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数控机床热误差实时补偿应用

     时间:2013-07-16  来源:本站原创

摘 要:将由机床热变形引起的、决定工件加工误差的工件与刀具间相对热位移通过机床数控系统的外部机床坐标系偏置来实现实时补偿,并研制开发了高精度、低成本、满足实际加工求的热误差实时补偿控制器.经数家企业实际生产使用,数控机床的加工精度大幅度提高,从而验了本方法的正确性和本实时补偿控制器的有效性.

关键词: 数控机床;热误差;实时补偿

控制器机床热变形误差是影响机床加工精度的主要原因之一[1,2].误差补偿是提高机床加工精度的一种既有效又经济的手段,目前已成为国内外现代精密工程的重要技术支柱之一[35].在国外,从事机床误差补偿技术比较有影响的有美国、日本、德国等.例如,美国密西根大学于1997年成功地将热误差补偿技术应用于通用(GM)公司下属一家离合器制造厂的150多台车削中心上,使加工精度提高1倍以[6,7].但是,目前国外数控机床误差补偿技术大规模、大批量在工业中应用的例子并不多,还没达到商业化程度.国内误差实时补偿技术尚处于实验阶段,还未见在生产厂家数控机床上规模应用误差实时补偿技术的报道.

本文利用FANUC数控系统提供的外部机床坐标系偏置功能,可将热误差通过外部机床坐标系的偏置加到位置伺服环的控制信号中而实现热误差的实时补偿.该方法不需要修改数控指令及数控系统的软硬件,对原有系统不产生任何影响[8],并在国内数家企业的数控机床上实施了热误差实时补偿技术,获得了非常满意的补偿效果.

1 机床误差分析

用激光干涉仪对上海明精机床有限公司设计生产的HM-077数控车床进行了直线度、线性位移的几何误差参数的测量,并用位移传感器测量了热误差,结果如表1所示.

由表1可见,车床热误差达20Lm以上,为主要误差.线性位移、直线度误差比较小,而且现在已有静态)补偿软件,比较容易处理.但是,对于热误差的处理还是比较困难,一般难以克服,通常采用预热即机床加工工件前,先空转30 min,以避免在热误损耗等,而且由于机床的热平衡时间长达5 h,在以后的加工过程中还有热误差产生,会造成加工零件尺寸的波动甚至产生废品.因此,热误差是造成加工误差的主要原因.本文主要针对热误差进行实时补偿.

2 机床温度和热误差数据采集和建模

在满足一定精度的条件下,考虑到工厂生产实际使用中方便、可靠,本文采用2个甚至1个温度变量进行热误差建模,并经建模精度分析,可达到要求.由于机床主轴温度是影响机床热误差的最主要因素,故试验在机床主轴前轴承上安置1个温度传感器,也就是采用机床主轴1个温度变量进行热误建模.采用机床主轴的常用转速为1 800 r/min ,连续运行进行数据采集直至4 h以后机床才达到初步热平衡.1所示为主轴温度检测和热误差检测的示意图.

由图1可见,热误差测量用3个位移传感器.1#测量主轴径向热误差,3#测量轴向热误差,1#2#一起可测量主轴角向热误差.其中,应注意位移传感器要支撑在刀架上,可把位移传感器比作为刀具,以测得可体现工件尺寸误差的刀具和工件之间的相对位移.另外,1个温度传感器测量主轴温度.2所示为检测机床主轴温度的照片.3所示为用位移传感器测量机床径向热误差的照片.

温度传感器的温度变化和机床主轴的径向热变形分别如图45所示.图中:采样间隔为2 min.28Lm以上,而主轴角向热误差比较小可不考虑)对加工精度影响较大.

  根据实验数据,采用多元回归最小二乘法建立

径向热误差数学模型:

 D= (74$t2+ 127.03$t+ 32.94)×10-2(1)

计算可得该模型理论拟合精度约为3Lm.轴向热误差数学模型:D= (85$t2+ 230.58$t+ 28.29)×10-2(2)计算可得该模型理论拟合精度约为4Lm.

3 误差实时补偿控制器

6所示为数控机床误差实时补偿控制器框架图.由图可见,补偿控制器分为3个模块(部分):计算处理模块(模块1)CNC接口和运动控制模块(模块2)、传感器及变送模块(模块3).

  本控制器既可作为信号采集系统(热误差建模用),又可作为补偿控制系统(实时补偿用).在数据采集过程中,温度和位移传感器同时采集机床的温度和热误差.然后,通过外部计算机进行建模计算分析,并将误差模型放入计算处理模块.在实时补偿中,温度传感器实时(时间间隔可调)测得机床温度,然后将温度信号经变送器并通过输入输出接口进入DSP或单片机,由预先放置的误差模型计算得到补偿值,再将补偿值通过机床数控系统的输入接口(见图7)进入数控系统,数控系统根据补偿值来偏置外部机床坐标系而进行机床的附加(补偿)运动,以实时修正机床误差.实时补偿器中的单片机、电源、PC机通讯、PLC通讯部分和AD板等安装在一起.单片机可与PC机相连接,实现上下位机的命令、数据的传输的储存.由于位移传感器、温度传感器的测量误差、电路中问题、建模残差等,故本控制器补偿精度在5Lm.

4 误差实时补偿加工

首先在上海明精机床有限公司进行数控车床实时补偿试验.为对补偿效果作出评介,本文对补偿前后的加工精度进行了比较和分析.在未补偿的情况下进行了热误差检测,采样间隔为8 min,结果如图8(a)所示.由图可见,机床径向热误差达20.8Lm,轴向热误差达34.6Lm.然后,启用实时补偿功能.

  由图8(b)可见,实时补偿后,机床径向热误差等:数控机床热误差实时补偿应用从补偿前的20.8Lm减小到9.2Lm,降低了约55%以上;轴向热误差从补偿前的34.6Lm减小到12.4Lm,降低约65%,大幅度降低了机床热误差,使机床加工精度大幅度提高.

  在完成数控车床误差实时补偿试验及其应用后,又在数控机床使用单位进行了数控车床误差实时补偿的实施和应用.由图9的实时补偿加工前后机床精度比较可见,通过实时补偿,机床径向热误差从补偿前的20.3Lm减小到9.1Lm;轴向热误差从补偿前的34.8Lm减小到12.2Lm,补偿效果相当明显.通过一段时间的实际加工观测,实施补偿应用的机床在加工中,工艺能力指数(Cp)和设备能力指数Cpk)明显提高,SPC统计,补偿前Cp=1.07,Cpk=0.908;实时补偿后Cp=1.94,Cpk=1.899,被加工零件的精度大幅度提高.

5 结 论

(1)基于外部机床坐标系偏置的数控机床热误差实时补偿器结构简单、使用方便、制造成本低,可进行机床温度、主轴热漂移(热误差)的手动和自动测量,结合数控机床的机床外部坐标系偏置功能,可进行数控机床热误差的实时补偿控制.

(2)数控机床热误差实时补偿技术,经数家企业的实际应用结果表明,经实时补偿,大幅度提高了数控机床的加工精度,从而保证并提高了被加工高精度零件的质量.

(3)热变形误差补偿是提高精密数控机床加工精度的关键技术,基于FANUC数控系统的外部机床坐标系偏置功能而开发的高精度、低成本的热误差补偿器可对主轴和刀具间的热位移误差进行实时修正,对使用其他数控系统的数控机床的热误差实时补偿具有普遍的参考意义,并为大批量数控机床误差实时补偿的实施创造了条件和成为可能.

参考文献:

[ 1 ] 倪 军.数控机床误差补偿研究的回顾及展望[J].

中国机械工程,1997,8(1):29-32. NI Jun. A perspective review of CNC machine accu-racy enhancement through real-time error compensa-tion[J].China Mechanical Engineering, 1997,8(1):29-32.

[ 2 ] Bryan J B. International status of thermal error re-search[J].Annals of CIRP, 1990, 39 (2): 645-656.

3 ] Attia M H , Fraser S. A generalized modelingmethodology for optimized real-time compensation ofthermal deformation of machine tools and CMMstructures [J].Int J of Machine Tools&Manufac-ture,1999, 39:1001-1010.

4 ] 杨建国.数控机床误差综合补偿技术及应用[D].上海:上海交通大学机械工程学院,1998.

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