车削中心热误差实时补偿应用实例PPT课件

1、17.1 7.1 问题的提出问题的提出 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、-3 5-3 0-2 5-2 0-1 5-1 0-5051 01 52 02 53 03 51101928374655647382911001091181271361451541631721

2、81190P 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 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. nor

3、mal expansion 3. jump车削中心热误差补偿车削中心热误差补偿车削中心热误差补偿车削中心热误差补偿拖板运动、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。第第1页页/共共33页页27.2 7.2 温度场、热误差的检测和分析温度场、热误差的检测和分析 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

4、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（25）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； （5）七个传感器（915）用于测量床身温度。XZ位移传感器位移传感器# 17# 16主轴 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。第第2页页/共共33页页3 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

5、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。时间时间(min.)误差误差( m)-30-25-20-15-10-500306090120150180210240270300330360390420450480510空切削(3.25 小时)停机(1 小时)空切削(3.5 小时)停机(1 小时)#17 X 方向方向#16 Z 方向方向25272931333537390306090120150180210240270300330360390420450480510时间时间(min.)温度温度( C/p>

6、02345151398空切削(3.25 小时)停机(1 小时)空切削(3.5 小时)(1 小时)停机 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。第第3页页/共共33页页.3 3 一系列影响热误差的单因素试验一系列

7、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（#17 X 方向）减小，误差约为21 m。工件长度（#16 Z 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。-25-20-15-10-50510515253545556575

8、8595105115125135145155165175185195205215225235245255时间时间(min.)误差误差( m)#17 X 方向#16 Z 方向冷却液流动单因素试验的热误差第第4页页/共共33页页5 （2）主轴旋转单因素试验）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600 r/min 旋转2小时，再以1800 r/min 旋转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（#17 X 方向）减小，误差约为23 m。工件长度（#16 Z 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。-50-4

9、0-30-20-100100153045607590105120135150165180195210225240时间时间(min.)误差误差( m)600rpm 2 小时1800rpm 2 小时#17 X 方向#16 Z 方向主轴旋转单因素试验的热误差第第5页页/共共33页页6 （3）拖板移动单因素试验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3 m/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（#17 X 方向）增大，误差约为7 m。工件长度（#16 Z 方向）也增大，误差约为12 m，达到X方向丝杆螺母热稳定状态只需1小时。时间时

10、间(min.)02468101214160153045607590105120135150165180误差误差( m)#17 X 方向#16 Z 方向拖板移动单因素试验的热误差第第6页页/共共33页页7热特性分析结果热特性分析结果 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

11、误差继续朝负向变化。当机床温度重新升高时，丝杆螺母膨胀导致半径误差朝正向变化达到稳定状态。因此，热源分析很好地解释了这些热现象。 但是，为什么当冷却液温度升高、主轴箱温度升高和丝杆螺母温度降低时半径误差减小？为了更好地估计由这些热源引起的热误差，温度传感器应如何布置？下节介绍的热误差模态分析是解决这些问题的一个有效方法。第第7页页/共共33页页87.3 7.3 热误差模态分析热误差模态分析 经过对工厂的该车削中心的机械结构、工作情况、热源及热变形的研究和分析得出关于影响被加工工件径向尺寸（X轴方向），有四个方面的主要热变形误差模态。 （1）基座弯曲模态 由于机床基座被用作为冷却液储存箱，故冷却

12、液温度变化将直接造成机床床身上下温度不均匀变化而引起床身弯曲变形。当机床工作时，床身温度（包括冷却液温度）升高、床身上下温度差值增大且测得上部温度低于下部温度，所以产生如图所示的向上热弯曲模态，使得刀具和被加工工件的径向距离减小最终导致被加工工件的径向尺寸变小。这个现象和试验数据相吻合。从冷却液流动单因素试验的热误差图中可得到这热误差模态的时间常数（此时间常数定义为达到稳定热误差63.2%的时间）大约为40 min。根据床身上部温度（测床身温度的温度传感器 #15）和下部温度（测冷却液温度的温度传感器 #6）的差值可有效地估计这一基座弯曲模态。156第第8页页/共共33页页9 （2）基座膨胀模

13、态 由于热传递的作用，在机床工作后，床身上部温度和下部温度会一起逐渐地提高而使基座（床身）膨胀。其基座横向膨胀模态如图所示。床身横向膨胀使被加工工件径向尺寸变大。基座膨胀模态的时间常数和弯曲模态的时间常数基本相同。根据床身上部温度（温度传感器 #15）和下部温度（温度传感器 #6）的平均值可有效地估计这一基座膨胀模态。156第第9页页/共共33页页10 （3）X轴丝杆膨胀模态 由于X轴拖板移动，使得X轴丝杆螺母的温度上升而产生丝杆热伸长。如图所示，因为推力轴承安装在丝杆的前（右）端，故丝杆热伸长时推动螺母往后（左）移动使得刀具和被加工工件的径向距离变大最终导致被加工工件的径向尺寸也变大。从拖板

14、移动单因素试验的热误差图中可得这热误差模态的时间常数大约为20 min。由于螺母上容易安装温度传感器，故可用螺母（温度传感器 #4）代替丝杆温度来估计这一热误差。4第第10页页/共共33页页11 （4）主轴箱体膨胀模态 如图所示，来自主轴旋转的热将引起主轴箱体朝着垂直向上的方向膨胀。因为刀架拖板的导轨面是倾斜的（角度为），故主轴箱体膨胀量 L 将会造成被加工工件径向尺寸误差 r = L*Sin（此为40o）。从主轴旋转单因素试验的热误差图中可得主轴箱体膨胀模态的时间常数大约为40 min。对于这一热误差模态，最好的温度传感器安置点是主轴箱提上接近主轴点，如图中温度传感器 #1。1第第11页页/

15、共共33页页12 通过热误差模态的分析，更进一步认识了机床热变形对加工精度的影响程度并且比较清楚地可得出在原先的16个温度传感器中有4个很关键，用它们可较简便地但精度也可满足地估计所研究机床的热误差（具体应用还得通过温度传感器布置策略来论证和选用，见下节）。它们是： （1）温度传感器 6# 测量冷却液温度（床身下部温度）； （2）温度传感器 15# 测量床身温度（床身上部温度）； （3）温度传感器 4# 测量X轴螺母温度； （4）温度传感器 1# 测量主轴（箱）温度。第第12页页/共共33页页137.4 7.4 热误差建模热误差建模 经检测和分析，对于所研究的车削中心，与机床运动位置有关的几何

16、误差不大于10m，而与机床温度有关的热误差（大约40m）占了总误差的75%，故本研究只考虑热误差的建模和补偿。 热误差最主要应为机床温度分布的函数，故机床类型、大小、结构，加工工件材料、形状、大小，刀具材料、形状，等等因素都间接通过机床温度分布来影响机床热变形。故热误差模型的一般形式可为：其中：T为热误差；c0, ci, cij为模型的温度系数；Ti，Tj为温度变量。 热误差建模一般过程为：（1）采集机床各关键点温度数据和相应时间的热误差数据；（2）选择热误差模型的阶数；（3）使用最小二乘拟合法确定参数；（4）计算拟合残差。如精度不够，提高模型阶数重新拟合直至符合要求。 本研究考虑到工厂实际使

17、用方便，热误差模型估计式设定为线性模型。另外，为使建模条件接近实际加工条件及在建模过程中不影响工厂生产，实际加工后的工件尺寸误差被用为建模数据。 在机床关键温度点的优化选择中，根据优化布置策略，先后使用了主因素策略、互不相关策略、最近线性策略、最少布点策略等，获得了与上节所述的热变形模态分析中得出一致的在车削中心上的四个关键温度点，并用于热误差建模。最终从16个温度传感器减少到仅使用4个。 niijjiijiniiTTcTcc11 1 0 T第第13页页/共共33页页1424262830323436110192837465564738291100109118127136145154163172

18、181190工件序号或时间温度（）Ts:主轴Tn:X 丝杆螺母Tc:冷却液Tb:床身19-20 停机 20min61-62 停机 70min99-100 停机 20min122-123 停机 70min146-147 停机 5min175-176 停机 10min-40-35-30-25-20-15-10-50510151815222936435057647178859299106113120127134141148155162169176183190工件序号或时间误差(m)测量值拟合值残差 右上图为机床四个关键点温度变化。右下图为机床热误差变化和用最小二乘拟合法进行的建模分析图，从图中看出估

19、计模型拟合得较好，残差小于10m，可满足被加工工件尺寸公差24 m的精度要求。第第14页页/共共33页页15 求得的热误差估计模型为（本例仅考虑尺寸敏感方向，其它同理可得）： Tx = 28.2 - 4.2Tc - 2.7Tn - 1.5Ts + 7.9Tb 其中： Tc、Tn、Ts 和Tb分别为冷却液温度、X轴丝杆螺母、主轴温度和床身温度。故误差数学模型为： Wx= stx = Tx = 28.2 - 4.2Tc - 2.7Tn - 1.5Ts + 7.9Tb第第15页页/共共33页页167.5 7.5 补偿控制系统及补偿效果检验补偿控制系统及补偿效果检验 .1 热误差补偿系统

20、热误差补偿系统 本研究补偿系统使用原点平移法，因为这种补偿系统既不影响坐标值，也不影响CNC控制器上执行的工作程序。补偿系统由微机结合机床控制器构成，流程框图见下图。工作过程和功能如下。首先通过布置在机床上的温度传感器实时采集机床温度信号，经放大等预处理后再通过A/D板进入微机。微机根据预先建立的热误差数学模型结合实时采集的机床温度值运算出补偿值并把补偿值送入机床控制器。控制器根据补偿值实时控制刀架的附加进给运动来修正误差、提高机床加工精度。位移传感器（在实际生产补偿加工过程中不用）用于在空切削中检测机床热误差（由机床热变形引起的主轴相对于刀具的漂移），并将热误差数据结合相对应的机床温度数据进

21、行建模。C N C 控制器控制器输入工件加工程序机床机床 温度传感器微机微机输出 A/D 板热误差数学模型误差元素数据库放大器放大器补偿信号温度主轴热漂位移传感器第第16页页/共共33页页.2 补偿效果检验补偿效果检验 关于补偿效果检验，先使用位移传感器测量主轴热漂误差，然后再进行实际切削检验。 （1）主轴热漂测量）主轴热漂测量 与前述主轴热误差的检测一样的设置，检验补偿效果的主轴热漂测量是在空切削中，使用位移传感器测量主轴和刀具之间的热漂误差。下图为主轴热漂测量结果。从图中可得，经补偿，半径方向热漂从25m以上降低到大约7m，降低热误差72%；轴向热漂从36m以上降低到8m

22、，降低热误差78%。主轴热漂测量结果表明经补偿机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 OF

23、FAir Cutting ( 2 hours)Coolant ON第第17页页/共共33页页18（2）实际切削加工结果）实际切削加工结果 下图表示了使用本误差补偿系统所得的实际切削补偿结果。从图中可见，经过补偿，工件直径尺寸误差从大于35m以上降低到小于12m。停机后加工的第一个工件尺寸基本无跳跃。工件尺寸误差完全控制在尺寸公差带范围内，加工精度大大提高，满足了工厂实际生产需要。补偿效果非常明显。-35-25-15-5515115294357718599113127141155169183工件序号工件序号 误差误差( m)上公差下公补偿后补偿前预报值第第18页页/共共33页页197.6 7.6

24、 多台同类车削中心热误差实时补偿多台同类车削中心热误差实时补偿 在单台车削中心补偿获得成功后，把这套补偿技术移植到厂内类型相同和规格基本相同的100多台车削中心上。但是，实践证明简单的全盘复制不但技术上行不通而且经济上还有潜力可挖。对多台同类车削中心的热误差实时补偿的具体要求是创造精度更高的、能长期有效使用的即鲁棒性很好的建模新方法及价格低廉、使用方便可靠的补偿系统。在创立了两种热误差建模新方法及改进了补偿系统后，获得了多台同类车削中心热误差实时补偿的成功。适合于多台同类车削中心的热误差鲁棒建模适合于多台同类车削中心的热误差鲁棒建模 由于不同的机床在不同的时间采集的数据（包括机床各关键点温度、

25、热误差）有不同，而现有热误差建模方法完全依赖建模数据，故得出的各机床热误差数学模型差异较大，一般不可互相代替。若每台机床一个热误差数学模型，不但补偿实施时间太长，而且以后管理难度极大。另外，现有建模方法得出的热误差数学模型的鲁棒性还不够，随着季节（环境温度）的变化，补偿效果越来越差。为此，从长期有效使用的鲁棒性、各机床互相通用的综合性及减少误差辨识时间的快速性，通过深入的理论分析和研究，创立了两种热误差建模新理论和新方法：综合最小二乘建模和正交试验设计建模。厂内100多台类型相同和规格基本相同的车削中心上，仅用本两种建模方法所得的两个热误差数学模型（两个模型的补偿效果基本相同，100多台机床也

26、可任意使用两者之一），100多台机床在工厂一年四季的生产中，都呈现出优异的补偿功能，始终保持着良好的加工精度，满足了工厂的生产实际需要。第第19页页/共共33页页20适合于多台同类车削中心的热误差补偿系统适合于多台同类车削中心的热误差补偿系统 如图所示，所开发的补偿系统由四个放置在车削中心的关键温度点上电阻式温度传感器、具有桥接电路的调整板、A/D板及车削中心的控制器组成。首先通过布置在车削中心上的四个温度传感器实时采集车削中心的温度信号。然后，信号经调整板（专门制造的调整板仅由一些简单桥接电路组成，其主要功能是进行电阻信号到电压信号转化）放大、调整等处理后再经过A/D板进入车削中心的控制器，

27、控制器根据热误差数学模型算出补偿值对刀架的附加运动进行实时控制以修正机床热变形造成的被加工工件的尺寸误差。如果需要，数学模型的修改可简单地通过车削中心控制器的键盘输入来完成。本补偿系统去掉了为补偿专用的计算机（图中微机用于热误差模型需要修正时的温度数据采集），控制线路简单，制造成本低廉，使用非常方便可靠，非常适合于多台同类车削中心的热误差补偿。输出接口 调调 整整板板车削加工中心车削加工中心T1T2T3T4 A/D 板X + XZ + X热传感器*4 车削加工中心控制器车削加工中心控制器热误差数学模型工件加工程序 x,z 屏屏 幕幕 显显 示示 Tc,Tn,Ts,Tb,dx,dz 控控 制制

28、键键 盘盘 模型编辑x, z+ 微微 机机T1,T2,T3,T4第第20页页/共共33页页.3 多台同类车削中心的热误差补偿结果多台同类车削中心的热误差补偿结果 图为在工厂的生产中用本研究提出的两种建模新方法所得的热误差数学模型在车削中心上进行实时补偿加工的一个结果。从图中可知，两者效果相同都很好，补偿前由于热变形造成工件直径尺寸变化达35m以上，经补偿降至12m以下，而且停机后再开机被加工的第一个工件尺寸的跳跃（见图，未经补偿的曲线有二次停机有二个跳跃）也消失了。-40-35-30-25-20-15-10-5051017131925313743495561677379859

29、197103109115121127 工件序号或时间 误差（m）未补偿经综合法补偿(三角)经正交法补偿(圆)补偿结果补偿结果第第21页页/共共33页页22-35-30-25-20-15-10-50510152025303516111621263136414651566166717681869196101Part No. or TimeError(micron)With Comp.Comp.-V.No Comp.USLSLSMachine No.85665Cutting in Central cool system30-31 down 60min75-76 down 60min95-96 dow

30、n 25min 下面几张图为在工厂实际生产中不同机床不同季节获取的工件外径尺寸数据补偿效果分析图。具有补偿功能的100多台车削中心在一年四季各种环境温度的使用中所加工出来工件的尺寸精度完全符合图纸设计要求，大大地减少了废品，生产成本下降了。另外，在机床上应用补偿技术后，由于去除了预热过程，不但节省了电力而且使得机床利用率提高了从而提高了生产率。厂家生产实际补偿结果厂家生产实际补偿结果第第22页页/共共33页页23-35-30-25-20-15-10-505101520253035110192837465564738291100109118127136145154163172181190Time

31、(*2min) or Part No.Error(micron)with Comp.Comp.Valuno Comp.USLLSL19-20 down 20min 122-123 down 70min61-62 down 70min 146-147 down 5min99-100 down 20min 175-176 down 10minMachine No. 85649Cutting in the Pump Cool System厂家生产实际补偿结果厂家生产实际补偿结果第第23页页/共共33页页24-35-30-25-20-15-10-5051015202530351265176101126

32、151176201226251276301326351376401426451476501526551Part No. or TimeError(micron)First DayUSLLSLSecond DayThird Daywith Comp.no Comp.Cutting in the Pump Cool System Machine No.856713 day 12 hour day runs no size adjustments no warm-ups厂家生产实际补偿结果厂家生产实际补偿结果第第24页页/共共33页页25 下表为由工厂自己计算的应用补偿技术后所获的效益表。应用成本每台为$2,590，其中包括温度传