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1、第七章車削中心熱誤差 實時補償應用實例17.1問題的提出7.2溫度場、熱誤差的檢測和分析7.2.1溫度傳感器布置及試驗系統(tǒng)的建立7.2.2熱誤差測量試驗7.2.3一系列影響熱誤差的單因素試驗7.3熱誤差模態(tài)分析7.4熱誤差建模7.5補償控制系統(tǒng)及補償效果檢驗7.6多臺同類車削中心熱誤差實時補償7.6.1適合于多臺同類車削中心的熱誤差魯棒建模7.6.2適合于多臺同類車削中心的熱誤差補償系統(tǒng)7.6.3多臺同類車削中心的熱誤差補償結(jié)果27.1問題的提出提出課題的工廠有150臺車削中心，在應用補償技術(shù)前，由
2、于機床熱變形而產(chǎn)生以下三個主要問題：（1）隨著加工的進行，工件直徑尺寸越來越小，每加工大約10個工件需調(diào)整機床一次，特別在加工初期工件尺寸變化得更快，使得操作工勞動強度增大，且一有疏忽就會造成廢品；（2）每次停機后加工的第一個工件尺寸有個跳躍，絕大多數(shù)成為廢品；（3）每班在機床切削加工前需預熱即空轉(zhuǎn)（包括主軸運轉(zhuǎn)、拖板運動、冷卻液流動等）半小時以上，以達到機床初步熱平衡，這樣既浪費了電力、損耗了機床，又降低了機床利用率。以150多臺車削中心計算，由機床熱變形造成的損失是相當大的。故極有必要開發(fā)能滿足
3、工廠實際生產(chǎn)要求的高精度、低成本熱誤差補償系統(tǒng)來修正主軸（或工件）與切削刀具之間的熱漂誤差，以提高機床加工精度、降低廢品、增加生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。37.2溫度場、熱誤差的檢測和分析7.2.1溫度傳感器布置及試驗系統(tǒng)的建立為了檢測機床的溫度場，按下圖所示在車削中心上安裝了16個溫度傳感器。依其在車削中心上的位置可分為5組。（1）兩個傳感器（編號0和1）用于測量主軸箱的溫度；（2）四個傳感器（2~5）用于測量絲桿螺母的溫度；（3）兩個傳感器（6、7）用于測量冷卻液溫度；（4）一個傳感器（8）用于測量室溫
4、；（5）七個傳感器（9~15）用于測量床身溫度。上圖為熱誤差測量示意圖。固定在刀架上的兩個位移傳感器用來測量X向（#17）和Z向（#16）的主軸相對于刀架的熱漂誤差。由于工件較短，忽略偏角誤差。47.2.2熱誤差測量試驗首先進行模擬切削加工循環(huán)過程的試驗，但只是機床主軸旋轉(zhuǎn)、拖板移動和冷卻液流動而無切削加工，亦即空切削。機床先運行3.25小時，接著模擬中午休息停機1小時，然后再運行3.5小時后停機1小時。機床熱誤差和溫度變化如下圖所示。觀察試驗數(shù)據(jù)在一般意義下很難解釋圖中熱誤差曲線的一些變化過程。當
5、機床溫度升高時，主軸和位移傳感器之間的間隙在減小。3.25小時后，當機床停機冷卻時，一般認為間隙應作相反的變化。但是，誤差曲線顯示間隙仍以相當大的速度減小。午休后，開機使機床溫度再次升高。一般認為間隙應象開始時一樣減小，然而，曲線以很快的速度向正方向變動。這種現(xiàn)象同樣發(fā)生在3.5小時后的第二次冷卻中。因此，很有必要對機床熱源進行更深入的分析和研究。57.2.3一系列影響熱誤差的單因素試驗根據(jù)機床結(jié)構(gòu)及工作情況分析可得，該車削中心的熱誤差主要受3個因素的影響：冷卻液溫度變化、主軸旋轉(zhuǎn)發(fā)熱和拖板運動造成
6、絲桿和螺母發(fā)熱。單因素試驗研究是為了了解各單個因素對機床熱誤差的不同影響。為此，進行了以下三個試驗：（1）冷卻液循環(huán)單因素試驗在這個試驗里，機床溫升只由冷卻液流動引起。下圖表示了熱誤差的變化過程。結(jié)果顯示，當冷卻液溫度升高時，工件半徑（#17X方向）減小，誤差約為21?m。工件長度（#16Z方向）也減小，誤差約為15?m。從圖中還可看出達到熱穩(wěn)定狀態(tài)約需2小時。冷卻液流動單因素試驗的熱誤差6（2）主軸旋轉(zhuǎn)單因素試驗在這個試驗里，機床溫升只由主軸先以600r/min旋轉(zhuǎn)2小時，再以1800r/min旋
7、轉(zhuǎn)2小時引起。下圖表示了熱誤差的變化過程。結(jié)果顯示，當主軸箱溫度升高時，工件半徑（#17X方向）減小，誤差約為23?m。工件長度（#16Z方向）也減小，誤差約為40?m。從圖中還可看出達到熱穩(wěn)定狀態(tài)約需3.5小時。主軸旋轉(zhuǎn)單因素試驗的熱誤差7（3）拖板移動單因素試驗下圖表示了只由拖板在Z和X二個方向以3m/min進給速度運動引起機床溫升的熱誤差變化過程。結(jié)果表明，當絲桿螺母溫度升高時，工件半徑（#17X方向）增大，誤差約為7?m。工件長度（#16Z方向）也增大，誤差約為12?m，達到X方向絲桿螺母熱
8、穩(wěn)定狀態(tài)只需1小時。拖板移動單因素試驗的熱誤差8熱特性分析結(jié)果在熱特性分析的基礎(chǔ)上，機床熱誤差測量試驗圖的曲線就比較容易解釋了。以半徑（X方向）誤差為例。當機床開始工作時，冷卻液、主軸箱和絲桿螺母溫升對誤差的影響彼此基本抵消。因此，前60分鐘曲線幾乎是平的。當絲桿螺母達到熱穩(wěn)定狀態(tài)后，冷卻液和主軸箱溫升引起半徑誤差朝負向變化。當機床開動3.25小時后冷卻時，絲桿收縮，但由于冷卻液和主軸箱的熱容量較大故其溫度變化不大。因此，半徑誤差繼續(xù)朝負向變化。當機床溫度重新升高時，
