專利名稱：一種精密臥式加工中心主軸熱誤差補償方法
技術領域：
本發(fā)明屬于精密臥式加工中心加工過程，特別涉及到精密臥式加工中心主軸熱誤差補償方法，包含主軸系統(tǒng)溫度場及熱變形有限元仿真計算方法、熱關鍵點選擇方法、熱誤差測試和建模方法，以及熱誤差補償實施方法。
背景技術：
主軸作為機床的關鍵部件，其性能的好壞直接影響機床加工精度、穩(wěn)定性和應用范圍。近年來，高速主軸成為主軸的一個發(fā)展趨勢，然而主軸內(nèi)部軸承在高速旋轉(zhuǎn)下會產(chǎn)生大量熱，從而導致主軸發(fā)生變形，影響加工精度。目前，國內(nèi)外減小熱誤差的方法主要分為三類1、減小熱源發(fā)熱量和控制熱量傳遞，如加大冷卻液流量，改善環(huán)境溫度控制系統(tǒng)；2、機床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，如采用熱對稱結(jié)構(gòu)以及合理選用熱膨脹率小的材料；3、熱誤差補償。與前兩種方法相比，熱誤差補償可以在不改變機床機構(gòu)的基礎上提高機床精度，而且花費少、實施方便。在機床主軸熱誤差補償中，建立精度高、魯棒性好的熱誤差補償模型是難點，而優(yōu)化選擇溫度測點的數(shù)量和位置又是熱誤差建模的基礎。通過中國期刊全文數(shù)據(jù)庫檢索發(fā)現(xiàn)，有很多文獻應用灰色系統(tǒng)理論、逐步回歸分析、信息論原理等方法進行溫度測點選擇，但大部分都是基于實驗測試數(shù)據(jù)。為了獲得多工況下足夠的機床溫度數(shù)據(jù)，實驗時需要布置大量溫度傳感器并對不同工況下主軸溫度場進行多次測試，不僅增加了實驗的復雜性和研究人員的工作量，而且消耗大量時間。對于熱誤差補償實施，潘淑微在2007年《機械工程》發(fā)表的《基于PAMC的數(shù)控車床主軸熱誤差補償系統(tǒng)研究》中提出利用一種基于PMAC多軸運動控制卡的軟件系統(tǒng)，楊建國在專利200410093428. I中公開了一種基于機床外部坐標系偏置的數(shù)控機床誤差實時補償器。以上兩種方法均可實現(xiàn)熱誤差補償、大大降低熱誤差，但需要在系統(tǒng)外部增加補償硬件裝置，并且需要專業(yè)人員進行軟件編程，既增加了系統(tǒng)的復雜性，又增加了成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為了克服上述現(xiàn)有方法的不足，提出一種精密臥式加工中心主軸熱誤差補償方法。為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是I)對待補償?shù)木芘P式加工中心主軸進行簡化，并將簡化后的模型導入ANSYS/Workbench中；結(jié)合實際測量的主軸轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度、冷卻液流速、流量和進出油溫度計算邊界條件，并將計算得到的邊界條件代入ANSYS/Workbench進而對簡化過的主軸進行熱力學和靜力學有限元仿真分析，得到較精確的主軸溫度場分布和熱變形；2)基于有限元仿真分析結(jié)果，提取任意節(jié)點的溫度以及主軸熱變形進行分析，即利用Spearman秩相關系數(shù)，對不同工況下主軸系統(tǒng)不同位置的溫升和主軸熱變形進行秩 相關分析，根據(jù)計算得到的相關系數(shù)和機床具體結(jié)構(gòu)選出主軸系統(tǒng)熱關鍵點，相關系數(shù)計算公式p = l-6^d
n -n其中d表示相應兩個變量X、Y的值所對應秩的差值，n是成對數(shù)據(jù)(X，Y)的個數(shù)；3)分別在主軸系統(tǒng)熱關鍵點和主軸前端安裝磁鐵式溫度傳感器和雷尼紹激光測頭，實現(xiàn)主軸熱關鍵點溫度測量和主軸熱誤差測量，測量時溫度傳感器的輸出端直接接入數(shù)控系統(tǒng)，并運用PLC計算采集到的溫度與環(huán)境溫度的差值；利用這一數(shù)值以及主軸熱誤差，建立熱誤差模型；同時以這一數(shù)值作為熱誤差補償?shù)挠|發(fā)量，直接結(jié)合機床數(shù)控系統(tǒng)熱誤差補償策略實現(xiàn)熱誤差補償，補償方法有兩種直接將熱誤差模型嵌入數(shù)控系統(tǒng)中實現(xiàn)主軸熱誤差補償，或根據(jù)建立的熱誤差補償模型生成熱誤差補償表，最終利用熱誤差補償 表對主軸熱誤差進行補償。本發(fā)明以熱誤差補償模型為基礎，結(jié)合機床數(shù)控系統(tǒng)熱誤差補償策略，實施主軸熱誤差補償，有效地減小了精密臥式加工中心主軸熱誤差的問題。


圖I為精密臥式加工中心主軸熱誤差補償方法流程圖；圖2為某型號精密臥式加工中心主軸系統(tǒng)剖視示意圖；圖3、圖4為圖2精密臥式加工中心主軸系統(tǒng)溫度測點位置示意圖；其中 表示有限元仿真提取溫度數(shù)據(jù)的節(jié)點位置，Tl-Tll為節(jié)點編號；圖5-圖7分別為主軸為轉(zhuǎn)速2000r/min、3000r/min、4000r/min時，主軸軸向熱誤
差模型曲線和補償前后熱誤差測試曲線圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。參見圖1，I、精密臥式加工中心主軸系統(tǒng)溫度場和熱變形的有限元仿真I)有限元模型的建立和邊界條件的施加首先根據(jù)機床主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點，通過Pro/E軟件對精密臥式加工中心主軸系統(tǒng)進行簡化，將簡化的實體模型導入ANSYS/Workbench分析軟件中進行網(wǎng)格劃分；網(wǎng)格劃分時根據(jù)主軸系統(tǒng)不同部件的結(jié)構(gòu)特點選擇不同的劃分方法，如對結(jié)構(gòu)規(guī)則的圓柱體、正方體選擇掃掠劃分，對結(jié)構(gòu)復雜的部件選擇四面體劃分或自由劃分。結(jié)合實際情況，在ANSYS/Workbench分析軟件中對主軸系統(tǒng)不同部件設定不同的材料參數(shù)。另外結(jié)合實際測量的主軸轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度、冷卻液流速、流量和進出油溫度計算邊界條件，并在ANSYS/Workbench分析軟件中進行設置；2)精密臥式加工中心主軸系統(tǒng)溫度場和熱變形仿真完成以上設置后，利用ANSYS/Workbench軟件進行熱力學和靜力學有限元仿真分析(分析時忽略接觸熱阻的影響)，從而得到對不同轉(zhuǎn)速下主軸系統(tǒng)溫度場和主軸熱變形，由于設置的邊界條件是根據(jù)實測結(jié)果計算得出的，因此有限元仿真計算更接近實際情況且具有較高的精度；2、基于有限元仿真的主軸熱關鍵點選擇從不同轉(zhuǎn)速時主軸系統(tǒng)溫度場和主軸熱變形的有限元仿真分析的結(jié)果中，提取主軸不同位置節(jié)點溫度和主軸熱變形，計算主軸不同位置節(jié)點溫度與主軸熱變形間的Spearman秩相關系數(shù)。Spearman秩相關系數(shù)是一種非線性相關系數(shù)，用于描述兩個隨機變量(X、Y)間聯(lián)系的強度，計算公式為p = l-6^d
n -n其中d表示相應兩個變量X、Y的值所對應秩的差值，n是成對數(shù)據(jù)(X，Y)的個數(shù)。依據(jù)相關系數(shù)計算結(jié)果，結(jié)合機床具體結(jié)構(gòu)，選擇盡量靠近熱源且方便布置溫度傳感器的位置為主軸熱關鍵點。 3、主軸系統(tǒng)熱關鍵點溫度、熱誤差測試和熱誤差建模分別在主軸系統(tǒng)熱關鍵點和主軸前端安裝磁鐵式溫度傳感器和雷尼紹激光測頭，磁鐵式溫度傳感器使用時方便固定和拆卸，傳感器輸出端直接接入數(shù)控系統(tǒng)，系統(tǒng)自動對傳感器的輸出信號進行處理和記錄；雷尼紹激光測頭固定在主軸兩側(cè)，自動對主軸在無熱源和有熱源兩種情況下的主軸系統(tǒng)坐標位置進行記錄，兩次坐標相減即為主軸熱誤差，避免了由于人為操作、讀數(shù)疏忽帶來的隨機誤差。根據(jù)實測的主軸熱關鍵點溫度和主軸熱誤差，利用最小二乘法建立主軸熱誤差模型。最小二乘法結(jié)構(gòu)簡單、應用廣泛、具有一定的精度且容易通過計算機的簡單程序?qū)崿F(xiàn)，是最簡單有效的熱誤差建模方法。4、主軸熱誤差補償不同的機床數(shù)控系統(tǒng)有不同的熱誤差補償策略，例如有的系統(tǒng)只允許利用熱誤差補償表對對主軸熱誤差進行補償，有的系統(tǒng)可直接將熱誤差模型嵌入數(shù)控系統(tǒng)中實現(xiàn)主軸熱誤差補償，但熱誤差模型不宜過于復雜。本發(fā)明結(jié)合待研究的精密臥式加工中心數(shù)控系統(tǒng)，選擇合理的熱誤差補償策略進行主軸熱誤差補償。補償時，利用磁鐵式溫度傳感器對主軸關鍵溫度進行測試，測試所得數(shù)據(jù)輸入數(shù)控系統(tǒng)中，并利用PLC計算主軸系統(tǒng)關鍵點溫度與環(huán)境溫度的差值。利用這一數(shù)值作為觸發(fā)量，結(jié)合嵌入數(shù)控系統(tǒng)的熱誤差補償模型或根據(jù)模型生成的熱誤差補償表，最終實現(xiàn)主軸熱誤差補償。以下是本發(fā)明的一個實施例，參見圖2-4，本實施例以某型號精密臥式加工中心為實例，結(jié)合附圖對具體實施方式
進行詳細說明I.模型簡化為了提高有限元建模時網(wǎng)格劃分質(zhì)量、節(jié)約有限元仿真計算時間，需要在Pro/E軟件中對精密臥式加工中心主軸系統(tǒng)原始模型進行簡化，簡化內(nèi)容包括I)刪除電機和與其相連的聯(lián)軸器、皮帶輪等部件；2)刪除螺釘、安裝螺釘孔、油管、注油孔細小特征；3)刪除倒圓角和倒角；4)利用簡單結(jié)構(gòu)實體模型代替復雜結(jié)構(gòu)部件，如用簡單圓環(huán)代替軸承、冷卻套，用階梯軸代替主軸和尾部編碼器；5)為保證網(wǎng)格劃分質(zhì)量，刪除< IOmm的凸臺或凹槽特征；6)在保證整體結(jié)構(gòu)不變的情況下，修改調(diào)整各模型尺寸，保證各零部件的準確裝配。2.有限元模型的建立利用ANSYS/Workbench軟件對精密臥式加工中心主軸系統(tǒng)進行有限元仿真分析前，需建立其有限元模型，具體步驟如下1)將簡化后的實體模型通過Pro/E-Workbench的接口菜單導入Workbench工作平臺中。2)對實體模型進行網(wǎng)格劃分，劃分時，需根據(jù)主軸系統(tǒng)不同部件的結(jié)構(gòu)特點選擇不同的劃分方法。例如，對于軸承、冷卻套等簡單實體采用掃掠劃分方法；對于主軸、主軸箱等復雜部件采用四面體劃分或自由劃分，網(wǎng)格單元大小通過手動設置，對重點研究的部件，如主軸采進行網(wǎng)格細化，而結(jié)構(gòu)尺寸較大的部件網(wǎng)格可適當稀疏一點。3)在本實施例中，忽略各部件間接觸熱阻的影響，結(jié)合面設置為Bonded(粘接)。4)結(jié)合實際,在ANSYS/Workbench軟件的材料庫中選擇主軸各部件相應材料,進而對不同的主軸部件設置不同的材料。3邊界條件施加和有限元計算為提高有限元仿真計算的準確性，需設置準確的邊界條件。本案例中，分別對轉(zhuǎn)速為2000r/min、3000r/min、4000r/min時,精密臥式加工中心主軸在空轉(zhuǎn)情況下的主軸箱壁面溫度、冷卻液流量和流速以及主軸系統(tǒng)進出油溫度等進行實際測量和統(tǒng)計，再根據(jù)實測數(shù)據(jù)對邊界條件進行計算，從而得到準確的邊界條件。4.主軸溫度場、熱變形有限元仿真利用ANSYS/Workbench軟件對不同轉(zhuǎn)速下主軸系統(tǒng)進行熱力學和靜力學有限元仿真計算，得到不同轉(zhuǎn)速下精密臥式加工中心主軸系統(tǒng)的溫度場和熱變形。5.基于有限元仿真的主軸熱關鍵點選擇由于本案例中主軸系統(tǒng)前后各有兩個軸承，為主要熱源，因此結(jié)合主軸結(jié)構(gòu)在前后選取若干節(jié)點進行分析，節(jié)點編號為Tl-Tll，，T12為環(huán)境溫度，如圖3-圖4所示?；跍囟葓龊蜔嶙冃斡邢拊抡娼Y(jié)果，提取以上節(jié)點溫度和主軸端面軸向熱變形值，計算主軸不同位置溫度與主軸熱變形間的Spearman秩相關系數(shù)。Spearman秩相關系數(shù)是一種非線性相關系數(shù)，用于描述兩個隨機變量間聯(lián)系的強度，計算公式為
權利要求
1.一種精密臥式加工中心主軸熱誤差補償方法，其特征在于 1)對待補償?shù)木芘P式加工中心主軸進行簡化，并將簡化后的模型導入ANSYS/Workbench中；結(jié)合實際測量的主軸轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度、冷卻液流速、流量和進出油溫度計算邊界條件，并將計算得到的邊界條件代入ANSYS/Workbench進而對簡化過的主軸進行熱力學和靜力學有限元仿真分析，得到較精確的主軸溫度場分布和熱變形； 2)基于有限元仿真分析結(jié)果，提取任意節(jié)點的溫度以及主軸熱變形進行分析，即利用Spearman秩相關系數(shù)，對不同工況下主軸系統(tǒng)不同位置的溫升和主軸熱變形進行秩相關分析，根據(jù)計算得到的相關系數(shù)和機床具體結(jié)構(gòu)選出主軸系統(tǒng)熱關鍵點，相關系數(shù)計算公式
全文摘要
一種精密臥式加工中心主軸熱誤差補償方法，對機床主軸模型進行結(jié)構(gòu)簡化；利用有限元分析軟件ANSYS-Workbench對簡化后的主軸實體模型進行網(wǎng)格劃分，得到主軸有限元模型，結(jié)合實際主軸轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度、冷卻液流速、流量和進出油溫度等計算邊界條件并進行設置。通過在ANSYS/Workbench中進行熱力學和靜力學分析，得到較精確的主軸溫度場分布和熱變形?；谟邢拊抡娼Y(jié)果，利用Spearman秩相關分析，對不同轉(zhuǎn)速下主軸不同位置的溫度與主軸熱變形進行分析，找到主軸熱關鍵點，為主軸熱誤差測試和熱誤差補償提供了參考。最后根據(jù)實際測試主軸關鍵點溫度和熱誤差，利用最小二乘法建立熱誤差補償模型。以熱誤差補償模型為基礎，結(jié)合機床數(shù)控系統(tǒng)熱誤差補償策略，實施主軸熱誤差補償。
文檔編號B23B19/02GK102658499SQ20121011816
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月20日 優(yōu)先權日2012年4月20日
發(fā)明者位文明, 寸花英, 李旸, 趙萬華 申請人:沈機集團昆明機床股份有限公司, 西安交通大學