龙门数控机床主轴热误差及其改善措施.pdf

第 4 8 卷第 2 l 期 2 0 1 2 年1 1 月 机械工程学报 J OURNAL 0F M ECHANI CAL ENGI NEERI NG Vb1 ． 48 NO V ． N o． 21 2 0 l 2 Do I 1 0 ． 39 01 ／ JM ． 2 01 2． 21 ． 1 4 9 龙门数控机床主轴热误差及其改善措施木 仇健刘春时刘启伟 林剑峰 沈 阳机床 集团 有限责任公司高档数控机床国家重点实验室沈阳 1 1 0 1 4 2 摘要依据 I S O和 AS ME标准建立龙门数控 N u me r i c a l c o n t r o l ，NC 机床热误差测试条件，通过主轴恒转速和变转速热误差 试验分析主轴箱温度场分布及其对主轴热误差的影响趋势。建立龙门机床误差元素模型，分析影响机床各坐标轴加工精度的 主轴热误差分量。研究发现，主轴热误差和主轴箱温度存在单调对应关系，温度对主轴轴向的热伸长误差的影响要远大于主 轴径向的热漂移误差，但温度变化相对各坐标变形存在热延迟和热惯性等特性。对主轴径向精度影响最大的热误差分量是由 机床生热产生的同方向的偏移误差和与之垂直的偏转误差；对轴向精度影响最大的则是轴向的偏移误差。针对热误差特点和 分布规律，提出结构优化、热平衡、误差补偿建模等 3种减小热误差的措施，并对其各自优点进行了分析。 关键词主轴热误差温度场热平衡误差补偿建模 中图分类号 T G5 3 1 T H1 6 1 The r m a l Er r o r s o f Pl a n e r T y p e NC M a c h i n e T o o l s a n d I t s I mpr o v e m e n t M e a s u r e s QI U J i a n L I U C h u n s h i L I U Q i we i L I N J i a n f e n g S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f Hi g h G r a d e NC Ma c h i n e T o o l s ， S h e n y a n g Ma c h i n e T o o l Gr o u p C o ． ， L t d ． ， S h e n y a n g 1 1 0 1 4 2 A b s t r a c t A c c o r d i n g t o I S Oa n d AS ME s t a n d a r d ， a t h e r ma l e rr o rst e s t i n g s y s t e mf o r p l ane r t y p e n um e r i c a l c o n t r o l NC ma c h i n e t o o l i s b u i l t u p ． T h e d i s t r i b u t i o n o f s p i n d l e b o x the r ma l fi e l d a n d i t s i n flu e n c e o n s p ind l e the r ma l e rro rs a r e a n a l y z e d t h r o u g h c o n s t a n t a n d v a r y r o t a ti o n s p e e d t e s t ing ． A t h e r ma l e r r o r e l e me n t s mo d e l i s b uil t ， and the i n flu e n c e o f ma i n s p ind l e the rm a l e rro rs o n ma c h i n i n g a c c u r a c y i s a n a l y z e d ． I t i sfou n dtha t the r ei s fia t c o r r e s p o n d i n g r e l a t i o nb e t we e n s p i n d l ethe r ma l e rro rs a n dt e mp e r a t u r e ， andthei n fl u enc e o fs p i n d l e the r ma l e x p a n s i o ni n a x i al d i r e c t i o ni s f a rg r e a t e rthan d e f o rm a ti o nin r a d i a l d i r e c ti o n ． Bu t c o mp a r et o s p i n d l e d e f o rm a t i o n ， thev a r i a t i o n o ft e mp e r a t u r e t a k e o n the c h a r a c t e ris ti c s o fthe rm al d e l a y an d the r ma l i n e r t i a ． T h e ma x i mu m i n fl u e n c e o n r a d i a l e r r o r s o f s p ind l e i s the r ma l d r i f t e r r o r i nthe s a r f l e r a d i a l d e c fi o n a n dthe rm a l t i l t i ni t s v e r t i c a l r a d i al d i mc t i o n ． An dthemaxi mu m i n fl u e n c e o n a x i a l e r r o rs o f s p i n d l ei s the rm a l d r i ft e r r o rin theax i al d i r e c ti o nan dthe r ma l t i l t i nthemo v i n gd i r e c ti o no f wo r k t a b l e ． Ac c o r d i n gt othe c h a r a c t e ris t i c s o f the r ma l e rro m and i t s dis t r i b u ti o n t e n d e n c y ,t h r e e t y p e s o f me a s ure s are p r o p o s e d t o r e d u c e the rm a l e rro rs，inc l u d i n g s t r u c t u r e o p t i mi z a tio n ， the rm a l b a l an c ingan de rro m c o mp en s a ti o nmo d e l ing ． T h e ir a d v an t a g e s are a n a l y z e d ． Ke y wo r d s S p i n d l e the rm a l e rro rs T h e rm a l fi e l d Th e r m a l b a l an c i n g E rro r s c o mp e n s ati o n mo d e l i n g 0 前言 数控机床的热特性对加工精度有重要影响，几 乎 占到加工精度 的半数 以上。机床 的主轴 、导轨、 丝杠 、刀具等部件都会在运动中因负载和摩擦作用 国家科技重大专项 2 0 1 0 Z X0 4 0 1 6 0 1 1 ，2 0 1 0 Z X 0 4 0 1 5 0 1 1 和国家重点 基础研究发展计划 9 7 3计划，2 0 1 0 C B 7 3 6 0 0 3 资助项目。2 0 1 1 1 2 1 4收 到初稿，2 0 1 2 0 7 3 0收到修改稿 而升温变形 ，但热变形误差链中最终影响加工精度 的却是主轴相对工作台的位移。因此，检测主轴相 对工作台的空问位置和主轴运行时的温升，建立热 误差和温升间的映射关系，并采取措施修正刀具与 工件间的相对距离，是解 决数控机床热态精度，提 高数控机床性能和加工精度的有效方法 。 数控机 床热误差一 直是数控机床行 业面 临的 主要难题之一， 综合了机床结构设计、有限元分析、 数控系统、误差建模、机床性能测试等 内容 。近年 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 5 0 机械工程学报 第4 8卷第 2 1期 来 国 内外 学者开展大量研 究并取得 了众多成果 。 Y ANG 等⋯应用球杆仪进行机床热态精度检测并建 立 了误差补偿模型。C R E I G HT O N 等【 2 J 通过比较微 加工中热误差和零件装配的尺寸误差，指出主轴热 误差是所有误差中的最主要 因素。wU 等L 3 】 采用有 限元法研究了加工中心的热误差产生机理 ，获得热 特性规律 。上海交通大学开展的研究对我 国同领域 贡献 巨大 Y ANG 等【 4 】 针对数控车削中心发现主轴 径向热误差最大，建立 的温度补偿模型可大幅改善 机床加工精度 。Z HA NG 等【 5 J 利用径向基函数人工 神经网络预测空间体积误差。任永强等L 6 J 建立五轴 机床综合误差数学模型，并对各运动副的位置和方 向误差进行解耦 。沈金华等【 7 ] 利用聚类分析方法对 温度变量进行筛选后获得最优模型，解决了温度测 点相关性对模型精度的影响。 此外，华中科技大学、 西安交通大学、 天津大学等高校也作 了相关的研究 。 近年 来 ，沈 阳机床 集 团 有 限责任 公司利 用 “ 高档数控机床科技重大专项” 等项 目支持，与国内 高校开展 了卓有成效的合作。这里针对某龙 门数控 机床检验 中遇到的实际问题开展热特性研究，对测 试结果加以分析，提出几种改进方法，并对各 自特 点进行分析，找出适合企业现状的机床热误差解决 措施。 I 龙 门三坐标机床误差链模型 龙 门三坐标 机床误差链建模 除考虑三个直 线 轴的定位 、直线度 、垂直度误差，以及偏转、俯仰 和滚动误差外，更关注主轴 因生热引起的热漂移误 差和热倾斜误差。机床坐标系 O XY Z如图 I 所示， 其中，D1 、D 2 ， 、D 2 、0 3 、 、 s 分别为床身、工 件、刀具、滑板、滑枕、主轴所在坐标系，各部件 对应 的误差元素见表 1 [ 剐 ， 其中 ， f ， Y ， z为误差方 向，产 Z为机床进给方 向 表示机床沿进给轴 ， 运动而在误差方 向 i 产生的偏转误差， ， 表示机床 沿进给方 向．， 运动产生的 i 方 向偏移误差。 、 、 岛 分别表示 X和 Y 、 Y和 Z 、 Z和 的垂直度误差 。 图 1 机床坐标 系 和 分别为主轴在 和 Y方向上的热倾斜误差。 d x 、 a y 、 分别为主轴在 、 Y和 Z方向上 的热漂移误差。 由工件 、刀具等形成机床传动 如图 2所示。 表 1 各坐标误差元素 图 2 机床误差传动链 以直角螺旋 端铣 刀为例 ，建立机床误差链模 型。为减小计算量 ，做两点简化【 8 】 ① 工作台起始 坐标原点与主轴坐标原点在水平面上 的投影重合； ② 切削时，刀具和工件间相互接触，即 W ， 其中 在工件绝对坐标系 ， 在刀具绝对坐标系。 该机床误差传动关系如式 1 所示 2，G W 3 4 △ 十 1 式中 ， ， 工作台到床身的变换矩阵 Dl D2 ． G工件一 刀具方 向变换矩阵 D2 一 2 G 一 l O 0 0 O 1 0 0 O 0 l 0 0 0 0 1 滑板相对床身的变换矩阵 D 1 D3 滑枕相对滑板的变换矩阵 0 3 一D 4 主轴相对滑枕的变换矩阵 D 4 一 S △ 机床综合误差 A T △ △ △ 0 △ 各轴 向综合误差分量 f ， Y ， z 刀尖在主轴坐标系中的坐标矢量 0 0 一 L 1 刀具长度 ， T 工件在工作台坐标系中的坐标矢量 X z m L 1 工作台沿 导轨移动距离 Y 滑板沿 y导轨移动距离 Z m滑枕沿 z导轨移动距离 在各轴 向偏转误差和偏移误差作用下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年 1 1 月 仇健等龙门数控机床主轴热误差及其改善措施 1 5 5 △ 死第 测点的温升 △Tk Z 第。阶 测点的实际温度 起始温度 n 与误差补偿模型有关的测点数 l 8 针对前述 恒速试验 中获得 的试验 数据建立误 差补偿模型如式 8 所示 D x 8 4 ． 2 2 1 ． 4 A T 4 0 ． 1 a t 6 1 3 ． 7 △ 0 1 8 ． 3 A T 1 1 6 ． 8 A r a 6 1 0 6 8 ． 5 - 5 A T 5 1 3 一 A t 6 9 5 △ 。 8 1 2 ． 6 △ 1 7 ． 4 A T 7 1 0 ’ 3 8 7 ． 9 1 5 ． 1 a T 3 7 ． 4 A T 4 3 ． 9 a T 9 1 6 ． 3 A T , l 一7 ． 8 a t , 5 4 △ 8 1 0 图 1 2为 、 、Z 轴仿真结果与试验对 比。Y 、z 两轴模型与试验十分接近 ，说明所选测点是影响热 误差的明显因素。 耋 O 0 2 ． 。 一 0 0 2 账 羹_ o _0 4 E { 悠 隧 霰 暴 O 5 0 1 O 0 l 5 O 2 0 0 2 5 0 时间 mi n a x轴 E O { _0 一 。 案 一 0 时间 f ／ m1 兀 c z 轴 图 1 2 、 、Z轴 向热漂移误差 补偿 同样方法建立热倾斜量误差补偿模型见式 9 ， 对应补偿仿真结果见图 1 3 。 一2 2 ． 8 0 ． 2 △ 6 4 ． 2 A T 1 1 2 ． 9 A T 6 0 ． 2 A t , 5 0 ． 3 A T 9 1 0 1 9 ． 5 5 ． 1 △ 一 4 ． 2 A T v 6 a T 8 0 ． 7 a T 9 6 ． 4 A T 7 1 ． 9 A T 1 1 1 0 9 旦 j j{ 1j 臻 坚 一 拜 l。 j j{1 j 臻 o 5 0 1 o o l 5 0 20 0 2 5 0 时间 ∥ mj n a x轴 轴向 Dd mm Dl ／ m m Dd m m o x ／ 。 。 -43 ． 8 1 1 ． 2 3 1 o o ． 9 3 ． 4 9 ． 9 8 ．o 2 ． 5 O o ． 1 1 -2 1 ． o l 8 ． 3 2 2 ．3 0 o ． 1 3 5 ． 3 l O ． 2 补偿前／ x l 0 - 补偿 后／ x l O - 比值 v ％ 尽管误差补偿 是一种切 实有 效的改善热误 差 的方法，但对于 同样是 由热弯曲造成 的主轴定位漂 移 和 D ，采用对称 结构的 Y轴明显优于结构不 对称的 轴，说 明改善精度的根源还在于机床结构 布局是否合理。由于热倾斜与热弯曲关联，补偿效 果除与模型输入测点的选取有关 ，还与对应的弯 曲 方向有关。另外 ，由表 4补偿模型的显著性及残差 也可说明 的补偿精度最差 ， 的补偿精度最佳 。 其中 是相关系数，J R 越接近 1 ，精度越高；统计量 值 F越大越佳；F对应的概率值 P应尽可能趋向 0 。 表 4 各轴补偿模型显著性分析 ∞ ∞ m 轴 。 ．蓦 ∞ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 5 6 机械工程学报 第 4 8卷第 2 1期 热误差试验 J D “ 与仿真 D 相关性见 图 1 4 ，除Y 向热倾斜仿真精度较差， 其他相关度很高并呈线性。 - 】 一 o 一0 Q 一 0 瞧 j{ }l8 一0 _ o0 4 一OO 2 O 误差测量 h n m a 轴热漂移误差 l 2 0 0 8 0 0 4 O 误差测量 D ．- ／ mm C z 轴热漂移误差 撼 瞧 账 旦 蜮 氇 j i{l j b y轴热漂移误差 误差测量 ／ Xl ff 。 d X轴热倾斜误差 误差测量 ， 。 e 轴热倾斜误差 图 l 4 热误差试验． 仿真相关性分析 综上 ，结构优化可从本质上 改善机床热态精 度 ，热平衡不修改机床结构仅通过外加热源 即可平 衡热变形，误差补偿建模仅需要模型计算修改刀具 坐标位置来保证加工精度 。 5 结论 1 龙 门数控机床的主轴热误差与主轴箱温度 场分布有直接关系，并且主轴变形存在热延迟和热 惯性等特性。机械式主轴的电动机、减速器、中间 轴和主轴的前后轴承是主要热源 。变转速热误差试 验 中主轴箱下方 X向变形和 z向伸长最大 。 2 由误差元素模型发现主轴热误差分量对加 工精度 的影响表现为主轴径向精度受与之同方向的 热偏移误差和与之垂直的偏转误差影响最大，轴 向 精度受轴 向偏移误差影响最大。 3 提 出 3种减小热误差的有效措施 结构优 化和试验结合的热源分布控制法；利用有限元热分 析技术的热平衡法； 基于热误差． 温升映射关系的误 差建模补偿法 。 4 建立主轴热误差与温度测点间的补偿模 型，模型预测与实测热误差基本呈线性相关。模型 预测精度与测点选取有关 ，与热误差方 向和大小无 关 。应用残差和显著性评价方法都可对热误差补偿 模型的预测精度进行评价 ，且评价结果一致 。 参考文献 [ 1 ] Y A NG S ， KI M K． Me a s u r e me n t o f s p i n d l e t h e r ma l e r r o r s i n ma c h i n e t o o l u s i n g h e mi s p h e r i c a l b a l l b a r t e s t [ J ] ． I n t ． J ． Ma c h ． T o o l Ma n u ． ，2 0 0 4 ，4 4 2 - 3 1 3 3 3 - 3 4 0 ． [ 2 】 C R E I G HT O N E ， H O NE G GE R A， T U L S I AN A． A n a l y s i s o f t h e r ma l e rr o r s i n a h i g h s p e e d m i c r o - mi l l i n g s p i n d l e [ J ] ． I n t ． J ． Ma c h ． Too l Ma n u ． ，2 0 1 0 ，5 0 4 3 8 6 3 9 3 ． [ 3 】 WU C，K U NG Y T h e rm a l a n a l y s i s o f t h e f e e d d r i v e s y s t e m o f a C NC ma c h i n e c e n t e r [ J ] ． I n t ． J ． Ma c h ． T o o l Ma n u ． ，2 0 0 3 ，4 3 1 5 1 5 2 1 - 1 5 2 8 ． 【 4 ] Y AN G J i ang u o，R E N Y o n g q i a n g ．T e s t i n g， v a ri a b l e s e l e c t i n g a n d mo d e l i n g o f t h e rm a l e rro r s o n a n I NDE X G 2 0 0 t u rni n g c e n t e r [ J ] ．I n t ．J ．Ad v ．Ma n u f ． T e c h ． ，2 0 0 5 ，2 6 7 - 8 1 8 1 4 - 8 1 8 ． [ 5 】 Z H AN G H o n g t a o， Y A NG J i a n g u o， Z H AN G Yi ． M e a s ur e me n t an d c o mp e n s a t i o n f o r v o l u me t r i c p o s i t i o n i n g e rro r s o f C NC ma c h i n e t o o l s c o n s i d e r i n g t h e rm a l e ff e c t [ J ] ．I n t ．J ．A d v ．Ma n u f ． T e c h ． ，2 0 1 0 ， 5 5 1 4 、 2 7 5 - 2 8 3 ． [ 6 】任永强，杨建国．五轴数控机床综合误差补偿解耦研 究[ J ] ． 机械工程学报，2 0 0 4 ，4 0 2 5 5 ． 5 9 ． RE N Yo n g q i an g ， YANG J i a n g u o ． S t u d y o n d e c o u p l i n g o f s y n the s i s e rro r c o mp e n s a t i o n for a 5 - a x i s CNC ma c h i n e t o o l [ J ] ．C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h ani c a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 4 ，4 0 2 5 5 5 9 ． [ 7 】沈金华，赵海涛，张宏韬．数控机床热误差补偿中温 度变量的选择与建模[ J ] ．上海交通大学学报，2 0 0 6 ， 4 0 2 1 8 1 - 1 8 4 ． S HE N J i n h u a ， ZHAO Ha i t a o，ZHANG Ho n g t a o ．Th e s e l e c t i o n a n d mo d e l i n g o f t e mp e r a tur e v ar i a b l e s f o r t h e t h e r ma l e r r o r c o mp e n s a t i o n o n ma c h i n e t o o l s [ J ] ． J o u r n a l o f S h a n g h a i J i a o t o n gU n i v e r s i t y ， 2 0 0 6 ，4 0 2 1 8 1 1 8 4 ． [ 8 ]杨建国．数控机床误差综合补偿技术及应用【 D】 ．上 海上海交通大学，1 9 9 8 ． YANG J i a n g u o ． E rro r s y n t h e t i c c o mp e n s a t i o n t e c h n i q u e and a p p l i c a t i o n for NC ma c h i n e t o o l s [ D] ．S h ang h a i S h ang h a i J i a o ton g Un i v e r s i t y， 1 9 9 8 ． 【 9 】 S T A NI S L A V S M ， WE E R AC H AI A． A d v a n c e d n u me ric a l me tho d s t o o p t i mi z e c u t t i n g o p e r ati o n s o f fi v e a x i s mi l l i n g ma c h i n in g [ M] ． N e w Y o r k S p r i n g e r - Ve r l a g Be r l i n He i d e l b e r g，2 0 0 7 ． [ 1 0 ] T h e I n t e r n a t i o n a l O r g ani z at i o n for S t a n d ard i z a t i o n ． I S O 2 3 0 ． 3 ． 2 0 0 6 t e s t c o d e f o r ma c h i n e t o o l s ． P a r t 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年 1 1 月 仇健等龙门数控机床主轴热误差及其改善措施 1 5 7 D e t e r mi n a t i o n o f t h e r ma l e ff e c t s [ S ] ． G e n e v a I n t e r n a t i o n a l S t a n d a r d Or g a n i z a t i o n ， 2 0 0 6 ． Ame r i c a n Ni o n a l S t a n d a r d s Co mmi t t e e ． AS M E B 5 ． 5 4 2 0 0 5 me t h o d s f o r p e r for ma n c e e v a l u a t i o n o f c o mp u t e r n u me ri c a l l y c o n t r o l l e d ma c h i n i n g c e nte r s [ S ] ． Ne w Yo r k Th e Ame ric a n S o c i e t y o f Me c h an i c a l E n g i n e e r s ， 2 0 0 5 ． R0M AN S， W 0J CI ECH P ．Co mp u t e r s i mu l a t i o n a n d e x p e r i me n t a l i n v e s ti g a ti o n s c o n c e rn i n gt h e r ma l d e f o r ma ti o n s i n N C ma c h i n e t o o l b o d i e s a n d t h e i r c o mp e n s a t i o n ． [ E B ／ O L ] ． 【 2 0 0 4 - 0 2 一 l l 】 ． h t t p ／ ／ w ww ．z m t ． mt ．p u t ．p o z n an． p l ／ o l d ／ s ta伍 W P tas z y n s k N a u k a ／ M a tar 2 0 0 4 2 e n ． p d f ． 曹永洁，傅建中．数控机床主轴热误差测温优化布点 方案的研究[ J ] ． 组合机床与自动化加工技术， 2 0 0 7 1 61 ． 64． C AO Y o n g j i e ，F U J i a n z h o n g ． S t u d y o n o p t i ma l l a y o u t o f t e mp e r a t u r e me a s u r e me n t f o r t h e r ma l e r r o r s o f s p i n d l e i n ma c h i n e t o o l s [ J ] ． Mo d u l a r Ma c h i n e T o o l A u t o ma t i c Ma n u f a c tur i n g T e c h n i q u e ，2 0 0 7 1 6 1 6 4 ． 作者简介仇健 通信作者 ，男，1 9 8 1年出生，博士 ，工程师。主要研 究方向为数控机床性能测试及优化、金属切削技术。 E ma i l q i u j i a n 1 9 8 l 1 2 6 ． c o rn 刘春时，男，1 9 6 6年出生，博士 ，高级工程师。主要研究方向为高档数 控机床设计制造技术，机床共性技术。 E - ma i l c h u n s h i ．_ l i u s mt c l t o m U n n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m