車削中心熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償應(yīng)用實(shí)例

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1、第七章車削中心熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償應(yīng)用實(shí)例17.1問題的提出7.2溫度場(chǎng)、熱誤差的檢測(cè)和分析7.2.1溫度傳感器布置及試驗(yàn)系統(tǒng)的建立7.2.2熱誤差測(cè)量試驗(yàn)7.2.3一系列影響熱誤差的單因素試驗(yàn)7.3熱誤差模態(tài)分析7.4熱誤差建模7.5補(bǔ)償控制系統(tǒng)及補(bǔ)償效果檢驗(yàn)7.6多臺(tái)同類車削中心熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償7.6.1適合于多臺(tái)同類車削中心的熱誤差魯棒建模7.6.2適合于多臺(tái)同類車削中心的熱誤差補(bǔ)償系統(tǒng)7.6.3多臺(tái)同類車削中心的熱誤差補(bǔ)償結(jié)果27.1問題的提出提出課題的工廠有150臺(tái)車削中心，在應(yīng)用補(bǔ)償技術(shù)前，由

2、于機(jī)床熱變形而產(chǎn)生以下三個(gè)主要問題：（1）隨著加工的進(jìn)行，工件直徑尺寸越來越小，每加工大約10個(gè)工件需調(diào)整機(jī)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(dòng)強(qiáng)度增大，且一有疏忽就會(huì)造成廢品；（2）每次停機(jī)后加工的第一個(gè)工件尺寸有個(gè)跳躍，絕大多數(shù)成為廢品；（3）每班在機(jī)床切削加工前需預(yù)熱即空轉(zhuǎn)（包括主軸運(yùn)轉(zhuǎn)、拖板運(yùn)動(dòng)、冷卻液流動(dòng)等）半小時(shí)以上，以達(dá)到機(jī)床初步熱平衡，這樣既浪費(fèi)了電力、損耗了機(jī)床，又降低了機(jī)床利用率。以150多臺(tái)車削中心計(jì)算，由機(jī)床熱變形造成的損失是相當(dāng)大的。故極有必要開發(fā)能滿足

3、工廠實(shí)際生產(chǎn)要求的高精度、低成本熱誤差補(bǔ)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(jī)床加工精度、降低廢品、增加生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。37.2溫度場(chǎng)、熱誤差的檢測(cè)和分析7.2.1溫度傳感器布置及試驗(yàn)系統(tǒng)的建立為了檢測(cè)機(jī)床的溫度場(chǎng)，按下圖所示在車削中心上安裝了16個(gè)溫度傳感器。依其在車削中心上的位置可分為5組。（1）兩個(gè)傳感器（編號(hào)0和1）用于測(cè)量主軸箱的溫度；（2）四個(gè)傳感器（2~5）用于測(cè)量絲桿螺母的溫度；（3）兩個(gè)傳感器（6、7）用于測(cè)量冷卻液溫度；（4）一個(gè)傳感器（8）用于測(cè)量室溫

4、；（5）七個(gè)傳感器（9~15）用于測(cè)量床身溫度。上圖為熱誤差測(cè)量示意圖。固定在刀架上的兩個(gè)位移傳感器用來測(cè)量X向（#17）和Z向（#16）的主軸相對(duì)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(cè)量試驗(yàn)首先進(jìn)行模擬切削加工循環(huán)過程的試驗(yàn)，但只是機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)、拖板移動(dòng)和冷卻液流動(dòng)而無切削加工，亦即空切削。機(jī)床先運(yùn)行3.25小時(shí)，接著模擬中午休息停機(jī)1小時(shí)，然后再運(yùn)行3.5小時(shí)后停機(jī)1小時(shí)。機(jī)床熱誤差和溫度變化如下圖所示。觀察試驗(yàn)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(dāng)

5、機(jī)床溫度升高時(shí)，主軸和位移傳感器之間的間隙在減小。3.25小時(shí)后，當(dāng)機(jī)床停機(jī)冷卻時(shí)，一般認(rèn)為間隙應(yīng)作相反的變化。但是，誤差曲線顯示間隙仍以相當(dāng)大的速度減小。午休后，開機(jī)使機(jī)床溫度再次升高。一般認(rèn)為間隙應(yīng)象開始時(shí)一樣減小，然而，曲線以很快的速度向正方向變動(dòng)。這種現(xiàn)象同樣發(fā)生在3.5小時(shí)后的第二次冷卻中。因此，很有必要對(duì)機(jī)床熱源進(jìn)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(yàn)根據(jù)機(jī)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(gè)因素的影響：冷卻液溫度變化、主軸旋轉(zhuǎn)發(fā)熱和拖板運(yùn)動(dòng)造成

6、絲桿和螺母發(fā)熱。單因素試驗(yàn)研究是為了了解各單個(gè)因素對(duì)機(jī)床熱誤差的不同影響。為此，進(jìn)行了以下三個(gè)試驗(yàn)：（1）冷卻液循環(huán)單因素試驗(yàn)在這個(gè)試驗(yàn)里，機(jī)床溫升只由冷卻液流動(dòng)引起。下圖表示了熱誤差的變化過程。結(jié)果顯示，當(dāng)冷卻液溫度升高時(shí)，工件半徑（#17X方向）減小，誤差約為21?m。工件長(zhǎng)度（#16Z方向）也減小，誤差約為15?m。從圖中還可看出達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)約需2小時(shí)。冷卻液流動(dòng)單因素試驗(yàn)的熱誤差6（2）主軸旋轉(zhuǎn)單因素試驗(yàn)在這個(gè)試驗(yàn)里，機(jī)床溫升只由主軸先以600r/min旋轉(zhuǎn)2小時(shí)，再以1800r/min旋

7、轉(zhuǎn)2小時(shí)引起。下圖表示了熱誤差的變化過程。結(jié)果顯示，當(dāng)主軸箱溫度升高時(shí)，工件半徑（#17X方向）減小，誤差約為23?m。工件長(zhǎng)度（#16Z方向）也減小，誤差約為40?m。從圖中還可看出達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)約需3.5小時(shí)。主軸旋轉(zhuǎn)單因素試驗(yàn)的熱誤差7（3）拖板移動(dòng)單因素試驗(yàn)下圖表示了只由拖板在Z和X二個(gè)方向以3m/min進(jìn)給速度運(yùn)動(dòng)引起機(jī)床溫升的熱誤差變化過程。結(jié)果表明，當(dāng)絲桿螺母溫度升高時(shí)，工件半徑（#17X方向）增大，誤差約為7?m。工件長(zhǎng)度（#16Z方向）也增大，誤差約為12?m，達(dá)到X方向絲桿螺母熱

8、穩(wěn)定狀態(tài)只需1小時(shí)。拖板移動(dòng)單因素試驗(yàn)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(jī)床熱誤差測(cè)量試驗(yàn)圖的曲線就比較容易解釋了。以半徑（X方向）誤差為例。當(dāng)機(jī)床開始工作時(shí)，冷卻液、主軸箱和絲桿螺母溫升對(duì)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(dāng)絲桿螺母達(dá)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(fù)向變化。當(dāng)機(jī)床開動(dòng)3.25小時(shí)后冷卻時(shí)，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(fù)向變化。當(dāng)機(jī)床溫度重新升高時(shí)，