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對精密銑刀研磨機(jī)主軸熱位移及其補(bǔ)償?shù)恼{(diào)查
摘要：刀具研磨機(jī)的軸向性能對刀具的精度有直接影響。因此，消除誤差有利于提高研磨機(jī)的精度。軸向誤差主要來源之一是主軸熱位移。因?yàn)橥ㄓ勉姷堆心C(jī)相對旋轉(zhuǎn)頻率較低(< 8000 rpm)，工作范圍小和慢熱梯度的原因，他們一般不配備冷卻系統(tǒng)。在沒有冷卻的前提條件下，在機(jī)床開始運(yùn)行的前幾個(gè)小時(shí)或者重新啟動機(jī)床時(shí)，會出現(xiàn)明顯的熱誤差，這會造成材料的浪費(fèi)和工作效率的降低。
在本次調(diào)查中,為使熱位移最小化，建立了一個(gè)高效的測量系統(tǒng)和補(bǔ)償機(jī)制。大約可以減少80%的熱位移，使熱位移誤差少于5μm。采用此方案可以使刀具磨床的精度得到改善。
關(guān)鍵字：銑刀研磨機(jī)、主軸熱位移、激光位移傳感器、補(bǔ)償機(jī)制
1、 引言
精密銑刀研磨機(jī)(如圖1所示)可以廣泛應(yīng)用在傳統(tǒng)的機(jī)械工業(yè)和高科技行業(yè)。所謂的母性遺傳效應(yīng)的產(chǎn)品就意味著產(chǎn)品的精度主要取決于機(jī)床,其誤差可以分為:幾何誤差、溫升誤差和動態(tài)誤差等。根據(jù)相關(guān)研究,機(jī)床40%-70%的誤差源于熱位移[1,2],其熱量主要來源于軸與傳動皮帶間的摩擦以及軸和軸承之間的摩擦。
到目前為止,一些公司已經(jīng)開發(fā)了位于主軸里面的傳感器，用于補(bǔ)償熱位移誤差[3]。然而對于中小型制造商而言，配備這樣主軸的機(jī)床會使工作成本增加，雖然這會對主軸的多樣性和采用方案以及使用機(jī)床的推廣性能有所限制。
在這項(xiàng)研究中,我們集成了光學(xué)位移傳感器系統(tǒng)、溫度傳感器系統(tǒng)、信號采集與分析系統(tǒng)來構(gòu)造一個(gè)具有獨(dú)立的模塊測量系統(tǒng)的主軸,通過它可以很容易找到刀具磨床主軸溫度和熱位移之間的相關(guān)性。這樣可以用來測試主軸的性能質(zhì)量,也提供了在實(shí)際加工過程中熱位移補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)。
2、 測量系統(tǒng)的構(gòu)成
如圖2和圖3所示，溫度傳感器和位移傳感器安裝在測量系統(tǒng)內(nèi)。從主軸測試系統(tǒng)可獲得溫度和位移信號。在信號轉(zhuǎn)換和采集完成后, 測量程序會對這些信號進(jìn)行記錄和分析,同時(shí)建立起溫度漂移和熱位移之間的關(guān)系（如圖4所示）。
圖1 五軸刀具磨床
圖2 主軸的模塊測量系統(tǒng)
圖3 傳感器的安裝
圖4 信號處理
2.1 溫度測量系統(tǒng)
溫度傳感器固定在裝有主軸的實(shí)驗(yàn)機(jī)上。為了獲得主軸相對近似的內(nèi)部溫度并減少外部環(huán)境對其的影響,把溫度傳感器安裝在主軸托架的內(nèi)壁上以便與主軸近表面接觸。采用鉑熱電阻溫度傳感器[4]來測量主軸不同的位置的溫度。
一般適當(dāng)?shù)貙?dāng)前的鉑熱電阻限制在0.5 mA-2mA的范圍內(nèi)。它的分辨率可以設(shè)定在0.1℃。如圖5所示，測量后所有溫度傳感器的溫度漂移都是相似的。
因?yàn)闇囟茸兓?，所以只有測量分析了溫度最高的位置，才能簡化測量過程并獲得較高的分辨率。
圖5 不同位置的溫度變化
2.2 位移測量系統(tǒng)
對于旋轉(zhuǎn)主軸的熱位移測量，亞微米范圍的高分辨率的非接觸測量方法是必需的。因此，傳統(tǒng)的機(jī)械測量裝置并不適合它。
這項(xiàng)研究曾采用分辨率為0.2μm的激光位移測量裝置[5]。當(dāng)在一般工作條件下進(jìn)行穩(wěn)定性測試時(shí)，位移信號的漂移小于±2μm，滿足熱位移測量的要求。
3、 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果
機(jī)床的結(jié)構(gòu)和周邊條件都可以成為影響加工精度的因素。顯然，機(jī)床的系統(tǒng)誤差不能維持在一個(gè)固定的水平,它可以隨著時(shí)間的流逝而發(fā)生變化。除此之外，由于機(jī)床的操作，創(chuàng)建的熱變形會導(dǎo)致熱位移，這個(gè)過程是非常復(fù)雜的[6]。
盡管作為微分方程的理論模擬和有限元方法可以提供大量分析熱位移的信息，但是分析這種發(fā)展過程的最有效的方法是通過實(shí)驗(yàn)直接測量熱位移。因此，該研究基于主軸的溫度和熱位移測量，在實(shí)際加工的過程中測量溫度時(shí)，他們的相關(guān)性可以通過這些數(shù)據(jù)制定，然后再將其應(yīng)用于熱位移補(bǔ)償。
對普通加工廠而言，將機(jī)床的起始溫度控制在常溫內(nèi)是不可能的。此外，機(jī)床操作的起始溫度一年四季不同。為了檢測不同的起始溫度的影響，測量了刀具磨床主軸上不同的起始溫度。舉例而言，如圖6所示，這個(gè)測試表明當(dāng)起始溫度分別為19℃和27℃時(shí)，熱位移曲線速度是沒有差異的。因此，主軸的熱位移僅依賴于溫度變化，操作的起始溫度對其并沒有影響。
由于在實(shí)際應(yīng)用中主軸的轉(zhuǎn)速不同，所以有必要研究主軸轉(zhuǎn)速的快慢是否會影響熱位移量。如圖7所示，根據(jù)測量的3000 rpm和 6000 rpm的位移差別，快或慢的轉(zhuǎn)速只會導(dǎo)致溫度變化的差異，并有一個(gè)非常高的可重復(fù)性，但對熱位移量沒有影響。因此，這一特性對熱位移補(bǔ)償大有益處。在3000 rpm時(shí)，修正方程為L3000 = 3.44 T+ 5.68，在6000 rpm時(shí)，修正方程為L6000 = 3.95T + 3.95。(其中L是位移，T是溫度變化)
以上實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)所有變化都在增加時(shí)，主軸的溫度和熱位移的變化可以用于建立一個(gè)相關(guān)性。為了驗(yàn)證這種相關(guān)性同樣適合溫度的下降，進(jìn)行了溫度上升和下降的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，溫度升高的熱位移的曲線與溫度下降熱位移的曲線相適應(yīng)。因此，主軸的物理性質(zhì)不會因?yàn)闇囟鹊纳仙蛳陆蛋l(fā)生改變。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的熱位移曲線，主軸的熱位移補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果如圖8所示。根據(jù)之前的實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)主軸以每分鐘6000轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)操作時(shí)，熱位移在2 小時(shí)后達(dá)到34μm。每2℃的間隔補(bǔ)償可以使熱位移減少約±4μm，相對減少約80%。通過補(bǔ)償，刀具磨床的精度明顯提高。
圖6 不同起始溫度
圖7 不同旋轉(zhuǎn)速度下的熱位移
圖8 補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果
4、 結(jié)論
通過應(yīng)用溫度和位移傳感器，熱位移和溫度之間的相關(guān)方程已經(jīng)制定。有了這個(gè)方程，主軸在生產(chǎn)過程中的熱位移就可以得到補(bǔ)償。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，有效補(bǔ)償可以使理論預(yù)估補(bǔ)償成為可能。通過上述每個(gè)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)償過程，熱位移在短時(shí)間內(nèi)可減少為±4μm，減速比約為80%。這顯然證明了加工誤差可以減小到測微計(jì)的范圍內(nèi)，真正地提高精度和工作效率。
感謝
感謝Top Work提供相關(guān)設(shè)備和寶貴的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的支持。
參考文獻(xiàn)
[1] M. Rahman et al. 機(jī)床誤差補(bǔ)償--回顧部分2：熱誤差.國際機(jī)床制造期刊
40 (2000) 1257–1284.
[2] H.J. Pahk et al.數(shù)控機(jī)床五自由度旋轉(zhuǎn)主軸的熱誤差測量及補(bǔ)償技術(shù).機(jī)械工程科學(xué)雜志第四期215卷.2001：469–485(2001年4月24日).
[3] Tekehiko Kodera, Kazuhiro Yohoyama, Kazuo Miyaguchi, Yutaka
Nagai, Takamasa Suzuki, Masami Masuda, Takanori Yazawa.基于滾珠絲杠溫度分布的滾珠絲杠熱伸長的實(shí)時(shí)估計(jì).國際JSME雜志C系列 47 (4) (2004).
[4] http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/157816/RHOPOINT/
PT100.html.
[5] MICRO-EPSILON: 機(jī)床主軸增長系統(tǒng).
.
[6] S.R. Postlethwaite, D.G. Ford, D. Morton.數(shù)控機(jī)床的動態(tài)準(zhǔn). 國際機(jī)床制造期刊37 (3) (1997) 287–294.