因此机床的热变形是随时间而变化的非规律性现象[2]。图1所示为机床的热作用过程,在机床工作过程中,机床在内部热源及外部热源的作用下,产生热量并传导给机床各部位产生温差,各零部件产生热应力从而发生热变形。

2热误差检测案例

热误差的检测可分为直接检测与间接估计。直接检测指机床在不同位置和温度条件下,通过激光干涉仪、CCD位移传感器、温度传感器、千分表等各种机械或光学的方法直接测量相应误差。间接估计是指通过使用球杆仪等测量仪器测量出综合误差后,利用运动学原理估计各种误差分量。直接检测方法直观明了,检验结果的精度一般较高,但是往往需要专业检测设备才能进行检测,所耗费的时间一般较间接估计长,对某些误差目前还根本无法进行直接检测。对这些无法直接检测的误差,间接估计提供了一种快速有效的误差估计方法[3]。本文以立式钻攻五轴数控机床主轴热误差检测作为案例。2.1机床主轴参数本案例为对某品牌的立式钻攻五轴数控机床的主轴进行热误差检测,因为机床主轴为高速旋转部件,运转时会产生大量热量,且其轴端安装有加工刀具,其热误差直接影响着被加工工件的加工精度,因此主轴热误差检测是机床热误差检测的重点。本案例机床为高刚性结构,主轴为拉钉型的BT30主轴,主轴最高转速20000r/min,主轴额定功率3.7kW,最大功率5.5kW,主轴扭矩11.8N•m,机床XYZ轴定位精度0.01mm,重复定位精度0.005mm,切削速度48m/min。2.2主轴检测设置(1)传感器布置因机床主轴为高速旋转部件,对主轴难以直接检测热变形量。由于主轴为轴状部件,其热变形存在热膨胀变形及热伸缩变形。由于机床主轴热变形主要反映在加工刀具加工端面上,本案例利用拉钉型的BT30主轴特点,采用在主轴安装主轴检验棒替代加工刀具,并在检验棒端面设置3个位移传感器方式,用检验棒三向位移量替代主轴热误差值,以采集机床主轴热误差状况。同时为了检验机床主轴热误差与温度、时间的关系,本案例设置3个温度传感器,分别监控主轴法兰、冷却液输入管及环境温度。(2)试验条件设置为了减少外部环境温度场对机床温度的干扰,机床试验环境采用恒温恒湿环境,其中环境温度设置在22℃,相对湿度设置在55%,并将机床在此环境下静置48h,使温度平衡。检验分两段进行,分别采集两次数据。第一段,机床主轴以最高转速连续运转0.5h,中间停机2h;第二段,机床以最高转速连续运转4h,试验过程中,主轴冷却系统持续工作。(3)试验结果从采集数据看,机床主轴第一段检验,由于主轴起始温度较低,同时机床有一定热容量,其温升存在时滞,主轴温度未有明显上升,主轴各向未有明显的位移,主轴未产生明显热误差。主轴经过中间停机,温度得到释放及平衡,进行第二段检验时,观察到主轴前0.5h,温度及位移未有明显变化,当到1.5h时,主轴的温度与位移发生激增,随着主轴冷切液温度的慢慢增高,主轴温度及热误差在慢慢增加,其中主轴端面伸缩变形为主要变形量,当到约4h时,主轴及冷切液的温度达到一位相对平稳状态,主轴热误差也达到一个相对平稳状态,最终主轴伸长(热误差值)约0.03mm。

3检测案例分析

从热误差产生的机理看,机床减少热误差对加工精度的影响主要有两种方法:误差防止法和误差补偿法。误差防止法通过改进机床结构,采用新材料,提高制造精度和热稳定性来减少和消除热误差源,主要有:减少摩擦降低热源、采用热稳定性材料减少热变形和热鲁棒结构设计,此方法经济成本高,且存在着无法克服外界环境干扰等问题;误差补偿法为采用软件技术对机床进行误差补偿,其原理为人为设置新的误差去抵消或削弱机床误差,误差补偿法是一项经济效益显著且实用高效的热误差控制手段,现已成为机床减少热误差研究的主要方向[4]。从本案例试验结果看,主轴热误差与时间、温度存在一个函数关系,且通过大量试验,发现此函数关系具有相对稳定性。因此可以设置一个系统,将在主轴的某个时间,某个温度点上的热误差量进行模型化,当主轴在某个时间,达到某个温度时,通过此模型,即可知道主轴的热图1机床的热作用过程变形误差值,在主轴热变形的反向人为制造一个误差值,即可以抵消主轴因热变形产生误差值,从而对主轴进行热误差补偿[5]。误差补偿系统原理是在误差检测的基础上,形成实时检测,并将温度传感器和位移传感器(热误差)信号变传为微电流信号,经信号调理、滤波处理后转换成数据采集卡所要求的电压信号,数据采集卡通过模数转换再将电压信号转换成计算机可接受的数字量信号,并根据系统所建立的模型计算相应误差补偿量[6]。机床不同的热误差源性质不同,对机床精度的影响也不同,实现误差补偿所需建立的模型也就不同。因此对机床形成有效的误差补偿,需要对各项误差分别进行检测,并分别建立模型,综合各模型,最终形成机床误差补偿系统[7-8]。

4结束语

本文简析热误差的形成机理及控制和减少机床热误差在提高机床精度的作用。在机床通过设计、制造、材料、工艺、装配等方面无法显著提高精度或经济效益过少的情况下,基于热误差检测的热误差补偿是一种经济效益十分显著并能有效提高机床加工精度的方法。对热误差补偿技术进行研究是高精密机床提高加工精度的关键,也有利于提高普通机床的加工精度,对改造低精度机床或老机床也有着重大的意义。

作者:谢泽兵 阮毅 余宁 单位:广东省机械研究所

五轴数控机床热误差检测分析

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