落地數(shù)控銑鏜床主軸溫度補償
2024-04-11
曹陽
齊齊哈爾二機床（集團）有限責任公司
普通數(shù)控機床一般有X、Y、Z三個直線軸，在給機床各坐標軸命名時，一般都是先命名直線軸中的主軸（Z軸），因為主軸和機床關聯(lián)很大，是機床重要的組成部件，刀具的裝夾、工件的切削、動力與切削力的轉換都由主軸實現(xiàn)，可以說主軸是整個數(shù)控機床的心臟。主軸定位精度直接決定工件的加工質量和加工精度。
1 加工誤差的產(chǎn)生
在數(shù)控機床進行機械加工時，造成主軸熱變形的熱源分為外部熱源和內部熱源，無論是機床內部摩擦產(chǎn)生熱源，還是由于外部環(huán)境對數(shù)控機床的溫度產(chǎn)生影響，根據(jù)物理學可知，金屬在受熱后會發(fā)生膨脹。因為機床零件結構、材料的差異性使每個零件溫升、變形量（拉伸、扭曲等）都不相同，由于溫度的升高使數(shù)控機床的主軸產(chǎn)生一定位移，造成加工刀具和加工件之間錯位，即造成加工誤差，如圖1所示。
圖1 數(shù)控機床主軸產(chǎn)生熱誤差的條件
2 機床熱態(tài)分析方法
機床受溫度影響發(fā)生熱變形而產(chǎn)生的誤差為熱誤差。在各種類型的誤差中，熱誤差可占機床誤差的40%～70%，是影響機床加工精度的主要因素。而機床主軸的熱誤差直接反映在機床加工零件的質量上。目前，針對熱態(tài)特性，可以采用以下兩種方法對數(shù)控機床主軸進行熱態(tài)分析。
（1）有限元分析法：使用有限元法對滑枕進行熱變形分析，建立滑枕模型。對滑枕的外部熱源和內部熱源等參數(shù)進行計算，和滑枕有限元分析后的模型組建熱誤差模型，仿真分析出滑枕內部溫度分布情況，得到滑枕內部的熱變形誤差。
（2）測量法：該方法是在滑枕內部安裝溫度傳感器，直接測量數(shù)控機床主軸在工作時的溫度情況，使用激光位移傳感器對主軸的熱伸長情況進行測量，臨末對溫度和熱變形進行分析。
有限元分析法可深入分析滑枕內部熱源及周圍環(huán)境影響下的熱態(tài)特性，能對主軸的熱變形有簡單直觀的認識。但對機床的影響因素很多，不能把所有的因素全部參數(shù)化，所以通常造成數(shù)值仿真結果與實際存在一定程度的偏差，這樣影響熱誤差補償?shù)木_度。
測量法則可直接測量機床的溫度和位移情況，但是由于傳感器無法布置到機床各個點，無法得到整個機床的溫度和熱變形數(shù)據(jù)，而且試驗時間較長。由于每臺機床的裝配精度、軸承與滑枕的間隙、軸承的發(fā)熱量以及外界溫度等都不可能完全一致，導致每臺機床在出廠前都需要進行測量，而且在廠家安裝后的環(huán)境和在裝配現(xiàn)場的環(huán)境也存在差異，導致在裝配現(xiàn)場的數(shù)據(jù)不能適用于用戶的使用環(huán)境，安裝后仍需重新進行熱誤差補償。有限元分析法和直接測量法在獲得數(shù)控機床熱態(tài)特性過程中都存在利與弊，但是這兩種方法相輔相成，具有較強的互補性，因此在生產(chǎn)過程中會結合這兩種方法使用。
3 落地數(shù)控銑鏜床主軸溫度補償
數(shù)控TK6920落地銑鏜床主軸的熱誤差主要是由于機床進行加工作業(yè)時，將會產(chǎn)生很多較復雜的溫度場，進而對數(shù)控機床整體部件產(chǎn)生影響，并且由于受熱原因產(chǎn)生形變。從TK6920落地銑鏜床主軸的溫度變化情況可以發(fā)現(xiàn)主軸受熱后的變形規(guī)律。
TK6920落地銑鏜床滑枕的內部結構相對比較簡單，發(fā)熱源主要為主軸的軸承，其他部件引起的發(fā)熱太小，可以忽略。主軸上的軸承采用進口的高精度組配軸承，價格昂貴，所以將溫度傳感器設置在主軸軸承上，這樣既檢測了主軸的溫度，同時也能起到監(jiān)測軸承溫度的作用，一旦軸承出現(xiàn)溫度過高、超出安全溫度時，系統(tǒng)會自動報警，機床停止運行。
由于不同條件下補償模型也不同，誤差模型不具有通用性，補償?shù)臏蚀_率低，同時結合該機床的特點，本文采用測量法進行補償。
在銑軸前五個軸承上分別布置五個溫度傳感器T1、T2、T3、T4和T5。如圖2所示，溫度傳感器T1、T4主軸轉速在1 000r/min、環(huán)境溫度在20℃時運行180min，每15min記錄一次前軸承溫度值，由于溫度傳感器T1、T2和T3所對應的軸承尺寸、安裝位置、轉速、潤滑條件及工作環(huán)境都相同，并且產(chǎn)生的熱位移也基本相同，所以以傳感器T1數(shù)據(jù)代表主軸前軸承溫度值。T4、T5所對應的軸承尺寸、安裝位置、轉速、潤滑條件及工作環(huán)境都相同，并且產(chǎn)生的熱位移也基本相同，所以以傳感器T4數(shù)據(jù)代表主軸后軸承溫度值。主軸熱位移如圖3所示。
圖2 傳感器T1熱誤差變化
圖3 主軸熱位移
根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，采用多元回歸二乘法建立熱誤差補償模型，即Z＝5.09＋10.18×ΔT1＋2.13×ΔT4。
圖4所示為數(shù)控機床實時補償示意圖，補償控制器由CNC處理部分、CNC控制部分和傳感器部分組成。
圖4 數(shù)控機床實時補償示意圖
構建即時監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效對熱誤差進行補償作業(yè)。構建后能夠通過測量數(shù)據(jù)得到即時誤差補償值，其中還要滿足以下幾個關鍵要素：首先要利用溫度傳感器測量主軸和位移傳感器測得的數(shù)據(jù)，用多元回歸二乘法進行計算，計算出熱變形誤差補償方程。將計算得到的模擬數(shù)據(jù)轉換為數(shù)字數(shù)據(jù)。使用PLC計算出主軸需要的補償值并傳給數(shù)控系統(tǒng)，臨末通過數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)補償。
圖5 主軸熱誤差補償前、后對比
通過圖5可以發(fā)現(xiàn)，多元回歸二乘法可以很好地對主軸的熱誤差進行補償。但也有其局限性，主軸在不同的轉速下不能用同一數(shù)學模型表示，此模型只適合主軸轉速在1 000r/min時的熱誤差補償。機床運行180min后，主軸的位移值由124μm減小到67μm。
來源：《金屬加工（冷加工）》雜志
