曹陽

齊齊哈爾二機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司

普通數(shù)控機(jī)床一般有X、Y、Z三個直線軸，在給機(jī)床各坐標(biāo)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(jī)床關(guān)聯(lián)很大，是機(jī)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(zhuǎn)換都由主軸實現(xiàn)，可以說主軸是整個數(shù)控機(jī)床的心臟。主軸定位精度直接決定工件的加工質(zhì)量和加工精度。

1　加工誤差的產(chǎn)生

在數(shù)控機(jī)床進(jìn)行機(jī)械加工時，造成主軸熱變形的熱源分為外部熱源和內(nèi)部熱源，無論是機(jī)床內(nèi)部摩擦產(chǎn)生熱源，還是由于外部環(huán)境對數(shù)控機(jī)床的溫度產(chǎn)生影響，根據(jù)物理學(xué)可知，金屬在受熱后會發(fā)生膨脹。因為機(jī)床零件結(jié)構(gòu)、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(jī)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(jī)床主軸產(chǎn)生熱誤差的條件

2　機(jī)床熱態(tài)分析方法

機(jī)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(jī)床誤差的40%～70%，是影響機(jī)床加工精度的主要因素。而機(jī)床主軸的熱誤差直接反映在機(jī)床加工零件的質(zhì)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(jī)床主軸進(jìn)行熱態(tài)分析。

（1）有限元分析法：使用有限元法對滑枕進(jìn)行熱變形分析，建立滑枕模型。對滑枕的外部熱源和內(nèi)部熱源等參數(shù)進(jìn)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(nèi)部溫度分布情況，得到滑枕內(nèi)部的熱變形誤差。

（2）測量法：該方法是在滑枕內(nèi)部安裝溫度傳感器，直接測量數(shù)控機(jī)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(jìn)行測量，臨末對溫度和熱變形進(jìn)行分析。

有限元分析法可深入分析滑枕內(nèi)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(rèn)識。但對機(jī)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(jié)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(jī)床的溫度和位移情況，但是由于傳感器無法布置到機(jī)床各個點，無法得到整個機(jī)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(jī)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(dǎo)致每臺機(jī)床在出廠前都需要進(jìn)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(dǎo)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(jìn)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(jī)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(qiáng)的互補性，因此在生產(chǎn)過程中會結(jié)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(jī)床進(jìn)行加工作業(yè)時，將會產(chǎn)生很多較復(fù)雜的溫度場，進(jìn)而對數(shù)控機(jī)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jìn)口的高精度組配軸承，價格昂貴，所以將溫度傳感器設(shè)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(jī)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?zhǔn)確率低，同時結(jié)合該機(jī)床的特點，本文采用測量法進(jìn)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(zhuǎn)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(yīng)的軸承尺寸、安裝位置、轉(zhuǎn)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(yīng)的軸承尺寸、安裝位置、轉(zhuǎn)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(jī)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(jī)床實時補償示意圖 

構(gòu)建即時監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效對熱誤差進(jìn)行補償作業(yè)。構(gòu)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(guān)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(jìn)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(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?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(jìn)行補償。但也有其局限性，主軸在不同的轉(zhuǎn)速下不能用同一數(shù)學(xué)模型表示，此模型只適合主軸轉(zhuǎn)速在1 000r/min時的熱誤差補償。機(jī)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