1、7.1 7.1 問題的提出問題的提出7.2 7.2 溫度場(chǎng)、熱誤差的檢測(cè)和分析溫度場(chǎng)、熱誤差的檢測(cè)和分析 7.2.1 7.2.1 溫度傳感器布置及試驗(yàn)系統(tǒng)的建立溫度傳感器布置及試驗(yàn)系統(tǒng)的建立 7.2.2 7.2.2 熱誤差測(cè)量試驗(yàn)熱誤差測(cè)量試驗(yàn) 7.2.3 7.2.3 一系列影響熱誤差的單因素試驗(yàn)一系列影響熱誤差的單因素試驗(yàn)7.3 7.3 熱誤差模態(tài)分析熱誤差模態(tài)分析7.4 7.4 熱誤差建模熱誤差建模7.5 7.5 補(bǔ)償控制系統(tǒng)及補(bǔ)償效果檢驗(yàn)補(bǔ)償控制系統(tǒng)及補(bǔ)償效果檢驗(yàn)7.6 7.6 多臺(tái)同類車削中心熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償多臺(tái)同類車削中心熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償 7.6.1 7.6.1 適合于多臺(tái)同類車削中心的

2、熱誤差適合于多臺(tái)同類車削中心的熱誤差魯棒建模魯棒建模 7.6.2 7.6.2 適合于多臺(tái)同類車削中心的熱誤差適合于多臺(tái)同類車削中心的熱誤差補(bǔ)償系統(tǒng)補(bǔ)償系統(tǒng) 7.6.3 7.6.3 多臺(tái)同類車削中心的熱誤差補(bǔ)償結(jié)多臺(tái)同類車削中心的熱誤差補(bǔ)償結(jié)果果7.1 7.1 問題的提出問題的提出 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

3、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)、-3 5-3 0-2 5-2 0-1 5-1 0-5051 01 52 02 53 03 5110192837465564738291100109118127136145154163172181190P art N o .Error(micron)U S LL S LM ach ine N o. 8 5649C u ttin g in th e P u m p C ool S y stem1 9-2 0 d ow n 2 0 m in6 1-6 2 d ow n 7 0 m in9 9-1 0 0 d ow n 2 0 m in1 22 -1 23

4、d ow n 7 0 m in14 6 -147 dow n 5 m in1 75 -1 76 d ow n 1 0 m in Problem Problem StatementsStatements1. warm-up 2. normal expansion 3. jump車削中心熱誤差補(bǔ)償車削中心熱誤差補(bǔ)償車削中心熱誤差補(bǔ)償車削中心熱誤差補(bǔ)償拖板運(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

5、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。7.2 7.2 溫度場(chǎng)、熱誤差的檢測(cè)和分析溫度場(chǎng)、熱誤差的檢測(cè)和分析 7.2.1 7.2.1 溫度傳感器布置及試驗(yàn)系統(tǒng)的建立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心上安裝了1616個(gè)溫度傳感器。依其在車削中心上的位置個(gè)溫度傳感器。依其在車削中心上的位置可分為可分為5 5組。組。 （1 1兩個(gè)傳感器編號(hào)兩個(gè)傳感器編號(hào)0 0和和1 1用于測(cè)量主軸箱的用于測(cè)量主軸箱的溫度；溫度； （2 2四個(gè)傳感器四個(gè)傳感器2525用于測(cè)量絲桿螺母的溫度；

6、用于測(cè)量絲桿螺母的溫度； （3 3兩個(gè)傳感器兩個(gè)傳感器6 6、7 7用于測(cè)量冷卻液溫度；用于測(cè)量冷卻液溫度； （4 4一個(gè)傳感器一個(gè)傳感器8 8用于測(cè)量室溫；用于測(cè)量室溫； （5 5七個(gè)傳感器七個(gè)傳感器915915用于測(cè)量床身溫度。用于測(cè)量床身溫度。XZ位移傳感器位移傳感器# 17# 16主軸 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。7.2.2 7.2.2 熱誤差測(cè)量試驗(yàn)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

7、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3.253.25小時(shí)，接小時(shí)，接著模擬中午休息停機(jī)著模擬中午休息停機(jī)1 1小時(shí)，然后再運(yùn)行小時(shí)，然后再運(yùn)行3.53.5小時(shí)后停機(jī)小時(shí)后停機(jī)1 1小時(shí)。機(jī)床熱誤差小時(shí)。機(jī)床熱誤差和溫度變化如下圖所示。和溫度變化如下圖所示。時(shí)時(shí)間間(min.)誤誤差差( m)-30-25-20-15-10-500306090120150180210240270300330360390420450480510空切削(3.25 小時(shí))停機(jī)(1 小時(shí))空切削(3.5 小時(shí))停機(jī)(1 小時(shí))#17 X 方方

8、向向#16 Z 方方向向25272931333537390306090120150180210240270300330360390420450480510時(shí)間時(shí)間(min.)溫度溫度( C)1760111214102345151398空切削(3.25 小時(shí))停機(jī)(1 小時(shí))空切削(3.5 小時(shí))(1 小時(shí))停機(jī) 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)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

9、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。因而，很有必要對(duì)機(jī)床熱源進(jìn)行更深入的分析和研究。7.2.3 7.2.3 一系列影響熱誤差的單因素試驗(yàn)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差主要受3 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)因運(yùn)動(dòng)造成絲桿和螺母發(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)：素對(duì)機(jī)床熱誤

10、差的不同影響。為此，進(jìn)行了以下三個(gè)試驗(yàn)： （1 1冷卻液循環(huán)單因素試驗(yàn)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（徑（#17 X #17 X 方向減小，誤差約為方向減小，誤差約為21 21 m m。工件長(zhǎng)度（。工件長(zhǎng)度（#16 Z #16 Z 方方向也減小，誤差約為向也減小，誤差約為15 15 m m。從圖中還可看出達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)。從圖中還可看出達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)約需約需2 2小時(shí)。小時(shí)。-25-20-15

11、-10-505105152535455565758595105115125135145155165175185195205215225235245255時(shí)間時(shí)間(min.)誤差誤差( m)#17 X 方向#16 Z 方向冷卻液流動(dòng)單因素試驗(yàn)的熱誤差 （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600 r/min 旋轉(zhuǎn)2小時(shí)，再以1800 r/min 旋轉(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（#17 X 方向減小，誤差約為23 m。工件長(zhǎng)度（#16 Z 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)。-50-40-

12、30-20-100100153045607590105120135150165180195210225240時(shí)間時(shí)間(min.)誤差誤差( m)600rpm 2 小時(shí)1800rpm 2 小時(shí)#17 X 方向#16 Z 方向主軸旋轉(zhuǎn)單因素試驗(yàn)的熱誤差 （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3 m/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（#17 X 方向增大，誤差約為7 m。工件長(zhǎng)度（#16 Z 方向也增大，誤差約為12 m，達(dá)到X方向絲桿螺母熱穩(wěn)定狀態(tài)只需1小時(shí)。時(shí)間時(shí)間(min.)02468101214160153045

13、607590105120135150165180誤差誤差( m)#17 X 方向#16 Z 方向拖板移動(dòng)單因素試驗(yàn)的熱誤差熱特性分析結(jié)果熱特性分析結(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。因而，前軸箱和絲桿螺母溫升對(duì)誤差的影響彼此基本抵消。因而，前60分鐘曲線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幾乎是平的。當(dāng)絲桿螺母達(dá)到熱穩(wěn)定

14、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)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。因而，半徑誤差繼于冷卻液和主軸箱的熱容量較大故其溫度變化不大。因而，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)，絲桿螺母膨脹導(dǎo)致半徑誤差朝續(xù)朝負(fù)向變化。當(dāng)機(jī)床溫度重新升高時(shí)，絲桿螺母膨脹導(dǎo)致半徑誤差朝正向變化達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。因而，熱源分析很好地解釋了這些熱現(xiàn)象。正向變化達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。因而，熱源分析很好地解釋了這些熱現(xiàn)象。 但是，為什么當(dāng)冷卻液溫度升高、主軸箱溫度升高和絲桿螺母溫度但是，為什么當(dāng)冷卻

15、液溫度升高、主軸箱溫度升高和絲桿螺母溫度降低時(shí)半徑誤差減小？為了更好地估計(jì)由這些熱源引起的熱誤差，溫度降低時(shí)半徑誤差減??？為了更好地估計(jì)由這些熱源引起的熱誤差，溫度傳感器應(yīng)如何布置？下節(jié)介紹的熱誤差模態(tài)分析是解決這些問題的一個(gè)傳感器應(yīng)如何布置？下節(jié)介紹的熱誤差模態(tài)分析是解決這些問題的一個(gè)有效方法。有效方法。7.3 7.3 熱誤差模態(tài)分析熱誤差模態(tài)分析 經(jīng)過對(duì)工廠的該車削中心的機(jī)械結(jié)構(gòu)、工作情經(jīng)過對(duì)工廠的該車削中心的機(jī)械結(jié)構(gòu)、工作情況、熱源及熱變形的研究和分析得出關(guān)于影響被加工工況、熱源及熱變形的研究和分析得出關(guān)于影響被加工工件徑向尺寸件徑向尺寸X X軸方向），有四個(gè)方面的主要熱變形誤差軸方向）

16、，有四個(gè)方面的主要熱變形誤差模態(tài)。模態(tài)。 （1 1基座彎曲模態(tài)基座彎曲模態(tài) 由于機(jī)床基座被用作為冷卻液儲(chǔ)存箱，故冷卻由于機(jī)床基座被用作為冷卻液儲(chǔ)存箱，故冷卻液溫度變化將直接造成機(jī)床床身上下溫度不均勻變化而液溫度變化將直接造成機(jī)床床身上下溫度不均勻變化而引起床身彎曲變形。當(dāng)機(jī)床工作時(shí)，床身溫度包括冷引起床身彎曲變形。當(dāng)機(jī)床工作時(shí)，床身溫度包括冷卻液溫度升高、床身上下溫度差值增大且測(cè)得上部溫卻液溫度升高、床身上下溫度差值增大且測(cè)得上部溫度低于下部溫度，所以產(chǎn)生如圖所示的向上熱彎曲模態(tài)，度低于下部溫度，所以產(chǎn)生如圖所示的向上熱彎曲模態(tài)，使得刀具和被加工工件的徑向距離減小最終導(dǎo)致被加工使得刀具和被加工

17、工件的徑向距離減小最終導(dǎo)致被加工工件的徑向尺寸變小。這個(gè)現(xiàn)象和試驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。從工件的徑向尺寸變小。這個(gè)現(xiàn)象和試驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。從冷卻液流動(dòng)單因素試驗(yàn)的熱誤差圖中可得到這熱誤差模冷卻液流動(dòng)單因素試驗(yàn)的熱誤差圖中可得到這熱誤差模態(tài)的時(shí)間常數(shù)此時(shí)間常數(shù)定義為達(dá)到穩(wěn)定熱誤差態(tài)的時(shí)間常數(shù)此時(shí)間常數(shù)定義為達(dá)到穩(wěn)定熱誤差63.2%63.2%的時(shí)間大約為的時(shí)間大約為40 min40 min。根據(jù)床身上部溫度測(cè)床身溫。根據(jù)床身上部溫度測(cè)床身溫度的溫度傳感器度的溫度傳感器 #15 #15和下部溫度測(cè)冷卻液溫度的溫和下部溫度測(cè)冷卻液溫度的溫度傳感器度傳感器 #6 #6的差值可有效地估計(jì)這一基座彎曲模態(tài)。的差值可有效

18、地估計(jì)這一基座彎曲模態(tài)。156 （2基座膨脹模態(tài) 由于熱傳遞的作用，在機(jī)床工作后，床身上部溫度和下部溫度會(huì)一起逐漸地提高而使基座床身膨脹。其基座橫向膨脹模態(tài)如圖所示。床身橫向膨脹使被加工工件徑向尺寸變大?；蛎浤B(tài)的時(shí)間常數(shù)和彎曲模態(tài)的時(shí)間常數(shù)基本相同。根據(jù)床身上部溫度溫度傳感器 #15和下部溫度溫度傳感器 #6的平均值可有效地估計(jì)這一基座膨脹模態(tài)。156 （3X軸絲桿膨脹模態(tài) 由于X軸拖板移動(dòng)，使得X軸絲桿螺母的溫度上升而產(chǎn)生絲桿熱伸長(zhǎng)。如下圖，因?yàn)橥屏S承安裝在絲桿的前右端，故絲桿熱伸長(zhǎng)時(shí)推動(dòng)螺母往后左移動(dòng)使得刀具和被加工工件的徑向距離變大最終導(dǎo)致被加工工件的徑向尺寸也變大。從拖板移動(dòng)單

19、因素試驗(yàn)的熱誤差圖中可得這熱誤差模態(tài)的時(shí)間常數(shù)大約為20 min。由于螺母上容易安裝溫度傳感器，故可用螺母溫度傳感器 #4代替絲桿溫度來估計(jì)這一熱誤差。4 （4主軸箱體膨脹模態(tài) 如下圖，來自主軸旋轉(zhuǎn)的熱將引起主軸箱體朝著垂直向上的方向膨脹。因?yàn)榈都芡习宓膶?dǎo)軌面是傾斜的角度為），故主軸箱體膨脹量 L 將會(huì)造成被加工工件徑向尺寸誤差 r = L*Sin（此為40o）。從主軸旋轉(zhuǎn)單因素試驗(yàn)的熱誤差圖中可得主軸箱體膨脹模態(tài)的時(shí)間常數(shù)大約為40 min。對(duì)于這一熱誤差模態(tài)，最好的溫度傳感器安置點(diǎn)是主軸箱提上接近主軸點(diǎn)，如圖中溫度傳感器 #1。1 通過熱誤差模態(tài)的分析，更進(jìn)一步認(rèn)識(shí)了機(jī)床熱變形對(duì)加工精度的

20、影響程度并且比較清楚地可得出在原先的16個(gè)溫度傳感器中有4個(gè)很關(guān)鍵，用它們可較簡(jiǎn)便地但精度也可滿足地估計(jì)所研究機(jī)床的熱誤差具體應(yīng)用還得通過溫度傳感器布置策略來論證和選用，見下節(jié)）。它們是： （1溫度傳感器 6# 測(cè)量冷卻液溫度床身下部溫度）； （2溫度傳感器 15# 測(cè)量床身溫度床身上部溫度）； （3溫度傳感器 4# 測(cè)量X軸螺母溫度； （4溫度傳感器 1# 測(cè)量主軸箱溫度。7.4 7.4 熱誤差建模熱誤差建模 經(jīng)檢測(cè)和分析，對(duì)于所研究的車削中心，與機(jī)經(jīng)檢測(cè)和分析，對(duì)于所研究的車削中心，與機(jī)床運(yùn)動(dòng)位置有關(guān)的幾何誤差不大于床運(yùn)動(dòng)位置有關(guān)的幾何誤差不大于1010m m，而與機(jī)床溫，而與機(jī)床溫度有關(guān)

21、的熱誤差大約度有關(guān)的熱誤差大約4040m m占了總誤差的占了總誤差的75%75%，故本，故本研究只考慮熱誤差的建模和補(bǔ)償。研究只考慮熱誤差的建模和補(bǔ)償。 熱誤差最主要應(yīng)為機(jī)床溫度分布的函數(shù)，故機(jī)熱誤差最主要應(yīng)為機(jī)床溫度分布的函數(shù)，故機(jī)床類型、大小、構(gòu)造，加工工件材料、形狀、大小，刀床類型、大小、構(gòu)造，加工工件材料、形狀、大小，刀具材料、形狀，等等因素都間接通過機(jī)床溫度分布來影具材料、形狀，等等因素都間接通過機(jī)床溫度分布來影響機(jī)床熱變形。故熱誤差模型的一般形式可為：響機(jī)床熱變形。故熱誤差模型的一般形式可為：其中：其中：T T為熱誤差；為熱誤差；c0, ci, cijc0, ci, cij為模型的

22、溫度系數(shù)；為模型的溫度系數(shù)；TiTi，TjTj為溫度變量。為溫度變量。 熱誤差建模一般過程為：（熱誤差建模一般過程為：（1 1采集機(jī)床各關(guān)采集機(jī)床各關(guān)鍵點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)和相應(yīng)時(shí)間的熱誤差數(shù)據(jù)；（鍵點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)和相應(yīng)時(shí)間的熱誤差數(shù)據(jù)；（2 2選擇熱選擇熱誤差模型的階數(shù)；（誤差模型的階數(shù)；（3 3使用最小二乘擬合法確定參數(shù)；使用最小二乘擬合法確定參數(shù)；（4 4計(jì)算擬合殘差。如精度不夠，提高模型階數(shù)重新計(jì)算擬合殘差。如精度不夠，提高模型階數(shù)重新擬合直至符合要求。擬合直至符合要求。 本研究考慮到工廠實(shí)際使用方便，熱誤差模型本研究考慮到工廠實(shí)際使用方便，熱誤差模型估計(jì)式設(shè)定為線性模型。另外，為使建模條件接近實(shí)際

23、估計(jì)式設(shè)定為線性模型。另外，為使建模條件接近實(shí)際加工條件及在建模過程中不影響工廠生產(chǎn)，實(shí)際加工后加工條件及在建模過程中不影響工廠生產(chǎn)，實(shí)際加工后的工件尺寸誤差被用為建模數(shù)據(jù)。的工件尺寸誤差被用為建模數(shù)據(jù)。 在機(jī)床關(guān)鍵溫度點(diǎn)的優(yōu)化選擇中，根據(jù)優(yōu)化布在機(jī)床關(guān)鍵溫度點(diǎn)的優(yōu)化選擇中，根據(jù)優(yōu)化布置策略，先后使用了主因素策略、互不相關(guān)策略、最近置策略，先后使用了主因素策略、互不相關(guān)策略、最近線性策略、最少布點(diǎn)策略等，獲得了與上節(jié)所述的熱變線性策略、最少布點(diǎn)策略等，獲得了與上節(jié)所述的熱變形模態(tài)分析中得出一致的在車削中心上的四個(gè)關(guān)鍵溫度形模態(tài)分析中得出一致的在車削中心上的四個(gè)關(guān)鍵溫度點(diǎn)，并用于熱誤差建模。最終

24、從點(diǎn)，并用于熱誤差建模。最終從1616個(gè)溫度傳感器減少到個(gè)溫度傳感器減少到僅使用僅使用4 4個(gè)。個(gè)。 niijjiijiniiTTcTcc11 1 0 T24262830323436110192837465564738291100109118127136145154163172181190工件序號(hào)或時(shí)間溫度（）Ts:主軸Tn:X 絲桿螺母Tc:冷卻液Tb:床身19-20 停機(jī) 20min61-62 停機(jī) 70min99-100 停機(jī) 20min122-123 停機(jī) 70min146-147 停機(jī) 5min175-176 停機(jī) 10min-40-35-30-25-20-15-10-5051015

25、1815222936435057647178859299106113120127134141148155162169176183190工件序號(hào)或時(shí)間誤差(m)測(cè)量值擬合值殘差 右上圖為機(jī)床四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)溫度變化。右下圖為機(jī)床熱誤差變化和用最小二乘擬合法進(jìn)行的建模分析圖，從圖中看出估計(jì)模型擬合得較好，殘差小于10m，可滿足被加工工件尺寸公差24 mm的精度要求。 求得的熱誤差估計(jì)模型為本例僅考慮尺寸敏感方向，其它同理可得）： Tx = 28.2 - 4.2Tc - 2.7Tn - 1.5Ts + 7.9Tb 其中： Tc、Tn、Ts 和Tb分別為冷卻液溫度、X軸絲桿螺母、主軸溫度和床身溫度。故誤差數(shù)

26、學(xué)模型為： Wx= stx = Tx = 28.2 - 4.2Tc - 2.7Tn - 1.5Ts + 7.9Tb7.5 7.5 補(bǔ)償控制系統(tǒng)及補(bǔ)償效果檢驗(yàn)補(bǔ)償控制系統(tǒng)及補(bǔ)償效果檢驗(yàn) 7.5.1 7.5.1 熱誤差補(bǔ)償系統(tǒng)熱誤差補(bǔ)償系統(tǒng) 本研究補(bǔ)償系統(tǒng)使用原點(diǎn)平移法，因?yàn)檫@種補(bǔ)償本研究補(bǔ)償系統(tǒng)使用原點(diǎn)平移法，因?yàn)檫@種補(bǔ)償系統(tǒng)既不影響坐標(biāo)值，也不影響系統(tǒng)既不影響坐標(biāo)值，也不影響CNCCNC控制器上執(zhí)行的工作控制器上執(zhí)行的工作程序。補(bǔ)償系統(tǒng)由微機(jī)結(jié)合機(jī)床控制器構(gòu)成，流程框圖程序。補(bǔ)償系統(tǒng)由微機(jī)結(jié)合機(jī)床控制器構(gòu)成，流程框圖見下圖。工作過程和功能如下。首先通過布置在機(jī)床上見下圖。工作過程和功能如下。首

27、先通過布置在機(jī)床上的溫度傳感器實(shí)時(shí)采集機(jī)床溫度信號(hào)，經(jīng)放大等預(yù)處理的溫度傳感器實(shí)時(shí)采集機(jī)床溫度信號(hào)，經(jīng)放大等預(yù)處理后再通過后再通過A/DA/D板進(jìn)入微機(jī)。微機(jī)根據(jù)預(yù)先建立的熱誤差數(shù)板進(jìn)入微機(jī)。微機(jī)根據(jù)預(yù)先建立的熱誤差數(shù)學(xué)模型結(jié)合實(shí)時(shí)采集的機(jī)床溫度值運(yùn)算出補(bǔ)償值并把補(bǔ)學(xué)模型結(jié)合實(shí)時(shí)采集的機(jī)床溫度值運(yùn)算出補(bǔ)償值并把補(bǔ)償值送入機(jī)床控制器?？刂破鞲鶕?jù)補(bǔ)償值實(shí)時(shí)控制刀架償值送入機(jī)床控制器?？刂破鞲鶕?jù)補(bǔ)償值實(shí)時(shí)控制刀架的附加進(jìn)給運(yùn)動(dòng)來修正誤差、提高機(jī)床加工精度。位移的附加進(jìn)給運(yùn)動(dòng)來修正誤差、提高機(jī)床加工精度。位移傳感器在實(shí)際生產(chǎn)補(bǔ)償加工過程中不用用于在空切傳感器在實(shí)際生產(chǎn)補(bǔ)償加工過程中不用用于在空切削中檢

28、測(cè)機(jī)床熱誤差由機(jī)床熱變形引起的主軸相對(duì)于削中檢測(cè)機(jī)床熱誤差由機(jī)床熱變形引起的主軸相對(duì)于刀具的漂移），并將熱誤差數(shù)據(jù)結(jié)合相對(duì)應(yīng)的機(jī)床溫度刀具的漂移），并將熱誤差數(shù)據(jù)結(jié)合相對(duì)應(yīng)的機(jī)床溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。C N C 控控制制器器輸入工件加工程序機(jī)機(jī)床床 溫度傳感器微微機(jī)機(jī)輸出 A/D 板熱誤差數(shù)學(xué)模型誤差元素?cái)?shù)據(jù)庫放大器放大器補(bǔ)償信號(hào)溫度主軸熱漂位移傳感器7.5.2 7.5.2 補(bǔ)償效果檢驗(yàn)補(bǔ)償效果檢驗(yàn) 關(guān)于補(bǔ)償效果檢驗(yàn)，先使用位移傳感器測(cè)量主軸熱漂誤關(guān)于補(bǔ)償效果檢驗(yàn)，先使用位移傳感器測(cè)量主軸熱漂誤差，然后再進(jìn)行實(shí)際切削檢驗(yàn)。差，然后再進(jìn)行實(shí)際切削檢驗(yàn)。 （1 1主軸熱漂測(cè)量主軸熱漂測(cè)量

29、 與前述主軸熱誤差的檢測(cè)一樣的設(shè)置，檢驗(yàn)補(bǔ)償效果的主與前述主軸熱誤差的檢測(cè)一樣的設(shè)置，檢驗(yàn)補(bǔ)償效果的主軸熱漂測(cè)量是在空切削中，使用位移傳感器測(cè)量主軸和刀具之間軸熱漂測(cè)量是在空切削中，使用位移傳感器測(cè)量主軸和刀具之間的熱漂誤差。下圖為主軸熱漂測(cè)量結(jié)果。從圖中可得，經(jīng)補(bǔ)償，的熱漂誤差。下圖為主軸熱漂測(cè)量結(jié)果。從圖中可得，經(jīng)補(bǔ)償，半徑方向熱漂從半徑方向熱漂從2525m m以上降低到大約以上降低到大約7 7m m，降低熱誤差，降低熱誤差72%72%；軸；軸向熱漂從向熱漂從3636m m以上降低到以上降低到8 8m m，降低熱誤差，降低熱誤差78%78%。主軸熱漂測(cè)量。主軸熱漂測(cè)量結(jié)果表明經(jīng)補(bǔ)償機(jī)床加工

30、精度大大提高。結(jié)果表明經(jīng)補(bǔ)償機(jī)床加工精度大大提高。-30-20-1001020250153045607590105120135150165180195210225240255270285300315330345360Time(minute)Gap (micro.)#16 Z_compON#16 Z_compOFF#17 X_compON#17 X_compOFF#16 Z_compON#17 X_compON#16 Z_compOFF#17 X_compOFFAir Cutting ( 3 hours)Coolant ONCool Down ( 1 hr)Coolant OFFAir Cutt

31、ing ( 2 hours)Coolant ON（2實(shí)際切削加工結(jié)果實(shí)際切削加工結(jié)果 下圖表示了使用本誤差補(bǔ)償系統(tǒng)所得的實(shí)際切削補(bǔ)償結(jié)果。從圖中可見，下圖表示了使用本誤差補(bǔ)償系統(tǒng)所得的實(shí)際切削補(bǔ)償結(jié)果。從圖中可見，經(jīng)過補(bǔ)償，工件直徑尺寸誤差從大于經(jīng)過補(bǔ)償，工件直徑尺寸誤差從大于35m以上降低到小于以上降低到小于12m。停機(jī)后加。停機(jī)后加工的第一個(gè)工件尺寸基本無跳躍。工件尺寸誤差完全控制在尺寸公差帶范圍內(nèi)，工的第一個(gè)工件尺寸基本無跳躍。工件尺寸誤差完全控制在尺寸公差帶范圍內(nèi)，加工精度大大提高，滿足了工廠實(shí)際生產(chǎn)需要。補(bǔ)償效果非常明顯。加工精度大大提高，滿足了工廠實(shí)際生產(chǎn)需要。補(bǔ)償效果非常明顯。-

32、35-25-15-5515115294357718599113127141155169183工工件件序序號(hào)號(hào) 誤誤差差( m)上公差下公補(bǔ)償后補(bǔ)償前預(yù)報(bào)值7.6 7.6 多臺(tái)同類車削中心熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償多臺(tái)同類車削中心熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償 在單臺(tái)車削中心補(bǔ)償獲得成功后，把這套補(bǔ)償在單臺(tái)車削中心補(bǔ)償獲得成功后，把這套補(bǔ)償技術(shù)移植到廠內(nèi)類型相同和規(guī)格基本相同的技術(shù)移植到廠內(nèi)類型相同和規(guī)格基本相同的100100多臺(tái)車多臺(tái)車削中心上。但是，實(shí)踐證明簡(jiǎn)單的全盤復(fù)制不但技術(shù)上削中心上。但是，實(shí)踐證明簡(jiǎn)單的全盤復(fù)制不但技術(shù)上行不通而且經(jīng)濟(jì)上還有潛力可挖。對(duì)多臺(tái)同類車削中心行不通而且經(jīng)濟(jì)上還有潛力可挖。對(duì)多臺(tái)同類車削

33、中心的熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)木唧w要求是創(chuàng)造精度更高的、能長(zhǎng)的熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)木唧w要求是創(chuàng)造精度更高的、能長(zhǎng)期有效使用的即魯棒性很好的建模新方法及價(jià)格低廉、期有效使用的即魯棒性很好的建模新方法及價(jià)格低廉、使用方便可靠的補(bǔ)償系統(tǒng)。在創(chuàng)立了兩種熱誤差建模新使用方便可靠的補(bǔ)償系統(tǒng)。在創(chuàng)立了兩種熱誤差建模新方法及改進(jìn)了補(bǔ)償系統(tǒng)后，獲得了多臺(tái)同類車削中心熱方法及改進(jìn)了補(bǔ)償系統(tǒng)后，獲得了多臺(tái)同類車削中心熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)某晒ΑＵ`差實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)某晒Α?7.6.1 7.6.1 適合于多臺(tái)同類車削中心的熱誤差魯棒建模適合于多臺(tái)同類車削中心的熱誤差魯棒建模 由于不同的機(jī)床在不同的時(shí)間采集的數(shù)據(jù)包由于不同的機(jī)床在不同的時(shí)間采集

34、的數(shù)據(jù)包括機(jī)床各關(guān)鍵點(diǎn)溫度、熱誤差有不同，而現(xiàn)有熱誤差括機(jī)床各關(guān)鍵點(diǎn)溫度、熱誤差有不同，而現(xiàn)有熱誤差建模方法完全依賴建模數(shù)據(jù)，故得出的各機(jī)床熱誤差數(shù)建模方法完全依賴建模數(shù)據(jù)，故得出的各機(jī)床熱誤差數(shù)學(xué)模型差異較大，一般不可互相代替。若每臺(tái)機(jī)床一個(gè)學(xué)模型差異較大，一般不可互相代替。若每臺(tái)機(jī)床一個(gè)熱誤差數(shù)學(xué)模型，不但補(bǔ)償實(shí)施時(shí)間太長(zhǎng)，而且以后管熱誤差數(shù)學(xué)模型，不但補(bǔ)償實(shí)施時(shí)間太長(zhǎng)，而且以后管理難度極大。另外，現(xiàn)有建模方法得出的熱誤差數(shù)學(xué)模理難度極大。另外，現(xiàn)有建模方法得出的熱誤差數(shù)學(xué)模型的魯棒性還不夠，隨著季節(jié)環(huán)境溫度的變化，補(bǔ)型的魯棒性還不夠，隨著季節(jié)環(huán)境溫度的變化，補(bǔ)償效果越來越差。為此，從長(zhǎng)期

35、有效使用的魯棒性、各償效果越來越差。為此，從長(zhǎng)期有效使用的魯棒性、各機(jī)床互相通用的綜合性及減少誤差辨識(shí)時(shí)間的快速性，機(jī)床互相通用的綜合性及減少誤差辨識(shí)時(shí)間的快速性，通過深入的理論分析和研究，創(chuàng)立了兩種熱誤差建模新通過深入的理論分析和研究，創(chuàng)立了兩種熱誤差建模新理論和新方法：綜合最小二乘建模和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)建模。理論和新方法：綜合最小二乘建模和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)建模。廠內(nèi)廠內(nèi)100100多臺(tái)類型相同和規(guī)格基本相同的車削中心上，多臺(tái)類型相同和規(guī)格基本相同的車削中心上，僅用本兩種建模方法所得的兩個(gè)熱誤差數(shù)學(xué)模型兩個(gè)僅用本兩種建模方法所得的兩個(gè)熱誤差數(shù)學(xué)模型兩個(gè)模型的補(bǔ)償效果基本相同，模型的補(bǔ)償效果基本相同，

36、100100多臺(tái)機(jī)床也可任意使用多臺(tái)機(jī)床也可任意使用兩者之一），兩者之一），100100多臺(tái)機(jī)床在工廠一年四季的生產(chǎn)中，多臺(tái)機(jī)床在工廠一年四季的生產(chǎn)中，都呈現(xiàn)出優(yōu)異的補(bǔ)償功能，始終保持著良好的加工精度，都呈現(xiàn)出優(yōu)異的補(bǔ)償功能，始終保持著良好的加工精度，滿足了工廠的生產(chǎn)實(shí)際需要。滿足了工廠的生產(chǎn)實(shí)際需要。7.6.2 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)適合于多臺(tái)同類車削中心的熱誤差補(bǔ)償系統(tǒng) 如下圖，所開發(fā)的補(bǔ)償系統(tǒng)由四個(gè)放置在車削中心的關(guān)鍵溫度點(diǎn)上電如下圖，所開發(fā)的補(bǔ)償系統(tǒng)由四個(gè)放置在車削中心的關(guān)鍵溫度點(diǎn)上電阻式溫度傳感器、具有橋接電路的調(diào)整板、阻式溫度傳感器、具有橋接電路的調(diào)整板

37、、A/DA/D板及車削中心的控制器組板及車削中心的控制器組成。首先通過布置在車削中心上的四個(gè)溫度傳感器實(shí)時(shí)采集車削中心的溫成。首先通過布置在車削中心上的四個(gè)溫度傳感器實(shí)時(shí)采集車削中心的溫度信號(hào)。然后，信號(hào)經(jīng)調(diào)整板專門制造的調(diào)整板僅由一些簡(jiǎn)單橋接電路度信號(hào)。然后，信號(hào)經(jīng)調(diào)整板專門制造的調(diào)整板僅由一些簡(jiǎn)單橋接電路組成，其主要功能是進(jìn)行電阻信號(hào)到電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化放大、調(diào)整等處理后組成，其主要功能是進(jìn)行電阻信號(hào)到電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化放大、調(diào)整等處理后再經(jīng)過再經(jīng)過A/DA/D板進(jìn)入車削中心的控制器，控制器根據(jù)熱誤差數(shù)學(xué)模型算出補(bǔ)板進(jìn)入車削中心的控制器，控制器根據(jù)熱誤差數(shù)學(xué)模型算出補(bǔ)償值對(duì)刀架的附加運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制以

38、修正機(jī)床熱變形造成的被加工工件償值對(duì)刀架的附加運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制以修正機(jī)床熱變形造成的被加工工件的尺寸誤差。如果需要，數(shù)學(xué)模型的修改可簡(jiǎn)單地通過車削中心控制器的的尺寸誤差。如果需要，數(shù)學(xué)模型的修改可簡(jiǎn)單地通過車削中心控制器的鍵盤輸入來完成。本補(bǔ)償系統(tǒng)去掉了為補(bǔ)償專用的計(jì)算機(jī)圖中微機(jī)用于鍵盤輸入來完成。本補(bǔ)償系統(tǒng)去掉了為補(bǔ)償專用的計(jì)算機(jī)圖中微機(jī)用于熱誤差模型需要修正時(shí)的溫度數(shù)據(jù)采集），控制線路簡(jiǎn)單，制造成本低廉，熱誤差模型需要修正時(shí)的溫度數(shù)據(jù)采集），控制線路簡(jiǎn)單，制造成本低廉，使用非常方便可靠，非常適合于多臺(tái)同類車削中心的熱誤差補(bǔ)償。使用非常方便可靠，非常適合于多臺(tái)同類車削中心的熱誤差補(bǔ)償。輸出接

39、口 調(diào)調(diào) 整整板板車削加工中心車削加工中心T1T2T3T4 A/D 板X + XZ + X熱傳感器*4 車削加工中心控制器車削加工中心控制器熱誤差數(shù)學(xué)模型工件加工程序 x,z 屏屏 幕幕 顯顯 示示 Tc,Tn,Ts,Tb,dx,dz 控控 制制 鍵鍵 盤盤 模型編輯x, z+ 微微 機(jī)機(jī)T1,T2,T3,T47.6.3 7.6.3 多臺(tái)同類車削中心的熱誤差補(bǔ)償結(jié)果多臺(tái)同類車削中心的熱誤差補(bǔ)償結(jié)果 圖為在工廠的生產(chǎn)中用本研究提出的兩種建模新方法所得的熱誤差圖為在工廠的生產(chǎn)中用本研究提出的兩種建模新方法所得的熱誤差數(shù)學(xué)模型在車削中心上進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償加工的一個(gè)結(jié)果。從圖中可知，兩數(shù)學(xué)模型在車削中心上

40、進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償加工的一個(gè)結(jié)果。從圖中可知，兩者效果相同都很好，補(bǔ)償前由于熱變形造成工件直徑尺寸變化達(dá)者效果相同都很好，補(bǔ)償前由于熱變形造成工件直徑尺寸變化達(dá)3535m m以以上，經(jīng)補(bǔ)償降至上，經(jīng)補(bǔ)償降至1212m m以下，而且停機(jī)后再開機(jī)被加工的第一個(gè)工件尺寸以下，而且停機(jī)后再開機(jī)被加工的第一個(gè)工件尺寸的跳躍見圖，未經(jīng)補(bǔ)償?shù)那€有二次停機(jī)有二個(gè)跳躍也消失了。的跳躍見圖，未經(jīng)補(bǔ)償?shù)那€有二次停機(jī)有二個(gè)跳躍也消失了。-40-35-30-25-20-15-10-5051017131925313743495561677379859197103109115121127 工件序號(hào)或時(shí)間 誤差（m）未補(bǔ)償經(jīng)綜

41、合法補(bǔ)償(三角)經(jīng)正交法補(bǔ)償(圓)補(bǔ)償結(jié)果補(bǔ)償結(jié)果-35-30-25-20-15-10-50510152025303516111621263136414651566166717681869196101Part No. or TimeError(micron)With Comp.Comp.-V.No Comp.USLSLSMachine No.85665Cutting in Central cool system30-31 down 60min75-76 down 60min95-96 down 25min 下面幾張圖為在工廠實(shí)際生產(chǎn)中不同機(jī)床不同季節(jié)獲取的工件外徑尺寸數(shù)據(jù)補(bǔ)償效果分析圖。具有補(bǔ)

42、償功能的100多臺(tái)車削中心在一年四季各種環(huán)境溫度的使用中所加工出來工件的尺寸精度完全符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，大大地減少了廢品，生產(chǎn)成本下降了。另外，在機(jī)床上應(yīng)用補(bǔ)償技術(shù)后，由于去除了預(yù)熱過程，不但節(jié)省了電力而且使得機(jī)床利用率提高了從而提高了生產(chǎn)率。廠家生產(chǎn)實(shí)際補(bǔ)償結(jié)果廠家生產(chǎn)實(shí)際補(bǔ)償結(jié)果-35-30-25-20-15-10-505101520253035110192837465564738291100109118127136145154163172181190Time(*2min) or Part No.Error(micron)with Comp.Comp.Valuno Comp.USLLSL19-20 down 20min 122-123 down 70min61-62 down 70min 146-147 dow