五軸加工中心誤差敏感方向熱誤差試驗分析*

□ 朱煒煒 □ 葛廣言 □ 馮曉冰 □ 李全林 □ 杜正春, □ 楊建國,

1.寧波科威聯(lián)創(chuàng)數(shù)控技術(shù)有限公司 浙江寧波 315400 2.上海交通大學 機械與動力工程學院 上海 200240

1 試驗背景

數(shù)控機床在切削加工時,存在機床熱變形,使刀具和被切削工件之間的相對位置發(fā)生變化,由此產(chǎn)生加工誤差。機床熱變形誤差是影響機床加工精度的主要因素之一[1-2]。大量研究表明,熱誤差是機床的最大誤差源,數(shù)量占機床總誤差的40%～70%[3-4]。減小熱誤差主要有兩大類方法——改善機床設計和誤差補償[5-6],最經(jīng)濟有效的方法是對機床熱誤差進行實時補償[7]。近年來,隨著傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展,基于軟件的實時誤差補償在有效提高機床精度方面受到廣泛重視,并逐步得到推廣應用[8-10]。

筆者對國產(chǎn)五軸車銑復合加工中心車削加工中的工件徑向,即誤差敏感方向的熱誤差進行試驗分析,通過誤差因素分離的方法,對各誤差因素進行單因素試驗,并在實際切削工件中實施熱誤差實時補償,補償后工件的直徑尺寸誤差穩(wěn)定在7 μm內(nèi)。

2 誤差敏感方向熱誤差問題

國產(chǎn)高端五軸車銑復合加工中心融合多項專利技術(shù),代表了國產(chǎn)五軸加工中心較高的制造水平。然而,這一五軸加工中心在生產(chǎn)現(xiàn)場進行車削測試時卻出現(xiàn)了徑向尺寸誤差過大的問題,加工后工件徑向尺寸逐步增大,并存在波動,直至最終增大50 μm左右。車削測試在4月進行,氣溫為15 ℃左右。工件為圓柱體,每件切削3 min,主軸以800 r/min的速度連續(xù)運轉(zhuǎn),切削完成后立即測量徑向尺寸。在初始階段,工件徑向尺寸變化顯著,前十幾件工件徑向尺寸增大20 μm左右。隨后工件徑向尺寸增大的趨勢變緩,2 h后逐步趨于穩(wěn)定。停機時所有電機斷電,水冷系統(tǒng)繼續(xù)工作,1 h后開機重新開始加工,第一件工件的徑向尺寸回跳,與停機前最后一件工件的徑向尺寸相比偏小。隨著切削的進行,工件徑向尺寸再次逐步增大,然后趨于穩(wěn)定。在切削、停機、繼續(xù)切削的循環(huán)中,五軸加工中心溫度變化,導致工件徑向尺寸一直在變化或波動,徑向即為誤差敏感方向。

3 熱誤差因素分離

五軸車銑復合加工中心有三個正交直線軸,分別為直線軸X軸、直線軸Y軸、直線軸Z軸,有兩個旋轉(zhuǎn)軸,分別為車削軸C軸、銑刀軸B軸。直線軸X軸即徑向,也即誤差敏感方向。車削軸C軸包含兩個電主軸,銑刀軸B軸包含一個電主軸,五軸加工中心整體發(fā)熱較為嚴重。五軸加工中心配置獨立的水冷系統(tǒng),正常工作時,水冷系統(tǒng)驅(qū)動循環(huán)水流在各電主軸的冷卻裝置中往復流轉(zhuǎn),當循環(huán)水溫達到設定的制冷溫度閾值時,壓縮機開始制冷,迅速降低水溫,再通過熱交換作用冷卻各電主軸。各伺服電機軸由于電機自身發(fā)熱及運動摩擦生熱,也會引起床身及導軌、光柵尺溫升,從而產(chǎn)生熱變形誤差。廠房內(nèi)沒有空調(diào),五軸加工中心各結(jié)構(gòu)件還會受到室溫變化的影響,產(chǎn)生熱變形?？傮w而言,這一五軸加工中心結(jié)構(gòu)復雜,影響熱變形的因素很多,需要對影響誤差敏感方向熱誤差的各個因素進行有效分離,找出對熱誤差影響的主要因素。

通過對五軸加工中心結(jié)構(gòu)及各熱源、冷卻源的分析,總結(jié)出可能影響工件徑向尺寸,即誤差敏感方向熱誤差的因素,具體包括:

(1) 水冷系統(tǒng)對電主軸熱誤差的影響;

(2) 直線軸X軸龍門架由于直線軸X軸、直線軸Y軸、銑刀軸B軸電機發(fā)熱而引起的熱變形;

(3) 電主軸電機通電后發(fā)熱產(chǎn)生的熱誤差;

(4) 直線軸X軸光柵尺由于直線軸X軸、直線軸Y軸、銑刀軸B軸電機發(fā)熱而引起的熱誤差;

(5) 直線軸X軸光柵尺由于運動溫升而引起的熱誤差;

(6) 銑刀軸B軸熱誤差;

(7) 液壓油溫升對電主軸熱變形的影響;

(8) 電主軸電機連續(xù)旋轉(zhuǎn)發(fā)熱,在水冷系統(tǒng)共同作用下產(chǎn)生的電主軸熱誤差。

工件誤差敏感方向熱誤差是以上八個因素綜合影響的結(jié)果,需要采取分離方法,獨立提取各誤差因素,測試其對誤差敏感方向熱誤差的影響程度。

4 熱誤差試驗

通過單因素試驗,分析各因素對誤差敏感方向熱誤差的影響,以便建立熱誤差補償模型。

4.1 水冷系統(tǒng)影響

采用主軸回轉(zhuǎn)誤差分析儀,檢測棒裝夾在電主軸卡盤上,五個微位移傳感器通過專用夾具安裝在直線軸Y軸的前端,可同時測量位置1和位置2在直線軸X軸、直線軸Y軸方向上的位移,以及檢測棒底端在直線軸Z軸方向上的位移。主軸回轉(zhuǎn)誤差分析儀安裝如圖1所示。

▲圖1 主軸回轉(zhuǎn)誤差分析儀安裝

同時通過溫度傳感器測量室溫變化,試驗周期為150 min,其間關(guān)閉五軸加工中心電源,開啟水冷系統(tǒng)。水冷系統(tǒng)影響下熱誤差曲線如圖2所示,室溫曲線如圖3所示。由圖2、圖3可以看出,在150 min試驗周期中,電主軸在直線軸X軸方向只偏移不到0.6 μm,室溫變化在0.3 K以內(nèi),可見水冷系統(tǒng)單一作用對誤差敏感方向熱誤差的影響很小,可以忽略不計。

▲圖2 水冷系統(tǒng)影響下熱誤差曲線

▲圖3 水冷系統(tǒng)影響下室溫曲線

4.2 直線軸X軸龍門架影響

采用主軸回轉(zhuǎn)誤差分析儀,直線軸X軸伺服電機通電,電主軸電機和水冷系統(tǒng)均斷電,直線軸X軸龍門架影響下熱誤差曲線如圖4所示。

▲圖4 直線軸X軸龍門架影響下熱誤差曲線

由圖4可以看出,在240 min試驗周期中,直線軸X軸龍門架單向有2.5 μm左右熱誤差存在,導致工件徑向尺寸偏差5.0 μm,影響較小,可以忽略不計。圖4中位置1和位置2熱誤差數(shù)據(jù)接近,說明直線軸X軸龍門架沒有扭轉(zhuǎn)熱變形。熱誤差約在120 min時達到最大,之后由于達到熱平衡狀態(tài)而趨于穩(wěn)定。在進行其它熱誤差因素試驗時,應首先使直線軸X軸龍門架達到熱平衡狀態(tài)。

在直線軸X軸龍門架沿光柵尺布置三個溫度傳感器,檢測溫度變化,如圖5所示。溫度檢測結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出,三個溫度檢測點的溫度都呈現(xiàn)逐步升高的趨勢,1號溫度檢測點的溫度為25.1 ℃,2號溫度檢測點的溫度為24.7 ℃,3號溫度檢測點的溫度為24.3 ℃,三個溫度檢測點的溫度呈現(xiàn)出梯度變化,這與電機的熱傳導規(guī)律相符。

▲圖5 直線軸X軸龍門架溫度檢測點▲圖6 直線軸X軸龍門架溫度檢測結(jié)果▲圖7 電主軸電機影響下熱誤差曲線

4.3 電主軸電機影響

采用主軸回轉(zhuǎn)誤差分析儀,在直線軸X軸龍門架達到熱平衡狀態(tài)后,電主軸電機通電,水冷系統(tǒng)仍然關(guān)閉,電主軸電機影響下熱誤差曲線如圖7所示。

由圖7可以看出,在150 min試驗周期中,電主軸熱誤差小于3μm,且為負值,由此引起工件徑向尺寸偏小近6 μm?？紤]到冷卻水的循環(huán)還會帶走一部分熱量,電主軸電機仍然不是造成誤差敏感方向熱誤差的主要因素。

4.4 直線軸X軸光柵尺由電機發(fā)熱引起熱誤差

采用激光干涉儀測試直線軸X軸光柵尺由于直線軸X軸、直線軸Y軸、銑刀軸B軸電機發(fā)熱而引起的熱誤差,關(guān)閉水冷系統(tǒng),各電機發(fā)熱4 h,冷態(tài)定位誤差曲線如圖8所示,熱態(tài)定位誤差曲線如圖9所示,室溫波動在0.5 K以內(nèi)。

▲圖8 直線軸X軸光柵尺由電機發(fā)熱引起的冷態(tài)定位誤差曲線▲圖9 直線軸X軸光柵尺由電機發(fā)熱引起的熱態(tài)定位誤差曲線

各電機經(jīng)4 h發(fā)熱之后,1號溫度檢測點的溫度為25.6 ℃,2號溫度檢測點的溫度為24.5 ℃,3號溫度檢測點的溫度為23.8 ℃,溫度梯度接近2 K。對圖8、圖9數(shù)據(jù)取平均值,并做差,得到直線軸X軸光柵尺由電機發(fā)熱引起的定位誤差曲線對比,如圖10所示。由圖10可以看出,熱態(tài)平均定位誤差與冷態(tài)平均定位誤差的差值在2 μm以內(nèi),說明直線軸X軸光柵尺由電機發(fā)熱引起的熱誤差影響很小,可以忽略不計。

▲圖10 直線軸X軸光柵尺由電機發(fā)熱引起的定位誤差曲線對比

4.5 直線軸X軸光柵尺由運動溫升引起熱誤差

直線軸X軸以8 m/min速度上下運行,時長1 h,其間每20 min采用激光干涉儀測試來回三次的定位誤差,取平均值,室溫波動在0.5 K以內(nèi)。經(jīng)1 h運動溫升后,1號溫度檢測點的溫度為26.4 ℃,2號溫度檢測點的溫度為25.1 ℃,3號溫度檢測點的溫度為23.5 ℃,溫度梯度接近3 K。直線軸X軸光柵尺由運動溫升引起的定位誤差曲線如圖11所示。

▲圖11 直線軸X軸光柵尺由運動溫升引起的定位誤差曲線

由圖11可以看出,直線軸X軸光柵尺由運動溫升引起的定位誤差只變化4 μm,同樣可以忽略不計。

4.6 銑刀軸B軸熱誤差

采用激光干涉儀測試銑刀軸B軸熱誤差,激光干涉儀一端安裝在刀具夾緊機構(gòu)上,另一端安裝在外殼上作為測試基準,并布置無線溫度傳感器。銑刀軸B軸溫度檢測點如圖12所示。銑刀軸B軸電機以800 r/min的轉(zhuǎn)速連續(xù)旋轉(zhuǎn),測試期間室溫為23 ℃,室溫波動在0.3 K以內(nèi)。測試分兩種工況進行。工況1為將水冷系統(tǒng)的制冷溫度閾值從22 ℃提高到26 ℃,模擬室溫低于制冷溫度閾值。工況2為將制冷溫度閾值從22 ℃降低到17 ℃,模擬室溫高于制冷溫度閾值。

▲圖12 銑刀軸B軸溫度檢測點

工況1銑刀軸B軸升溫過程中的熱誤差曲線如圖13所示。測試時間為60 min,溫度檢測點的溫度從22.8 ℃上升到24.8 ℃。由圖13可以看出,銑刀軸B軸的熱誤差在初始階段迅速增大,方向為導致徑向尺寸減小的方向。在前30 min,熱誤差達到26 μm,隨后熱誤差增大趨勢放緩,1 h左右達到平衡,最大熱誤差為30 μm。

▲圖13 工況1銑刀軸B軸升溫過程中熱誤差曲線

工況2銑刀軸B軸降溫過程中的熱誤差曲線如圖14所示。測試時間為60 min,溫度檢測點的溫度從23.1 ℃下降到20.3 ℃。由圖14可以看出,銑刀軸B軸的熱誤差在初始階段迅速增大,方向為導致徑向尺寸增大的方向。在前30 min,熱誤差達到35 μm,隨后熱誤差增大趨勢放緩,1 h左右達到平衡,最大熱誤差為40 μm。

▲圖14 工況2銑刀軸B軸降溫過程中熱誤差曲線

銑刀軸B軸在兩種工況下都有明顯的熱誤差,是誤差敏感方向熱誤差的主要影響因素之一。

4.7 液壓油溫升對電主軸熱變形影響

車削軸的卡盤采用液壓推桿驅(qū)動,液壓油溫升會通過機構(gòu)的連接部分傳導至電主軸上,從而引起電主軸熱變形。在液壓油缸外布置一個無線溫度傳感器,并在銑刀軸B軸上布置無線溫度傳感器,銑刀軸B軸溫度檢測點同圖12。所有電機通電,關(guān)閉水冷系統(tǒng),在初始狀態(tài)下切削第一組三個工件,檢測工件徑向尺寸。液壓油升溫390 min,即溫升約15 K后,切削第二組三個工件,檢測工件徑向尺寸。試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 液壓油溫升對電主軸熱變形影響試驗數(shù)據(jù)

由表1可以看出,液壓油溫升近15 K,升溫前后工件徑向尺寸變化明顯,徑向尺寸平均偏差達到60 μm。參照前述試驗,可知電主軸電機發(fā)熱對熱誤差影響很小。試驗過程中,水冷系統(tǒng)關(guān)閉,銑刀軸B軸的溫升也很小,因而由銑刀軸B軸溫升造成的熱誤差也可忽略不計。直線軸X軸龍門架在第二組三個工件切削時已經(jīng)達到熱平衡狀態(tài),對熱誤差產(chǎn)生的影響同樣很小。根據(jù)以上分析,液壓油溫升對電主軸熱誤差的影響明顯,是誤差敏感方向熱誤差的主要影響因素之一。

4.8 電主軸電機旋轉(zhuǎn)發(fā)熱引起熱誤差

直線軸X軸龍門架達到熱平衡狀態(tài),電主軸電機以1 000 r/min的轉(zhuǎn)速連續(xù)旋轉(zhuǎn),水冷系統(tǒng)開啟,電主軸電機和水冷系統(tǒng)影響下熱誤差曲線如圖15所示。試驗周期為180 min,初始室溫為23.2 ℃,室溫波動在0.5以內(nèi)。由圖15可以看出,電主軸的熱誤差最大為7 μm,會造成工件徑向尺寸超差14 μm。由于初始溫度與水冷系統(tǒng)的制冷溫度閾值接近,因此在電主軸電機旋轉(zhuǎn)發(fā)熱7 min后,水冷系統(tǒng)啟動。前20 min電主軸熱誤差達到5 μm,隨后在水冷系統(tǒng)的作用下,熱誤差增大趨勢減緩,在80 min后趨于穩(wěn)定。

▲圖15 電主軸電機和水冷系統(tǒng)影響下熱誤差曲線

4.9 熱誤差主要影響因素

由熱誤差單因素試驗可知,影響五軸加工中心誤差敏感方向熱誤差的主要因素如下:

(1) 銑刀軸B軸熱誤差;

(2) 液壓油溫升引起電主軸熱變形;

(3) 電主軸電機旋轉(zhuǎn)發(fā)熱引起熱誤差。

在實際切削加工中,工件的徑向尺寸誤差是這三個影響因素綜合作用的結(jié)果。

5 熱誤差補償

根據(jù)試驗分析得出的三個主要熱誤差影響因素,建立熱誤差實時補償模型,實施實時補償,并通過實際切削加工試驗來檢驗補償效果。實時補償過程如下:從數(shù)控系統(tǒng)中采集五軸加工中心位置坐標信號,同時由布置在五軸加工中心上的溫度傳感器采集溫度信號,通過外置實時補償系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理單元中的誤差實時補償模型計算得到各軸補償值,將各軸補償值輸入數(shù)控系統(tǒng),通過數(shù)控系統(tǒng)中的坐標偏置功能進行各軸位置的實時補償或修正。熱誤差實時補償效果如圖16所示。由圖16可以看出,通過實施實時補償,42個工件的徑向尺寸誤差控制在7 μm以內(nèi),補償效果顯著。未實施實時補償?shù)墓ぜ较虺叽缭诩庸ぶ行臒嵴`差影響下變化近39 μm。通過實時補償,五軸加工中心誤差敏感方向熱誤差減小82%。

6 結(jié)束語

熱誤差是影響機床精度的最重要的誤差源,筆者對國產(chǎn)高端五軸車銑復合加工中心誤差敏感方向熱誤差進行試驗分析,采用因素分離方法找出影響誤差敏感方向熱誤差的主要因素,并建立熱誤差實時補償模型,實施實時補償。

實際補償試驗表明,實時補償效果明顯,五軸加工中心誤差敏感方向熱誤差減小82%,為減小數(shù)控機床熱誤差提供了一種切實有效的方法。