【導讀】machinetools.machiningcenter.

　　

【正文】 誤差是由錠子膨脹、錠子固件變形和三個軸空間的變形一起引起的。由于導桿的伸長和欄的彎曲，熱量誤差并 不只是在時間上的改變，而且還是機械加工在空間上的變化。 為了能夠快速的測量熱量誤差，一些簡單的量規(guī)是可以使用的，例如：滾珠排列。滾珠排列是把一系列的滾珠按相等的間隔固定在頂梁上。由于滾珠的直徑相等，球狀的誤差比較小，因此，滾珠排列被用于熱量誤差測量的一個參考。大量的之前試驗數(shù)據(jù)表明在光軸上的熱量誤差遠遠高于在橫軸和縱軸。所以，熱量誤差主要關注在光軸上。同理，也可以用相同的辦法得到其他兩個軸上的熱量誤差數(shù)據(jù)。測量的過程如圖 1 所示：剛開始，滾珠的坐標是處在低溫狀態(tài)的，然后錠子在試驗狀態(tài)下改變機器的熱量。滾珠溫度 的測量是周期性的。熱量的轉移是通過用最初的參考坐標減去在新的熱量狀態(tài)下滾珠坐標來實現(xiàn)的。由于這種測量只需要一分鐘，機器在不同坐標下的熱量轉移能夠更快更容易的被顯現(xiàn)出來。根據(jù)轉動速率的變化，熱量誤差和轉速是每十分鐘就是一個循環(huán)。坐標的唯一偏離是在低溫狀態(tài)下完成的，而不是在所關注的獨立的量規(guī)尺寸下。象激光干涉儀這樣的精確度和準確度裝置并不做要求。只有四個測量點 z1， z2， z3， z4 來覆蓋坐標為 50， 150， 250， 350 的 z 坐標的工作范圍。在其他的坐標中熱量誤差可以通過一個插值函數(shù)來獲得。 上述的試驗說 明了在錠子位置和工作臺之間的派生位移與錠子和臺之間是一致的。因此熱量誤差 Δz 的測量反映了在真正的切割條件下誤差是可以忽略的。 為了能夠獲得機床熱量行為的全面理解以及正確的判斷誤差模型，形成了一種測量方法。錠子轉速的多種加載方式是可用的。他們被分為如下三類： 1，常規(guī)轉速， 2，轉速范圍， 3，真正切割狀態(tài)下的同步轉速。此處，由切割過程而引起的熱量作用沒有被考慮進來。不過，切割過程對整個機床機構的熱量的影響在最終的過程中是可以忽略的。在這種機床中，最大的熱源來自于 z軸。熱量誤差在 z方向和不同的 x 和 y 坐標方向大約是相 同的。也就是說 x 軸和 y 軸的位置對 z軸的熱量誤差沒有重大影響。 1（左） 熱量誤差測量 錠子傳感器 滾珠排列 圖 2（右） 在不同 z坐標中的熱量誤差 1. z = 50 2. z = 150 3. z = 250 4. z = 350 圖 2 在測試中不同 z 坐標中熱量轉移時間過程圖的繪制 上圖表明合成的熱量轉移明顯是由所在決定的。在 z1， z2， z3， z4 點上的熱量轉移剛開始是一樣的，然后隨著時間的流逝和溫度的增加而逐漸分離。原因在于最初大量的熱量轉移是由于錠子位置的增長造成的，和其他的耐熱時間較長的機床部件相比，這個位置能更快的達到熱量平衡。然而，隨著時間的過去，那些象導螺桿和欄這樣由位置決定熱量誤差的部件越來越多的引起合成熱量的轉移。結果，在不同的 z坐標中熱量的轉移具有不同的大小和熱量特性。但是，不同坐標中的熱量轉移是隨 z坐標不斷改變的。 熱量誤差的準確預測是精確誤差補償?shù)闹匾h(huán)節(jié)。由于對機床結構的認識和熱源以及界限條件的不充分，根據(jù)熱量傳遞分析得出精確的數(shù)量測量是非常困難的。另外，在眾多的實用中，利用以 經驗為基礎的誤差模型進行回歸分析和網絡分析來準確預測熱量誤差是不可能的。熱量誤差是由多種熱源引起的，而只有錠子引起的熱量被認為是最重要的熱源影響因素。外部熱源對機床精確度的影響能夠通過環(huán)境溫度來控制。根據(jù)已有的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)熱量誤差的改變是和時間成正比的。某一刻的誤差值受其前一刻和錠子的轉速影響。這樣，就形成了如下的熱量誤差表現(xiàn)模型。 Δ z ( t) 地點 t時間的熱量誤差 k , m ——— 模型順序 ai , bi ——— 模型系數(shù) n ( t i) ——— 在時間 ti的錠子轉速 k和 m的順序 是有最終的誤差預測標準準決定的。系數(shù) ai和 bi有人工網絡分析確定的。這個模型比其他因為 C形定閾值信號在各個結點上單一輸入的障礙更不容易感光。 為了能確定模型預測的精確度，使用了許多新的操作條件。圖 4是一個在新的條件下的預測結果，它表明以速度為基礎的自動回歸模型能夠在一個相對穩(wěn)定的環(huán)境下很好的描述熱量誤差。 圖 3 熱量誤差的網絡 圖 4 熱量誤差的預測 （ 1） .測量結果（ 2） . 預測結果 1. 熱量誤差前期補償?shù)囊?guī)則如圖 15所示。只要工件數(shù)控機床 的程序完成，錠子的轉速和 z坐標就能知道。例如，每隔十分鐘， Δz 的熱量誤差就會被模型計算一次。這樣，就能通過把計算出來的 Δz 加到原來的 z上來修改程序。因此，熱量誤差能夠在加工之前得到補償。 誤差補償?shù)挠行允怯稍S多切割試驗來證實的。一些表面是由低于冷啟動和一個小時不同轉速的旋轉磨碎的。如圖 6所示，用表面磨碎的深度不同來評估在 z方向的熱量誤差結果補償。試驗表明這種不同由 7μm 減少到 2μm 。 圖 5 通過程序的修正補償熱量誤差 圖 6 補償?shù)挠行? 以上討論的是改善數(shù)控機床精確性的一個新 方法。研究的核心是一個以錠子轉速為基礎的誤差模型，而不是以溫度為基礎的傳統(tǒng)方法。通過修正數(shù)控機床的加工程序，熱量誤差能夠在加工之前得到補償，但并不是在實際操作中。通過使用這種方法，數(shù)控機床的精確度能夠大大的提高。 參考文獻 1 Chen J S , Chiou G. Quick testing and modeling of thermallyinduced errors of CNC machine tools. International Journal of Machine Tools and Manufacture , 1995 , 35(7) ∶ 1 063～ 1 074 2 Chen J S. Computeraided accuracy enhancement for multi2axis CNC machine tool. International Journal of Machine Tools and Manufacture , 1995 , 35(4) ∶ 593～ 605 3 Donmez M A. A general methodology for machine tool accuracy enhancement by error pensation. Precision Engineering , 1986 , 8 (4) ∶187～ 196 4 Lo C H. An application of realtime error pensation on a turning center. International Journal of Machine Tools and Manufacture , 1995 , 35(12) ∶ 1 669～ 1 682. 5 Yang S. The Improvement of thermal error modeling and pensation on machine tools by CMAC neural work. International Journal of Machine Tools and Manufacture , 1995 , 36(4) ∶ 527～ 537 6 李書和 1 數(shù)控機床誤差補償?shù)难芯?∶ [博士學位論文 ]1 天津 ∶ 天津大學 ,19961