车削中心热误差实时补偿应用实例

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1、第七章车削中心热误差实时补偿应用实例17.1问题的提出7.2温度场、热误差的检测和分析7.2.1温度传感器布置及试验系统的建立7.2.2热误差测量试验7.2.3一系列影响热误差的单因素试验7.3热误差模态分析7.4热误差建模7.5补偿控制系统及补偿效果检验7.6多台同类车削中心热误差实时补偿7.6.1适合于多台同类车削中心的热误差鲁棒建模7.6.2适合于多台同类车削中心的热误差补偿系统7.6.3多台同类车削中心的热误差补偿结果27.1问题的提出提出课题的工厂有150台车削中心，在应用补偿技术前，由

2、于机床热变形而产生以下三个主要问题：（1）随着加工的进行，工件直径尺寸越来越小，每加工大约10个工件需调整机床一次，特别在加工初期工件尺寸变化得更快，使得操作工劳动强度增大，且一有疏忽就会造成废品；（2）每次停机后加工的第一个工件尺寸有个跳跃，绝大多数成为废品；（3）每班在机床切削加工前需预热即空转（包括主轴运转、拖板运动、冷却液流动等）半小时以上，以达到机床初步热平衡，这样既浪费了电力、损耗了机床，又降低了机床利用率。以150多台车削中心计算，由机床热变形造成的损失是相当大的。故极有必要开发能满足

3、工厂实际生产要求的高精度、低成本热误差补偿系统来修正主轴（或工件）与切削刀具之间的热漂误差，以提高机床加工精度、降低废品、增加生产效率和经济效益。37.2温度场、热误差的检测和分析7.2.1温度传感器布置及试验系统的建立为了检测机床的温度场，按下图所示在车削中心上安装了16个温度传感器。依其在车削中心上的位置可分为5组。（1）两个传感器（编号0和1）用于测量主轴箱的温度；（2）四个传感器（2~5）用于测量丝杆螺母的温度；（3）两个传感器（6、7）用于测量冷却液温度；（4）一个传感器（8）用于测量室温

4、；（5）七个传感器（9~15）用于测量床身温度。上图为热误差测量示意图。固定在刀架上的两个位移传感器用来测量X向（#17）和Z向（#16）的主轴相对于刀架的热漂误差。由于工件较短，忽略偏角误差。47.2.2热误差测量试验首先进行模拟切削加工循环过程的试验，但只是机床主轴旋转、拖板移动和冷却液流动而无切削加工，亦即空切削。机床先运行3.25小时，接着模拟中午休息停机1小时，然后再运行3.5小时后停机1小时。机床热误差和温度变化如下图所示。观察试验数据在一般意义下很难解释图中热误差曲线的一些变化过程。当

5、机床温度升高时，主轴和位移传感器之间的间隙在减小。3.25小时后，当机床停机冷却时，一般认为间隙应作相反的变化。但是，误差曲线显示间隙仍以相当大的速度减小。午休后，开机使机床温度再次升高。一般认为间隙应象开始时一样减小，然而，曲线以很快的速度向正方向变动。这种现象同样发生在3.5小时后的第二次冷却中。因此，很有必要对机床热源进行更深入的分析和研究。57.2.3一系列影响热误差的单因素试验根据机床结构及工作情况分析可得，该车削中心的热误差主要受3个因素的影响：冷却液温度变化、主轴旋转发热和拖板运动造成

6、丝杆和螺母发热。单因素试验研究是为了了解各单个因素对机床热误差的不同影响。为此，进行了以下三个试验：（1）冷却液循环单因素试验在这个试验里，机床温升只由冷却液流动引起。下图表示了热误差的变化过程。结果显示，当冷却液温度升高时，工件半径（#17X方向）减小，误差约为21m。工件长度（#16Z方向）也减小，误差约为15m。从图中还可看出达到热稳定状态约需2小时。冷却液流动单因素试验的热误差6（2）主轴旋转单因素试验在这个试验里，机床温升只由主轴先以600r/min旋转2小时，再以1800r/min旋

7、转2小时引起。下图表示了热误差的变化过程。结果显示，当主轴箱温度升高时，工件半径（#17X方向）减小，误差约为23m。工件长度（#16Z方向）也减小，误差约为40m。从图中还可看出达到热稳定状态约需3.5小时。主轴旋转单因素试验的热误差7（3）拖板移动单因素试验下图表示了只由拖板在Z和X二个方向以3m/min进给速度运动引起机床温升的热误差变化过程。结果表明，当丝杆螺母温度升高时，工件半径（#17X方向）增大，误差约为7m。工件长度（#16Z方向）也增大，误差约为12m，达到X方向丝杆螺母热

8、稳定状态只需1小时。拖板移动单因素试验的热误差8热特性分析结果在热特性分析的基础上，机床热误差测量试验图的曲线就比较容易解释了。以半径（X方向）误差为例。当机床开始工作时，冷却液、主轴箱和丝杆螺母温升对误差的影响彼此基本抵消。因此，前60分钟曲线几乎是平的。当丝杆螺母达到热稳定状态后，冷却液和主轴箱温升引起半径误差朝负向变化。当机床开动3.25小时后冷却时，丝杆收缩，但由于冷却液和主轴箱的热容量较大故其温度变化不大。因此，半径误差继续朝负向变化。当机床温度重新升高时，