高速鉆攻中心Z軸熱變形的在線測量與補(bǔ)償技術(shù)*

譚慧玲，劉國安，楊 祥，王 旭

(1.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430081；2.武漢華中數(shù)控股份有限公司，武漢 430081)

高速鉆攻中心Z軸熱變形的在線測量與補(bǔ)償技術(shù)*

譚慧玲1，劉國安1，楊 祥2，王 旭2

(1.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430081；2.武漢華中數(shù)控股份有限公司，武漢 430081)

在高速鉆攻中心的3C產(chǎn)品加工過程中，機(jī)床體積小數(shù)量多，生產(chǎn)節(jié)奏快，熱變形量大，因此一種快速測量熱變形的方法顯得尤為重要。針對此問題，文章提出了一種Z軸熱變形的在線測量與補(bǔ)償技術(shù)，首先利用對刀儀來測量Z軸的熱變形量，然后通過分段線性擬合的方法建立了一種熱誤差補(bǔ)償模型，最后驗(yàn)證了該模型的補(bǔ)償效果。結(jié)果表明，在相同測量精度的情況下，該方法的測量時(shí)間縮短到2h，大大提高了熱變形的測量速度。將該技術(shù)運(yùn)用到小型數(shù)控機(jī)床的熱誤差補(bǔ)償中，加工精度能夠滿足生產(chǎn)要求。

對刀儀；在線測量；熱誤差補(bǔ)償

0 引言

近年來，高速加工技術(shù)得到了長足發(fā)展，采用高速加工技術(shù)的鉆攻中心已廣泛應(yīng)用于3C產(chǎn)品的金切加工。高速加工雖然提高了加工效率，但使得小型鉆攻中心的熱變形問題十分突出[1-4]。對于情況較嚴(yán)重的機(jī)床，Z軸方向的熱誤差達(dá)到0.1mm，已超出機(jī)床加工精度最低等級，導(dǎo)致零件報(bào)廢。

在熱誤差的研究中，國內(nèi)外的學(xué)者將主要精力集中在研究傳感器的布置問題上，采用優(yōu)化算法選擇出測量機(jī)床變形的最少最優(yōu)的溫度敏感點(diǎn)，然后計(jì)算溫升，建立熱變形數(shù)學(xué)模型，算出熱誤差值進(jìn)行補(bǔ)償[5-6]。而在熱變形的測量中，激光干涉儀具有量程大、精度高等優(yōu)點(diǎn)[7]，但是它價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜，需要專門的技術(shù)人員，一臺(tái)機(jī)床的測試時(shí)間一般在6h以上，對于布置了幾百臺(tái)高速鉆攻中心的車間來說，是一項(xiàng)耗時(shí)繁重的工作。

為了解決以上問題，本文提出了一種Z軸熱變形的在線測量與補(bǔ)償技術(shù)，以型號為TD500A的高速鉆攻中心為例，利用對刀儀方便快捷地測出熱變形量，然后通過分段線性擬合的方式建立熱誤差補(bǔ)償模型，并在數(shù)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)熱誤差補(bǔ)償功能。

1 熱誤差補(bǔ)償模型

小型機(jī)床其結(jié)構(gòu)的小型化，使得它的熱敏感性較強(qiáng)，關(guān)鍵零部件的熱變形也較大。需要對數(shù)控機(jī)床的熱變形進(jìn)行測量，以建立熱誤差補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型，然后通過數(shù)控系統(tǒng)對其進(jìn)行補(bǔ)償。圖1所示為機(jī)床在X、Z兩個(gè)方向的熱變形示意圖。

圖1 絲桿與主軸熱變形示意圖

數(shù)控機(jī)床Z軸的主要部件是滾珠絲桿螺母。通過滾珠絲桿螺母，伺服電機(jī)把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成Z方向的直線運(yùn)動(dòng)。滾珠與絲桿之間的摩擦?xí)菇z桿的溫度升高，長度增加[8-9]。

絲桿屬于細(xì)長型零件，這類零件的熱變形計(jì)算公式為：

ΔL=αLΔΤ=αL(Τ-Τ0)

(1)

式中，ΔL是零件溫度為t時(shí)的熱變形，L為零件溫度為t0時(shí)的尺寸，ΔT為溫度差，α為絲桿的線膨脹系數(shù)。

從圖2可以看出，在滿足一定精度要求的前提下熱誤差曲線可以用一條直線代替，通過設(shè)定該直線的斜率值和偏置值能夠近似描述機(jī)床主軸與進(jìn)給軸的熱誤差。進(jìn)給軸熱誤差斜率值描述了進(jìn)給軸熱誤差在各指令位置處的變化趨勢，因此被稱為“位置相關(guān)型熱誤差補(bǔ)償”。

圖2 Z軸熱誤差曲線(溫度T時(shí))

Z軸熱誤差補(bǔ)償即屬于此類，它的熱誤差補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型為：

Dz=-(K0(T)+(P(z)-P0)×tanβ(T))

(2)

各參數(shù)含義如下：

Dz：Z軸指令坐標(biāo)補(bǔ)償值；

K0(T)：Z軸熱誤差偏置值(即Z軸坐標(biāo)零點(diǎn)的基準(zhǔn)熱誤差)；

P(z)：Z軸當(dāng)前指令位置坐標(biāo)；

P0：Z軸補(bǔ)償參考點(diǎn)坐標(biāo)；

tanβ(T)：Z軸熱誤差斜率值。

2 熱變形的在線測量

本文設(shè)計(jì)了一種使用對刀儀對高速鉆攻中心Z軸熱變形進(jìn)行在線測量的方法。對刀儀是一種測量刀具長度的儀器，它具有價(jià)格便宜、操作方便、測量時(shí)間短、不需要停機(jī)等特點(diǎn)；它的測量精度為5μm，能夠滿足高速鉆攻中心的測量需求[10]。對刀儀(圖3)的工作原理：對刀儀安裝在機(jī)床工作臺(tái)上，在測刀接觸對刀儀測頭時(shí)，對刀儀會(huì)發(fā)送無線電信號；接收器接收信號并把信號傳遞給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)PLC把此時(shí)的機(jī)床坐標(biāo)系存入系統(tǒng)宏變量，供用戶采集。在采集絲桿熱變形時(shí)，只需用同一把測刀在不同溫度下進(jìn)行測量，后續(xù)測量值減去起始測量值即為絲桿的熱變形。

圖3 對刀儀的安裝

實(shí)驗(yàn)方式為連續(xù)運(yùn)行一段加工程序，在該加工程序中，禁止主軸轉(zhuǎn)動(dòng)(防止主軸熱變形影響Z軸絲桿熱變形的測量)，只有X、Y、Z軸在運(yùn)動(dòng)，每隔一段時(shí)間數(shù)控系統(tǒng)控制機(jī)床進(jìn)行對刀動(dòng)作。程序運(yùn)行過程中，使用華中數(shù)控采樣軟件SSTT對整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，主要采集Z軸的位置和Z軸絲桿的溫度。

連續(xù)測量對刀時(shí)的Z軸機(jī)床實(shí)際坐標(biāo)即可計(jì)算出Z軸絲桿在不同時(shí)間點(diǎn)的熱變形量，機(jī)床的運(yùn)動(dòng)使Z軸絲桿的溫度逐漸升高，從而可得出Z軸絲桿熱變形與相對溫度的關(guān)系。

在2h的實(shí)驗(yàn)中，Z軸絲桿溫度測點(diǎn)的溫度上升了16℃，相對溫度的變化曲線如圖4所示。Z軸絲桿變形量達(dá)到了0.15mm，Z軸絲桿變形量的變化曲線如圖5所示。

圖4 相對溫度隨時(shí)間的變化

圖5 Z軸絲桿變形量隨時(shí)間的變化

在測量的整個(gè)過程中，用華中數(shù)控采樣軟件SSTT采集數(shù)據(jù)，不需要專門的技術(shù)人員操作機(jī)床，不需要安裝多個(gè)溫度傳感器，安裝對刀儀操作簡單，測量時(shí)間縮短至2h，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，計(jì)算Z軸熱變形量也很方便迅速。測量的溫度變化和Z軸熱變形量用于下一節(jié)的熱誤差補(bǔ)償模型的建立。

3 熱誤差補(bǔ)償模型的建立

由公式(1)建立了絲桿變形量與絲桿相對溫度的線性數(shù)學(xué)模型。根據(jù)采集的絲桿變形量與相對溫度，繪制絲桿變形量與相對溫度的變化曲線(圖6)。從圖中可以看出，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，絲桿變形量與相對溫度不存在線性關(guān)系，但是相對溫度在[0℃,8℃]時(shí)，呈現(xiàn)比較好的線性關(guān)系(圖7)，[8℃,16℃]時(shí)，具有近似的線性關(guān)系(圖8)。存在這種情況的原因是當(dāng)絲桿溫度較高時(shí)，出現(xiàn)膨脹零點(diǎn)漂移現(xiàn)象[4]。

圖6 絲桿變形量隨相對溫度的變化

根據(jù)絲桿的變形特點(diǎn)，我們可以使用兩段直線對該曲線進(jìn)行分段最小二乘法擬合。

(1)相對溫度在[0℃,8℃]時(shí)，此時(shí)絲桿未出現(xiàn)膨脹零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，故設(shè)膨脹零點(diǎn)的機(jī)床實(shí)際坐標(biāo)為Z0。

最小二乘法的擬合模型為：

ΔL=0.0155×ΔT+0.004=0.0155×(T-T0)+0.004

那么位置Z=Lz的熱變形為：

(3)

圖7 相對溫度在[0℃,8℃]時(shí)，絲桿熱變形的變化曲線

(2)相對溫度在[8℃,16℃]時(shí)，該段曲線出現(xiàn)膨脹零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，使得熱伸長曲線不遵循線性特性，但是在誤差允許范圍內(nèi)，可以使用線性模型對其進(jìn)行擬合。所以還是按照膨脹零點(diǎn)固定進(jìn)行計(jì)算，設(shè)此時(shí)的膨脹零點(diǎn)為Z0′。

最小二乘法的擬合模型為：

ΔL=0.0026×ΔT+0.1038=0.0026×(T-T0)+0.1038

那么位置Z=Lz的熱變形為：

(4)

圖8 相對溫度在[8℃,16℃]時(shí)，絲桿熱變形的變化曲線

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)程序時(shí)需要考慮絲桿能夠達(dá)到的所有溫度，所以在溫度較高時(shí)出現(xiàn)了膨脹零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，但是在實(shí)際生產(chǎn)加工中，Z軸的熱變形一般只能達(dá)到0.1mm，此時(shí)還未達(dá)到使膨脹零點(diǎn)漂移的溫度點(diǎn)，所以可以使用[0℃,8℃]內(nèi)較好的線性模型來實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的熱誤差補(bǔ)償功能。

結(jié)合公式(2)和公式(3)，Z軸補(bǔ)償參考點(diǎn)坐標(biāo)P0即為膨脹零點(diǎn)坐標(biāo)Z0，Z軸當(dāng)前指令位置坐標(biāo)P(z)即為公式(2)中的Z，那么可以得到：

其中,Zc為測量點(diǎn)機(jī)床實(shí)際坐標(biāo)，T0為機(jī)床基礎(chǔ)溫度，T為Z軸絲桿溫度測點(diǎn)溫度。

4 補(bǔ)償效果

廣州東莞某機(jī)械公司在使用高速鉆攻中心進(jìn)行生產(chǎn)加工時(shí)發(fā)現(xiàn)，該類機(jī)床的加工精度隨運(yùn)行時(shí)間和相對溫度的增加而降低，零件的次品率和廢品率也隨之大大增加。為了提高其加工精度，采用本文的方法實(shí)現(xiàn)了熱誤差的快速測量，建立了熱誤差補(bǔ)償模型，并利用該機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的熱誤差補(bǔ)償接口，進(jìn)行了熱誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

在開啟熱誤差補(bǔ)償功能前，從冷機(jī)狀態(tài)到熱平衡狀態(tài)需要2h左右，Z軸絲桿熱變形在0.05mm左右,如圖9所示。

圖9 補(bǔ)償前，實(shí)際加工時(shí)絲桿變形量隨時(shí)間的變化

設(shè)置啟用熱誤差補(bǔ)償功能后，使用加工程序再次進(jìn)行測試，并采集測試過程中的實(shí)際補(bǔ)償量和剩余變形量，二者相加即為絲桿的實(shí)際熱變形量。測試效果見圖10。

圖10 開啟溫度補(bǔ)償后的補(bǔ)償效果

從圖中可以看出，從冷機(jī)狀態(tài)到熱平衡狀態(tài)，絲桿的熱變形量從原來的0.05mm降到不足0.01mm，該熱誤差補(bǔ)償功能補(bǔ)償了其中的0.04mm，能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)加工的精度要求。

5 結(jié)論

為提高小型鉆攻中心熱變形的測量速度，本文提出了一種使用對刀儀對Z軸熱變形進(jìn)行在線測量的方法，比利用激光干涉儀測量熱變形量的方法更加方便快捷，時(shí)間縮短至2h。將利用該在線測量方法測量出的數(shù)據(jù)通過分段線性擬合的方式建立了熱誤差補(bǔ)償模型，并運(yùn)用到數(shù)控機(jī)床中進(jìn)行補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，絲桿的熱變形量從原來的0.05mm降到不足0.01mm，能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)加工的精度要求。

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On-lineMeasurementandCompensationMethodofThermalDeformationforHigh-speedDrillingCenter

TAN Hui-ling1，LIU Guo-an1，YANG Xiang2，WANG Xu2

(1. School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technologe, Wuhan 430081, China;2 .Wuhan Huazhong Numerical Control Co.,Ltd. , Wuhan 430081, China)

In the process of the 3C product of the high speed drilling center, the machine is small in size and large in quantity, the production speed is fast, and the thermal deformation is large. So it is very important to measure the thermal deformation quickly .To solve this problem, this paper proposed an on-line measurement and compensation method forZ-axis thermal deformation. Firstly using tool setting gauge to measure theZaxis thermal deformation, and then through the piecewise linear fitting to establish a thermal error compensation model, finally verify the compensation effect of the model. The results show that under the same measurement accuracy, the measurement time is shortened to 2 hours, and the measurement speed of thermal deformation is greatly improved. The technology can be applied to the thermal error compensation of small CNC machine tools, and the processing accuracy can meet the production requirements.

tool setting gauge; on-line measurement; thermal error compensation

TH165;TG659

A

1001-2265(2017)12-0094-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.12.023

2017-02-07；

2017-03-09

武漢市科技計(jì)劃項(xiàng)目2015010101010014；國家“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)2016ZX04002008

譚慧玲(1993—),女，湖北荊門人，華中科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)控機(jī)床熱誤差預(yù)測和補(bǔ)償，(E-mail)m201670469@hust.edu.cn。

(編輯李秀敏)