曹陽

齊齊哈爾二機床（集團）有限責任公司

普通數控機床一（yī）般有X、Y、Z三個直（zhí）線軸，在給機床（chuáng）各坐（zuò）標軸命（mìng）名（míng）時，一般都是先命名直線軸中的主軸（Z軸），因為主軸和（hé）機床關聯很大，是機床重（chóng）要的組（zǔ）成部件，刀具的裝夾、工件的切削、動力與切削力的轉換都（dōu）由主軸實現，可以說主軸是（shì）整個數控機床的心髒。主軸定位精度直接決定工件的加工質量和加工精度。

1　加工誤差的產生

在數控機床進行機（jī）械加工時，造成主軸熱變形的熱源分為外（wài）部熱源和內部熱源，無論是機床內部摩擦產生熱源，還是由（yóu）於外部環境對數（shù）控機床的溫度產（chǎn）生影（yǐng）響，根據物理學可知，金屬在受熱（rè）後會（huì）發生膨脹。因為機床（chuáng）零件結構、材料的差異性使每個零件溫（wēn）升、變形量（拉伸、扭曲等）都不相同，由於（yú）溫度的升高使數控機床（chuáng）的主軸產生一定位移，造成加工刀具和加工件之間錯位，即造成（chéng）加（jiā）工誤差，如（rú）圖1所示。

圖1 數控機床主軸產（chǎn）生熱誤差的條件

2　機床熱態分析方法

機床受溫度影響發生熱變（biàn）形而產生（shēng）的誤差（chà）為熱誤差。在各種類型的誤差（chà）中（zhōng），熱誤差可占機床誤差的40%～70%，是影響機床（chuáng）加工（gōng）精度的主要因素。而機床主軸的熱誤差直接反映（yìng）在機床加工零件的質量上。目前，針對熱態特性，可以采用以下兩種方（fāng）法對（duì）數控機床主軸進行熱態分析。

（1）有限元分析法（fǎ）：使用有限元法對滑枕進行熱（rè）變形分析，建（jiàn）立滑枕模型。對滑枕的外部熱源和內（nèi）部熱（rè）源等參數進行計算，和滑枕有限元分析後的模型組建熱誤差模型，仿真分（fèn）析出滑枕內部溫度分布情（qíng）況，得到滑枕內部（bù）的熱變形誤差。

（2）測量法：該方（fāng）法是（shì）在滑枕內部安裝溫度（dù）傳感器（qì），直接測量數控機床主軸在工作時的溫度情況，使用激光位移（yí）傳感器對主軸的熱（rè）伸長情況進行測量，臨（lín）末對溫度和熱變（biàn）形進行分析。

有限（xiàn）元分析法可深入分析滑枕內部熱源及（jí）周（zhōu）圍環境影（yǐng）響下的（de）熱態特性，能對主軸的（de）熱變形有簡單（dān）直觀（guān）的認識（shí）。但對機床的影響因素很多，不能把所有的因素全部參數（shù）化（huà），所以通常造成（chéng）數值（zhí）仿真結果與實際存在一定程度的偏差，這樣（yàng）影響熱誤差補償的精確度。

測量法則可直接（jiē）測量機（jī）床的溫度和位移情況，但是由於傳感器（qì）無法布置（zhì）到機床各個點，無法得到整個機床的溫度和熱變形數據，而且試驗時間較（jiào）長。由於每台機床的（de）裝配精度、軸承與滑枕的（de）間隙、軸承的發熱量以及外界溫度等都（dōu）不可能完全一致，導（dǎo）致每台機床在出（chū）廠前都需（xū）要進行測量，而且在廠家安裝（zhuāng）後的環境和在裝配現場的環境也存在差異，導致（zhì）在裝（zhuāng）配現場的數據不能適用於用戶的使用（yòng）環境，安裝後仍需重新進行熱誤差補償。有限元分析法和直接測量法在獲得數（shù）控機床熱（rè）態特性過程中都存在利與弊，但是這兩種方法相輔（fǔ）相（xiàng）成，具（jù）有較強的互補性，因此在生產（chǎn）過程中會結合這兩種方法（fǎ）使用（yòng）。

3　落地數（shù）控銑鏜床主軸溫（wēn）度（dù）補償

數控TK6920落地（dì）銑鏜床主（zhǔ）軸的熱誤差主要是（shì）由於機床進行加工作業時（shí），將會（huì）產生很多較複雜的溫度場，進（jìn）而對數控機床整體（tǐ）部件產生影響，並且由於受熱原（yuán）因產生形變。從TK6920落（luò）地銑鏜床（chuáng）主軸的溫度變化情（qíng）況（kuàng）可以發現主軸受熱後的變形規律。

TK6920落地銑鏜床滑枕的內（nèi）部結構相對比較簡單，發熱源主要為主軸的軸承，其他部件引起的發熱太小（xiǎo），可以忽略。主軸（zhóu）上的（de）軸承（chéng）采用進口的高精度組配（pèi）軸承，價格昂貴，所以將溫度傳感器設置在主軸軸承（chéng）上（shàng），這樣既檢測了主（zhǔ）軸的溫度，同時也（yě）能（néng）起（qǐ）到監測軸承（chéng）溫度的作用，一旦軸承出現溫度（dù）過高、超出安全溫度（dù）時，係統會自動報警，機床停止運（yùn）行。

由於不同（tóng）條件下補償模型也不同，誤差（chà）模型不具有通用性，補償（cháng）的準確率低，同時結合該機床的特點，本文采用測量法進行補償。

在（zài）銑軸前五個軸承上分（fèn）別布置五個溫度傳（chuán）感器T1、T2、T3、T4和T5。如（rú）圖2所示，溫度傳感器T1、T4主軸轉速在1 000r/min、環境溫（wēn）度在20℃時運行（háng）180min，每15min記錄一次前軸承溫度值，由於溫度傳感器T1、T2和T3所對應的軸承尺寸、安裝位置、轉速、潤滑條件及工作環境都相同，並且產生的熱（rè）位移也基本相同（tóng），所以以傳感器T1數據代（dài）表主軸前軸承溫度值。T4、T5所對（duì）應的軸承（chéng）尺寸、安裝位置、轉速、潤滑條（tiáo）件及工作環境都（dōu）相同，並且產生（shēng）的熱位移也基本相同，所以以傳感器T4數據代表主軸（zhóu）後軸（zhóu）承溫度值。主軸熱位移如圖3所示。

圖2 傳感器T1熱誤差變（biàn）化 

圖3 主軸熱位移 

根據試驗數（shù）據，采用多元回歸（guī）二（èr）乘法建立熱誤差補（bǔ）償模型，即Z＝5.09＋10.18×ΔT1＋2.13×ΔT4。

圖4所示為數控機床（chuáng）實時補償示意圖，補償控製器由（yóu）CNC處（chù）理（lǐ）部分、CNC控製部分和傳感器部分組成。

圖4  數（shù）控機床實時補償示意圖 

構（gòu）建即時監控係統能夠有效對熱誤差進行補償作業（yè）。構建後能夠通過測量數據得到即時誤差補償值，其中（zhōng）還要滿（mǎn）足以（yǐ）下幾個關鍵要素：首先要利用溫度傳（chuán）感器測量主軸和位移傳感器測得的（de）數（shù）據，用多（duō）元回歸二乘法進行計算，計算出熱變形誤差補（bǔ）償方程。將計算得（dé）到的模擬數據（jù）轉換為數字數據。使用PLC計算出主軸需（xū）要的補償值並傳給數控係統，臨末通過（guò）數控係統（tǒng）實現補（bǔ）償（cháng）。

圖5  主軸熱誤差補償前、後對比 

通過圖5可以發現，多元回歸（guī）二乘法（fǎ）可以很好地對主軸（zhóu）的熱誤差進行補償。但也（yě）有其局限性，主軸在不同的轉速下不能用同一數學模型表示（shì），此模型隻適合主軸轉速在1 000r/min時的熱誤差補（bǔ）償。機床運行180min後，主軸的位移值由124μm減（jiǎn）小到67μm。

來源：《金屬加工（gōng）（冷加工）》雜（zá）誌