英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

基于分解法的机床主轴方向热变形补偿

摘要

机床的热状态监测是高精度切削加工的基础之一。对这一状态的理解可以提供有关整机状态的重要信息，如冷却系统的适当性能以及制造过程中机器热变形的软件补偿。本文提出了一种基于分解分析的机床主轴方向热变形补偿方法。利用特制的测量架进行机床分解，能够同时测量机床立柱、主轴、主轴和刀具的变形。补偿是用温度测量的多项回归方程的和来计算的。采用新的测温位置，如主轴冷却液或工作空间，提高了计算精度。分解过程使得描述每一个机器部件的热动力比通常的变形曲线更精确，通常一个变形曲线用于整台机器。采用这种经济有效的策略，可以大大降低机床的残余热变形。该方法的优点还在于简单明了，可以用于控制系统速度较慢但计算能力不强的老机器。

关键词： 机床；补偿；热误差测量仪；机分解

1.引言

热波动的影响是一种无法完全消除的物理现象。然而，它应该被监控并包括在机器开发过程中。热和热流的不良影响主要表现在机械结构的几何和体积变化上。这些变化会引起刀具与工件之间的相对移动，从而对规定的公差符合性产生负面影响。补偿机制旨在消除这种流动。著名的机器标准热源列表由Bryan[1]给出，这些热源被分成几个组。第一组是机器本身:马达，轴承，驱动器。机器中的所有流体都在第二组中提到。第三个是机器环境，最后一个是切割过程本身。Brecher等人也提出了类似的内部热源和外部热源的分裂。

1.1机内热源

目前的热行为研究主要集中在主轴单元，它通常是主要的热源，Ramesh et al.^[3]。这种效果是突出的电主轴，其中heatis产生，而不是轴承，也在电机绕组。第二种主要的热源是冷却回路，然而，在冷却回路中，液体的瞬变温度可能根据换热器的质量而变化。另一个相对较强的热源是周围的机器环境。虽然车间温度的最大波动机器生产商推荐的躺在0.5◦,更高的温度的变化可以表示在加工尤其是小机用户。这种变化往往是由于缺少空调或在货物运输过程中打开和关闭大厅大门造成的。Weck^[4]描述了车间中存在的热梯度。这种变化，连同机器的热交换器，负荷机的热构造。Hale^[5]将热源分为主动热源和被动热源。

所述热源的表现形式是机器的热偏转。重要的任务是将机床结构各部分的热变形预估部分与整体变形进行量化，监控切削刀具与工件之间的变形。对于C型结构的三轴及五轴铣床，扩展最广的三轴及五轴铣床，主轴单元热变形与结构的差异可以观察到。在预热周期结束后主轴的变形稳定下来的同时，其他部件，特别是机架，对环境温度的任何变化都有非常敏感的响应。通过比较主轴与机架的尺寸比和温度梯度，可以发现在长时间加工过程中，机架的热变形比主轴大。这种现象在机床主轴轴向上表现得最为明显。

许多研究论文提出了描述机床热行为的各种补偿方法。Brecher等人描述了常见的策略。采用少量温度传感器的统计方法可以方便地应用于机器上，^[6,7]。然而，这种补偿并不涵盖所有的主要热源在机器上，因为只有少数的温度传感器是用来监测机器的条件。另一方面，即使是大量的温度传感器也不一定能以准确补偿^[8]的形式产生良好的效果。Lee等人提出了热模型精度与使用的温度传感器数量之间的依赖关系，其中10到14个传感器是最优的。Brecher等人^[3]和Yang等人^[10]采用传递函数法。所建立的机床热误差模型工作良好，补偿后误差较小。该方法的缺点是测量时间较长，所有热源均需单独分析，求解非线性数学方程必须使用外部计算硬件。最近被广泛研究的领域是神经网络的使用，Kang等人对几种神经网络方法进行了分析。这种方法也非常耗时，因为训练网络需要大量的数据。

所有这些策略都只使用整体的机床变形曲线，由机床的变形曲线代替刀尖进行监测。一般来说，这种测量方法不能提供详细的机械零件性能信息，而且可能会忽略一些非标准热偏差。为了获得准确的补偿，需要详细分析机器的热行为，以理解如图1所示的非标准热行为。

图1 机器变形的主轴转速n = 7500转/分钟(50% nmax)

1.2热稳定测量架

测量机架性能的基本要求是其热稳定性和最小热膨胀系数。因此，根据所做的实验，标准钢或铝型材由于其高热膨胀而不能使用。因此，采用低热膨胀的碳纤维复合管材和棒材作为载体结构。这种测量的主要目的是监视放置在工作台上的刀具和工件之间的相对移动，因此测量架也安装在工作台上。因此，它包括一个基本的承载碳纤维复合管，牢牢地附着在桌子上。带有传感器的测量臂可滑动地连接到管上，它们也由碳纤维复合材料制成。滑动连接使臂部能够放置在选定的位置，使管与测量位置之间的距离尽可能近，主要是杆部位置消除了工作空间温度梯度导致的负热伸长。主轴方向的测量仅受管的热膨胀影响。分析机器上的框架布置如图3所示。

图3 测量框架使用图

这个框架被认为是一个模块化的工具包。主管可以通过其他管进行延伸，并根据其结构类型和尺寸围绕整机进行施工。温度传感器安装在管上，并在机器测量过程中监控其热状态。这样就可以计算并从实测数据中扣除帧的赋值。带变形传感器的爪形件由于尺寸很小，热变形可以忽略不计。计算了碳纤维复合材料管和测量臂的膨胀系数

˛ = 1.7 micro;m Kminus;1 mminus;1 （1）

在那里,ıframe =热变形的框架li =属于每个温度传感器的框架长度˛=碳纤维心神的热膨胀系数——尽管管6Ti =各温度传感器管的温度梯度i =使用过的温度传感器的数量由于碳纤维复合材料和结构简单的管温度监测、测量装置的总体不确定性小于0.2micro;m。2000毫米管长度和6 t = 5◦温度偏差。

1.3机分解

测试序列由主轴旋转谱实现，如图4所示。该谱比传统的定轴旋转谱具有更好的信息价值。该频谱结合了时间序列与高(表面加工)和低(粗加工)主轴转速和快速变速。这种转速和不同速度级别的快速变化模拟了整个制造过程中的一组速度级别。利用该频谱可以监测不同主轴转速和不同初始转速水平下的变形和温度过程。刀具中心点的整体机床变形(主轴轴向)如图4所示。主轴最大转速为15000 rpm (nmax)。为了获得最佳的测量精度和较低的测量不确定度，采用电容式位移传感器。这些传感器的准确性,尊重不确定性的测量电路,micro;m大约是0.05。这绝对适用于几十微米范围的热测量。

根据图2，将机器分解为4个零件柱;主轴箱、主轴和刀具如图5所示。主轴分为带主轴冷却系统的管和带刀架的刀，这里用测量销表示。变形传感器的位置如图6所示。从带有主轴单元的柱式主轴箱开始，分四步进行分解。

ıcolumn = S4 ıframe （3）

由于传感器的定向作用，增加了车架的变形量。主轴箱变形采用传感器S2，通过方程对测量框架展开和柱变形进行对比确定

ıheadstock = S2 minus; ıframe ıcolumn （4）

由于柱、主轴箱和主轴的串联连接，主轴管的变形方程是

ıspindle tube = S3 minus; ıframe minus; ıheadstock ıcolumn （5）

最后一步是将测具夹头的热膨胀分离。传感器S1直接放置在热稳定支架上的桌子上，因此不需要计算测量架的消去

ıttr = S1 minus; ıspindle tube minus; ıheadstock ıcolumn （6）

图4 整机在标定过程中主轴方向变形图

图5 测试机分解图

图6 放置变形传感器，柱的变形由传感器4处实测数据计算得到，根据下式推导出柱的热膨胀系数图

分解后的各机械部件对热负荷的反应如图7所示。

计算曲线表明了各机械部件对热负荷反应速度的假定现象。

柱对自旋引起的热载荷的敏感性较小。列仅对环境更改作出反应。将柱的变形转化为正方向，与其它变形进行比较，可以得到更好的说明。主轴承的变形最高,超过30micro;m。它的热变形动力响应是由主轴箱内部安装的主轴的影响和通过立柱所处的环境共同决定的。主轴的外部部分，包括前轴承组，对主轴转速的任何变化反应都非常迅速。该工具的变形量与主轴箱相似，但变形动力接近主轴箱。刀具的加工既受到主轴散热的影响，也受到工作空间散热的影响。当刀具与工作空间之间的热平衡为正，刀具内部的热量流出工作空间时，刀具在旋转过程中被冷却。另一方面，当刀具停止转动时，它不再因旋转而冷却，刀具因此被加热而变形。当主轴旋转变化较大时，这种效果是明显的。

图7 分解零件的环境温度变化和变形图

所得结果表明，该机床结构需要考虑。特别是柱作为机械的重要组成部分，在实际应用的冷却系统中受到了较大的热变形。目前生产的大量机械由于没有合适的冷却结构，其热屈服敏感性抑制了补偿机构的使用质量。因此，所提出的机器行为应包括在新开发的补偿机制。

1.4补偿方程评价

通过对机床的热屈服分析，建立了基于测温的补偿机理。根据分解原理将试验机分为四部分，如图4所示。

1.5温度传感器的选择

在主轴旋转过程中，首先使用27个Pt100型温度传感器，通过对机架进行热筛分，覆盖所有假定的重要热源。该传感器具有时间稳定性好、精度高、线性特性好、对机床温度变化响应快等特点，被机床生产厂家广泛采用。小尺寸的传感器,2times;2毫米,保证最小的热影响的地方和小时间常数测量传感器也是积极的。

关于如何正确地放置传感器的方法，已经有很多论文提出。一般来说，所有重要的热源都应包括主轴轴承组、主轴电机等。由于没有给出具体的热源，影响机架性能是相当困难的。另一方面，外部热环境的影响(人工操作，其他机器，车间地板回火温度的变化)可以影响框架在它的任何地方。因此，应在车架上安装多个传感器，以覆盖车架的下部和上部。利用该方法可以监测垂直环境的热分布。与传统的只在机架表面安装温度传感器的方法不同，本文提出的补偿机构采用了新的位置，其中“win”表示主轴电机绕组温度，“out”表示主轴冷却liquid从主轴输出的温度。被测机器有主轴，没有内部诊断。有关旋转木马内部热状态的信息只能间接监测。电动机绕组内的标准温度传感器是用来测量电机输出冷却液温度的。冷却液靠近电机绕组以及前后轴承组流动。这是关于轴承温度^[12]的唯一信息来源。主轴冷却也通过阻断主轴的散热影响主轴箱的热变形。工作空间温度(T32)的测量也是一种新应用的信息，它对于补偿工作空间和机架之间有盖的机器是很有用的。

据统计评估选择相关传感器,使用样本相关系数,[13],选择机械零件变形(ı)和温度变化(6 t)比较中找到最适合的值。

样本相关系数

计算(rı6 t)根据标准方程计算数据与非零和有限的散射

共使用10个传感器覆盖机器(图8)，第一个要求是配合值大于80%，第二个要求是每个机器部件至少2个sen- sors。表1显示了根据传感器对尽可能小的残余变形的贡献分配给每个机器部件的传感器。其他的附加传感器不能提高模型精度和使用传感器数量之间的比例。表2给出了传感器与变形的相关性。

环境温度不包括在模型中，因为没有明确的定义哪里是温度可以测量的确切点。一些型号在机器前面使用温度，另一些在机器后面使用温度。为了避免这种不清晰的坐姿，机器上只使用传感器。在试验过程中，为了模拟车间的标准情况，故意不控制实验室温度。温度变化如图7所示。

2.讨论

与传递函数法和神经网络法相比，所提出的补偿机制最大的优点之一是，该系统的成本低，而且很容易直接实现到包括DOS-base系统在内的任何当前控制系统中。没有必要使用带有特殊软件的计算机。这个补偿系统是基于和和乘法的。便宜的温度传感器和电缆只是作为额外的硬件是必要的。

很明显，今天也存在着更加复杂的动态方法来建模变形的机器上尊重热量传播。这些系统是复杂的，通常需要额外的硬件来计算非常长时间周期的复杂数学方程，用于机器校准，如^[2]中所述。本文的主要目的是提出一种非常简单的方法，该方法不仅能得到相同的结果，而且成本更低，校准方程的时间也更短。这些都只考虑了机器上的透射电镜。对于金融危机后需要快速、廉价的解决方案来恢复自身状态的机器制造商来说，这种方法也很容易理解和实现。

3.结论

本文介绍了一种新开发的分析机床主轴转动热负荷引起的轴向位移热变形特性的方法。这种方法叫做分解。设计专用测量架，用工具测量所选机床的各部分，即立柱、机头、主轴和刀架的变形。所得结果表明，这些零件的热动力学与热负荷不同。在此基础上，建立了基于回归方法的补偿机构，并考虑了各部件的热动力对热负荷的影响。在这种补偿方法中，只有测温和主轴冷却、工作空间等新的测量位置一起使用。为了验证补偿鲁棒性，进行了另一次机器测试。试验结果良好，大大降低了机床的残余热变形。由此可见，该方法引入了补偿机床热变形的廉价有效策略。另一个优点是方法简单，任何人都可以非常清楚地理解使用的机制，并且可以在没有强大计算能力的旧机器上使用它。

4.感谢

本研究得到捷克共和国教育部-项目1M6840770003的支持。

参考文献

[1] Bryan JB. International status of thermal er

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[610026]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word