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外文翻译通过热量误差补偿来改善数控机床的精确度.doc

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外文翻译通过热量误差补偿来改善数控机床的精确度.doc

通过热量误差补偿来改善数控机床的精确度摘要通过热量误差补偿来改变数控机床的精度是一种可行的方法。热量误差的获得是通过1D滚珠排列和建立在锭子转速基础上的自动退刀的表征。通过改变工件的数控程序,热量误差在机加工以前可以被补偿。试验表明直立的加工中心的实际补偿是可行的。关键词数控加工中心,热量误差,补偿0.引言数控机床精确度的改善是生产过程中质量控制的根本。热量误差已经被作为机器精确度失衡的最大诱因,而且可能也是机器获取更高精确度的最大障碍。数控机床的热量误差可通过机床本身的结构设计和生产技术的改善而降低。尽管如此,还是有许多物理性限制因素使得精确度不能通过生产和设计技术而单独克服。因此,误差补偿技术是很必要的。在过去的几年里,对此技术的研究已经获得重大成果。由于热量误差在加工时随时间而变化,许多前人的工作都集中在实际时间的的补偿比率上。典型的方法是对机床几个有代表性的点进行热量误差和温度的同步试验,然后建立一个与热量误差和温度的试验模型对多种变化进行回归分析或是人工网络分析。在加工期间,误差是根据之前建立的模型进行预测并通过在实际过程中用额外的信号和自由回路进行改正的。但是,目前只有很少被报道的实际过程补偿案例适用于商业机床。首先,对机床的多个点进行热量误差和温度的测量是不可取的。其次,温度传感器的线会或多或少影响机器的运转。第三,实际操作中的误差补偿功能在许多的机器上是不可用的。为了改善数控机床生产的精确度,有个方法是值得尝试的。尽管许多的热源都能引起热量误差,但是环形轴承的摩擦被认为是最主要的热源。热量误差是由1D滚珠排列来衡量的。一个自动回归模型是以锭子转速然后被发展到描述那时的热量错误为基础的。利用这个模型,热量误差能够在机械加工程序制造的时候被预测出来。通过对程序的修订,热量误差能够在加工之前得到补偿。那么补偿的代价就大大的减轻了。1.试验工作为了达到补偿目的,重要的部分不是每个机器的零部件,而是工件的位移。在调查的线性机械加工中心中,热量误差是由锭子膨胀、锭子固件变形和三个轴空间的变形一起引起的。由于导杆的伸长和栏的弯曲,热量误差并不只是在时间上的改变,而且还是机械加工在空间上的变化。为了能够快速的测量热量误差,一些简单的量规是可以使用的,例如滚珠排列。滚珠排列是把一系列的滚珠按相等的间隔固定在顶梁上。由于滚珠的直径相等,球状的误差比较小,因此,滚珠排列被用于热量误差测量的一个参考。大量的之前试验数据表明在光轴上的热量误差远远高于在横轴和纵轴。所以,热量误差主要关注在光轴上。同理,也可以用相同的办法得到其他两个轴上的热量误差数据。测量的过程如图1所示刚开始,滚珠的坐标是处在低温状态的,然后锭子在试验状态下改变机器的热量。滚珠温度的测量是周期性的。热量的转移是通过用最初的参考坐标减去在新的热量状态下滚珠坐标来实现的。由于这种测量只需要一分钟,机器在不同坐标下的热量转移能够更快更容易的被显现出来。根据转动速率的变化,热量误差和转速是每十分钟就是一个循环。坐标的唯一偏离是在低温状态下完成的,而不是在所关注的独立的量规尺寸下。象激光干涉仪这样的精确度和准确度装置并不做要求。只有四个测量点z1,z2,z3,z4来覆盖坐标为50,150,250,350的z坐标的工作范围。在其他的坐标中热量误差可以通过一个插值函数来获得。上述的试验说明了在锭子位置和工作台之间的派生位移与锭子和台之间是一致的。因此热量误差Δz的测量反映了在真正的切割条件下误差是可以忽略的。为了能够获得机床热量行为的全面理解以及正确的判断误差模型,形成了一种测量方法。锭子转速的多种加载方式是可用的。他们被分为如下三类1,常规转速,2,转速范围,3,真正切割状态下的同步转速。此处,由切割过程而引起的热量作用没有被考虑进来。不过,切割过程对整个机床机构的热量的影响在最终的过程中是可以忽略的。在这种机床中,最大的热源来自于z轴。热量误差在z方向和不同的x和y坐标方向大约是相同的。也就是说x轴和y轴的位置对z轴的热量误差没有重大影响。1.图1(左)热量误差测量锭子传感器2.1D滚珠排列图2(右)在不同z坐标中的热量误差1.z502.z1503.z2504.z350图2在测试中不同z坐标中热量转移时间过程图的绘制上图表明合成的热量转移明显是由所在决定的。在z1,z2,z3,z4点上的热量转移刚开始是一样的,然后随着时间的流逝和温度的增加而逐渐分离。原因在于最初大量的热量转移是由于锭子位置的增长造成的,和其他的耐热时间较长的机床部件相比,这个位置能更快的达到热量平衡。然而,随着时间的过去,那些象导螺杆和栏这样由位置决定热量误差的部件越来越多的引起合成热量的转移。结果,在不同的z坐标中热量的转移具有不同的大小和热量特性。但是,不同坐标中的热量转移是随z坐标不断改变的。2.热量误差的回归模型热量误差的准确预测是精确误差补偿的重要环节。由于对机床结构的认识和热源以及界限条件的不充分,根据热量传递分析得出精确的数量测量是非常困难的。另外,在众多的实用中,利用以经验为基础的误差模型进行回归分析和网络分析来准确预测热量误差是不可能的。热量误差是由多种热源引起的,而只有锭子引起的热量被认为是最重要的热源影响因素。外部热源对机床精确度的影响能够通过环境温度来控制。根据已有的数据发现热量误差的改变是和时间成正比的。某一刻的误差值受其前一刻和锭子的转速影响。这样,就形成了如下的热量误差表现模型。Δzt地点t时间的热量误差k,m模型顺序ai,bi模型系数nti在时间ti的锭子转速k和m的顺序是有最终的误差预测标准准决定的。系数ai和bi有人工网络分析确定的。这个模型比其他因为C形定阈值信号在各个结点上单一输入的障碍更不容易感光。为了能确定模型预测的精确度,使用了许多新的操作条件。图4是一个在新的条件下的预测结果,它表明以速度为基础的自动回归模型能够在一个相对稳定的环境下很好的描述热量误差。图3热量误差的网络图4热量误差的预测(1).测量结果(2).预测结果3.热量误差的前期补偿1.热量误差前期补偿的规则如图15所示。只要工件数控机床的程序完成,锭子的转速和z坐标就能知道。例如,每隔十分钟,Δz的热量误差就会被模型计算一次。这样,就能通过把计算出来的Δz加到原来的z上来修改程序。因此,热量误差能够在加工之前得到补偿。误差补偿的有效性是由许多切割试验来证实的。一些表面是由低于冷启动和一个小时不同转速的旋转磨碎的。如图6所示,用表面磨碎的深度不同来评估在z方向的热量误差结果补偿。试验表明这种不同由7μm减少到2μm。图5通过程序的修正补偿热量误差图6补偿的有效性

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