五軸加工中心誤差敏感方向熱誤差試驗分析*

□ 朱煒煒 □ 葛廣言 □ 馮曉冰 □ 李全林 □ 杜正春, □ 楊建國,

1.寧波科威聯創數控技術有限公司 浙江寧波 315400 2.上海交通大學 機械與動力工程學院 上海 200240

1 試驗背景

數控機床在切削加工時,存在機床熱變形,使刀具和被切削工件之間的相對位置發生變化,由此產生加工誤差。機床熱變形誤差是影響機床加工精度的主要因素之一[1-2]。大量研究表明,熱誤差是機床的最大誤差源,數量占機床總誤差的40%～70%[3-4]。減小熱誤差主要有兩大類方法——改善機床設計和誤差補償[5-6],最經濟有效的方法是對機床熱誤差進行實時補償[7]。近年來,隨著傳感器技術和計算機技術的發展,基于軟件的實時誤差補償在有效提高機床精度方面受到廣泛重視,并逐步得到推廣應用[8-10]。

筆者對國產五軸車銑復合加工中心車削加工中的工件徑向,即誤差敏感方向的熱誤差進行試驗分析,通過誤差因素分離的方法,對各誤差因素進行單因素試驗,并在實際切削工件中實施熱誤差實時補償,補償后工件的直徑尺寸誤差穩定在7 μm內。

2 誤差敏感方向熱誤差問題

國產高端五軸車銑復合加工中心融合多項專利技術,代表了國產五軸加工中心較高的制造水平。然而,這一五軸加工中心在生產現場進行車削測試時卻出現了徑向尺寸誤差過大的問題,加工后工件徑向尺寸逐步增大,并存在波動,直至最終增大50 μm左右。車削測試在4月進行,氣溫為15 ℃左右。工件為圓柱體,每件切削3 min,主軸以800 r/min的速度連續運轉,切削完成后立即測量徑向尺寸。在初始階段,工件徑向尺寸變化顯著,前十幾件工件徑向尺寸增大20 μm左右。隨后工件徑向尺寸增大的趨勢變緩,2 h后逐步趨于穩定。停機時所有電機斷電,水冷系統繼續工作,1 h后開機重新開始加工,第一件工件的徑向尺寸回跳,與停機前最后一件工件的徑向尺寸相比偏小。隨著切削的進行,工件徑向尺寸再次逐步增大,然后趨于穩定。在切削、停機、繼續切削的循環中,五軸加工中心溫度變化,導致工件徑向尺寸一直在變化或波動,徑向即為誤差敏感方向。

3 熱誤差因素分離

五軸車銑復合加工中心有三個正交直線軸,分別為直線軸X軸、直線軸Y軸、直線軸Z軸,有兩個旋轉軸,分別為車削軸C軸、銑刀軸B軸。直線軸X軸即徑向,也即誤差敏感方向。車削軸C軸包含兩個電主軸,銑刀軸B軸包含一個電主軸,五軸加工中心整體發熱較為嚴重。五軸加工中心配置獨立的水冷系統,正常工作時,水冷系統驅動循環水流在各電主軸的冷卻裝置中往復流轉,當循環水溫達到設定的制冷溫度閾值時,壓縮機開始制冷,迅速降低水溫,再通過熱交換作用冷卻各電主軸。各伺服電機軸由于電機自身發熱及運動摩擦生熱,也會引起床身及導軌、光柵尺溫升,從而產生熱變形誤差。廠房內沒有空調,五軸加工中心各結構件還會受到室溫變化的影響,產生熱變形。總體而言,這一五軸加工中心結構復雜,影響熱變形的因素很多,需要對影響誤差敏感方向熱誤差的各個因素進行有效分離,找出對熱誤差影響的主要因素。

通過對五軸加工中心結構及各熱源、冷卻源的分析,總結出可能影響工件徑向尺寸,即誤差敏感方向熱誤差的因素,具體包括:

(1) 水冷系統對電主軸熱誤差的影響;

(2) 直線軸X軸龍門架由于直線軸X軸、直線軸Y軸、銑刀軸B軸電機發熱而引起的熱變形;

(3) 電主軸電機通電后發熱產生的熱誤差;

(4) 直線軸X軸光柵尺由于直線軸X軸、直線軸Y軸、銑刀軸B軸電機發熱而引起的熱誤差;

(5) 直線軸X軸光柵尺由于運動溫升而引起的熱誤差;

(6) 銑刀軸B軸熱誤差;

(7) 液壓油溫升對電主軸熱變形的影響;

(8) 電主軸電機連續旋轉發熱,在水冷系統共同作用下產生的電主軸熱誤差。

工件誤差敏感方向熱誤差是以上八個因素綜合影響的結果,需要采取分離方法,獨立提取各誤差因素,測試其對誤差敏感方向熱誤差的影響程度。

4 熱誤差試驗

通過單因素試驗,分析各因素對誤差敏感方向熱誤差的影響,以便建立熱誤差補償模型。

4.1 水冷系統影響

采用主軸回轉誤差分析儀,檢測棒裝夾在電主軸卡盤上,五個微位移傳感器通過專用夾具安裝在直線軸Y軸的前端,可同時測量位置1和位置2在直線軸X軸、直線軸Y軸方向上的位移,以及檢測棒底端在直線軸Z軸方向上的位移。主軸回轉誤差分析儀安裝如圖1所示。

▲圖1 主軸回轉誤差分析儀安裝

同時通過溫度傳感器測量室溫變化,試驗周期為150 min,其間關閉五軸加工中心電源,開啟水冷系統。水冷系統影響下熱誤差曲線如圖2所示,室溫曲線如圖3所示。由圖2、圖3可以看出,在150 min試驗周期中,電主軸在直線軸X軸方向只偏移不到0.6 μm,室溫變化在0.3 K以內,可見水冷系統單一作用對誤差敏感方向熱誤差的影響很小,可以忽略不計。

▲圖2 水冷系統影響下熱誤差曲線

▲圖3 水冷系統影響下室溫曲線

4.2 直線軸X軸龍門架影響

采用主軸回轉誤差分析儀,直線軸X軸伺服電機通電,電主軸電機和水冷系統均斷電,直線軸X軸龍門架影響下熱誤差曲線如圖4所示。

▲圖4 直線軸X軸龍門架影響下熱誤差曲線

由圖4可以看出,在240 min試驗周期中,直線軸X軸龍門架單向有2.5 μm左右熱誤差存在,導致工件徑向尺寸偏差5.0 μm,影響較小,可以忽略不計。圖4中位置1和位置2熱誤差數據接近,說明直線軸X軸龍門架沒有扭轉熱變形。熱誤差約在120 min時達到最大,之后由于達到熱平衡狀態而趨于穩定。在進行其它熱誤差因素試驗時,應首先使直線軸X軸龍門架達到熱平衡狀態。

在直線軸X軸龍門架沿光柵尺布置三個溫度傳感器,檢測溫度變化,如圖5所示。溫度檢測結果如圖6所示。由圖6可以看出,三個溫度檢測點的溫度都呈現逐步升高的趨勢,1號溫度檢測點的溫度為25.1 ℃,2號溫度檢測點的溫度為24.7 ℃,3號溫度檢測點的溫度為24.3 ℃,三個溫度檢測點的溫度呈現出梯度變化,這與電機的熱傳導規律相符。

▲圖5 直線軸X軸龍門架溫度檢測點▲圖6 直線軸X軸龍門架溫度檢測結果▲圖7 電主軸電機影響下熱誤差曲線

4.3 電主軸電機影響

采用主軸回轉誤差分析儀,在直線軸X軸龍門架達到熱平衡狀態后,電主軸電機通電,水冷系統仍然關閉,電主軸電機影響下熱誤差曲線如圖7所示。

由圖7可以看出,在150 min試驗周期中,電主軸熱誤差小于3μm,且為負值,由此引起工件徑向尺寸偏小近6 μm。考慮到冷卻水的循環還會帶走一部分熱量,電主軸電機仍然不是造成誤差敏感方向熱誤差的主要因素。

4.4 直線軸X軸光柵尺由電機發熱引起熱誤差

采用激光干涉儀測試直線軸X軸光柵尺由于直線軸X軸、直線軸Y軸、銑刀軸B軸電機發熱而引起的熱誤差,關閉水冷系統,各電機發熱4 h,冷態定位誤差曲線如圖8所示,熱態定位誤差曲線如圖9所示,室溫波動在0.5 K以內。

▲圖8 直線軸X軸光柵尺由電機發熱引起的冷態定位誤差曲線▲圖9 直線軸X軸光柵尺由電機發熱引起的熱態定位誤差曲線

各電機經4 h發熱之后,1號溫度檢測點的溫度為25.6 ℃,2號溫度檢測點的溫度為24.5 ℃,3號溫度檢測點的溫度為23.8 ℃,溫度梯度接近2 K。對圖8、圖9數據取平均值,并做差,得到直線軸X軸光柵尺由電機發熱引起的定位誤差曲線對比,如圖10所示。由圖10可以看出,熱態平均定位誤差與冷態平均定位誤差的差值在2 μm以內,說明直線軸X軸光柵尺由電機發熱引起的熱誤差影響很小,可以忽略不計。

▲圖10 直線軸X軸光柵尺由電機發熱引起的定位誤差曲線對比

4.5 直線軸X軸光柵尺由運動溫升引起熱誤差

直線軸X軸以8 m/min速度上下運行,時長1 h,其間每20 min采用激光干涉儀測試來回三次的定位誤差,取平均值,室溫波動在0.5 K以內。經1 h運動溫升后,1號溫度檢測點的溫度為26.4 ℃,2號溫度檢測點的溫度為25.1 ℃,3號溫度檢測點的溫度為23.5 ℃,溫度梯度接近3 K。直線軸X軸光柵尺由運動溫升引起的定位誤差曲線如圖11所示。

▲圖11 直線軸X軸光柵尺由運動溫升引起的定位誤差曲線

由圖11可以看出,直線軸X軸光柵尺由運動溫升引起的定位誤差只變化4 μm,同樣可以忽略不計。

4.6 銑刀軸B軸熱誤差

采用激光干涉儀測試銑刀軸B軸熱誤差,激光干涉儀一端安裝在刀具夾緊機構上,另一端安裝在外殼上作為測試基準,并布置無線溫度傳感器。銑刀軸B軸溫度檢測點如圖12所示。銑刀軸B軸電機以800 r/min的轉速連續旋轉,測試期間室溫為23 ℃,室溫波動在0.3 K以內。測試分兩種工況進行。工況1為將水冷系統的制冷溫度閾值從22 ℃提高到26 ℃,模擬室溫低于制冷溫度閾值。工況2為將制冷溫度閾值從22 ℃降低到17 ℃,模擬室溫高于制冷溫度閾值。

▲圖12 銑刀軸B軸溫度檢測點

工況1銑刀軸B軸升溫過程中的熱誤差曲線如圖13所示。測試時間為60 min,溫度檢測點的溫度從22.8 ℃上升到24.8 ℃。由圖13可以看出,銑刀軸B軸的熱誤差在初始階段迅速增大,方向為導致徑向尺寸減小的方向。在前30 min,熱誤差達到26 μm,隨后熱誤差增大趨勢放緩,1 h左右達到平衡,最大熱誤差為30 μm。

▲圖13 工況1銑刀軸B軸升溫過程中熱誤差曲線

工況2銑刀軸B軸降溫過程中的熱誤差曲線如圖14所示。測試時間為60 min,溫度檢測點的溫度從23.1 ℃下降到20.3 ℃。由圖14可以看出,銑刀軸B軸的熱誤差在初始階段迅速增大,方向為導致徑向尺寸增大的方向。在前30 min,熱誤差達到35 μm,隨后熱誤差增大趨勢放緩,1 h左右達到平衡,最大熱誤差為40 μm。

▲圖14 工況2銑刀軸B軸降溫過程中熱誤差曲線

銑刀軸B軸在兩種工況下都有明顯的熱誤差,是誤差敏感方向熱誤差的主要影響因素之一。

4.7 液壓油溫升對電主軸熱變形影響

車削軸的卡盤采用液壓推桿驅動,液壓油溫升會通過機構的連接部分傳導至電主軸上,從而引起電主軸熱變形。在液壓油缸外布置一個無線溫度傳感器,并在銑刀軸B軸上布置無線溫度傳感器,銑刀軸B軸溫度檢測點同圖12。所有電機通電,關閉水冷系統,在初始狀態下切削第一組三個工件,檢測工件徑向尺寸。液壓油升溫390 min,即溫升約15 K后,切削第二組三個工件,檢測工件徑向尺寸。試驗數據見表1。

表1 液壓油溫升對電主軸熱變形影響試驗數據

由表1可以看出,液壓油溫升近15 K,升溫前后工件徑向尺寸變化明顯,徑向尺寸平均偏差達到60 μm。參照前述試驗,可知電主軸電機發熱對熱誤差影響很小。試驗過程中,水冷系統關閉,銑刀軸B軸的溫升也很小,因而由銑刀軸B軸溫升造成的熱誤差也可忽略不計。直線軸X軸龍門架在第二組三個工件切削時已經達到熱平衡狀態,對熱誤差產生的影響同樣很小。根據以上分析,液壓油溫升對電主軸熱誤差的影響明顯,是誤差敏感方向熱誤差的主要影響因素之一。

4.8 電主軸電機旋轉發熱引起熱誤差

直線軸X軸龍門架達到熱平衡狀態,電主軸電機以1 000 r/min的轉速連續旋轉,水冷系統開啟,電主軸電機和水冷系統影響下熱誤差曲線如圖15所示。試驗周期為180 min,初始室溫為23.2 ℃,室溫波動在0.5以內。由圖15可以看出,電主軸的熱誤差最大為7 μm,會造成工件徑向尺寸超差14 μm。由于初始溫度與水冷系統的制冷溫度閾值接近,因此在電主軸電機旋轉發熱7 min后,水冷系統啟動。前20 min電主軸熱誤差達到5 μm,隨后在水冷系統的作用下,熱誤差增大趨勢減緩,在80 min后趨于穩定。

▲圖15 電主軸電機和水冷系統影響下熱誤差曲線

4.9 熱誤差主要影響因素

由熱誤差單因素試驗可知,影響五軸加工中心誤差敏感方向熱誤差的主要因素如下:

(1) 銑刀軸B軸熱誤差;

(2) 液壓油溫升引起電主軸熱變形;

(3) 電主軸電機旋轉發熱引起熱誤差。

在實際切削加工中,工件的徑向尺寸誤差是這三個影響因素綜合作用的結果。

5 熱誤差補償

根據試驗分析得出的三個主要熱誤差影響因素,建立熱誤差實時補償模型,實施實時補償,并通過實際切削加工試驗來檢驗補償效果。實時補償過程如下:從數控系統中采集五軸加工中心位置坐標信號,同時由布置在五軸加工中心上的溫度傳感器采集溫度信號,通過外置實時補償系統數據處理單元中的誤差實時補償模型計算得到各軸補償值,將各軸補償值輸入數控系統,通過數控系統中的坐標偏置功能進行各軸位置的實時補償或修正。熱誤差實時補償效果如圖16所示。由圖16可以看出,通過實施實時補償,42個工件的徑向尺寸誤差控制在7 μm以內,補償效果顯著。未實施實時補償的工件徑向尺寸在加工中心熱誤差影響下變化近39 μm。通過實時補償,五軸加工中心誤差敏感方向熱誤差減小82%。

6 結束語

熱誤差是影響機床精度的最重要的誤差源,筆者對國產高端五軸車銑復合加工中心誤差敏感方向熱誤差進行試驗分析,采用因素分離方法找出影響誤差敏感方向熱誤差的主要因素,并建立熱誤差實時補償模型,實施實時補償。

實際補償試驗表明,實時補償效果明顯,五軸加工中心誤差敏感方向熱誤差減小82%,為減小數控機床熱誤差提供了一種切實有效的方法。