（机械制造及其自动化专业论文）基于球杆仪的高速五轴数控机床综合误差建模与检测方法.pdf

天津大学博士学位论文 中文摘要 装配有高速电主轴与直线电机的现代高速机床的热误差检测是当前业内的 研究热点问题，尤其电主轴热漂移误差的检测是广受关注的难点问题。结合五轴 高速加工中心误差检测项目，本论文研究了转动轴误差检测方法、一体式电主轴 系统、直线电机驱动系统热误差检测方法等现代高端机床精度检测难点问题，建 立了加工中心综合误差数学模型，完成了对电主轴系统、直线电机系统的有限元 热分析，并完成基于球杆仪的机床综合误差检测试验。取得的主要研究成果如下： 口基于齐次坐标变换原理，建立了基于球杆仪检测原理的综合误差模型，该模 型包含对加工精度影响较大的工作台旋转轴c 轴的四项安装定位误差，主轴 热漂移误差，以及直线电机驱动下的三直轴各项几何误差与热误差，据此模 型，提出了基于球杆仪测量原理的误差检测方法； 口基于有限元热分析方法，借助商用软件a n s y s 的热分析模块完成了机床整 体温度场分布，主轴与直线导轨热变形的有限元分析，得出了主轴的三种可 能热变形模式与直线导轨的热变形模式； 口构建了针对高速五轴机床的主要误差元素的球杆仪检测模式，。完成了各检测 模式的球杆仪检测轨迹仿真，据此得出工作台旋转轴c 轴的四项安装定位误 差、主轴热漂移误差以及直线电机驱动下的三直轴各项几何误差与热误差的 球杆仪圆轨迹特征； 口根据机床运动传递链的封闭性原理，提出了基于球杆仪测量数据的几何误差 与热误差分离方法，并应用最小二乘法提出了球杆仪自身安装定位误差的分 离方法，提高了检测精度； 口综合球杆仪检测数据，绘制主轴热漂移规律曲线，直线导轨上不同位置处热 变形规律曲线，并得到出现热误差前后工作空间内工作台平面上的综合误差 分布变化规律，提出了机床精度评价方法。 本文工作对我国高端机床的自主开发及精度提高有重要实用价值，并且本文 提出的误差分析检测方法适用于类似结构的五轴机床和高速机床。 关键词：热误差球杆仪电主轴直线电机误差检测五轴高速加工中心 天津大学博士学位论文 a b s t r a c t t l l i sp a p e ra i m e da tt h em e a s u r m e n to ft h em a i ne r r o r so ft h e5 - a x i sh i g hs p e e d m a c h i n et o o l s ，a n df o u s e do nt h ek e yp r o b l e m sc o n c e m df o rt h em e a s u r e m e n t m e t h o d so ft h ee r r o r so fr o t a r ya x i s ，t h et h e r m a le r r o r so fh i g hs p e e ds p i n d l ea n d l i n e a rm o t o rs y s t e m s t h i sp a p e rb a s e do nd o u b l e b a l l b a r ( d b b ) t h e o r ya n df o u n dt h e m a t h e m a t i cm o d e li n c l u d i n gm a i ng e o m e t r i c a le r r o r sa n dt h e r m a le r r o r so ft h e5 - a x i s m a c h i n et o o l s ；a n dt h e r m a l s t r u c t u r ec o u p l i n ga n a l y s i sf o rh i g hs p i n d l ea n dl i n e a r m o t o rs y s t e m sw a sd o n e f i v ed b bm e a s u r e m e n tm o d e l sw e r ed e s i g n e df o rd i f f e r e n t e r r o r s l a s t l y , t h ee x p e r i m e n t so fd b bf o r5 - a x i sm a c h i n et o o l sw e r ed o n e t h e f o l l o w i n gi n - d e p t hw o r kh a db e e nc o m p l e t e d t h es y n t h e s i se r r o rm o d e lo fh i g hs p e e d5 - a x i sm a c h i n et o o l sw a sf o u n d e db a s e d o nh o m o g e n e o u sc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o nt h e o r y , i n c l u d e d4g e o m e t r i c a le r r o r so f c - a i x s ，t h e r m a ld r i f te r r o r so fh i g hs p e e ds p i n d l ea n dg e o m e t r i c a la n dt h e r m a le r r o r s o fl i n e a rm o t o r s y s t e m s ，t h e nt h ed b b m e a s u r e m e n tm e t h o dw a sf o u n d e da c c o r d i n g t ot h ee r r o rm o d e l t h ef e aa n a l y s i sf o rw h o l em a c h i n et o o l s h i g hs p e e ds p i n d l ea n dl i n e a rg u i d e w a sd o n eb ya n s y s ，t h et e m p e r a t u r ef i e l do fm a c h i n et o o l s ，t h et h e r m a ld i s t o r t i o no f s p i n d l ea n dl i n e a rg u i d ew e r eg o t ，b ya p p l y i n gt h e r m a la n ds t r u c t u r a ll o a d so nt h e f e am o d e l s t h em e a s u r e m e n tm o d e l so fd b bw a sf o u n d e da n dd i f f e r e n tt r a j e c t o r i e so fd b b f o rd i f f e r e n te r r o r sw e r es i m u l a t e d ，i n c l u d i n g4g e o m e t r i c a le r r o r so fc - a i x s ，t h e r m a l d r i f te r r o r so fh i 【g hs p e e ds p i n d l ea n dg e o m e t r i c a la n dt h e r m a le r r o r so fl i n e a rm o t o r s y s t e m s 1 1 1 em e t h o df o rs e p a r a t i n gt h eg e o m e t r i c a la n dt h e r m a le r r o r sf r o md b bd a t a w a sp r o p o s e db a s e do nt h ec l o s e dc h a r a c t e r i s t i co ft h ek i n e m a t i c a lc h a i no f5 - a x i s m a c h i n et o o l s ，t h el o c a t i o ne r r o r so fd b bc o u l da l s ob es e p a r a t e db yu s i n gl e a s t s q u a r em e t h o d a tl a s t ，t h ev a r i a t i o nc u l v e so fs p i n d l et h e r m a ld r i f t i n ge r r o r sa n dt h e r m a le r r r o r s o fl i n e a rg u i d ew e r ed r a w n , a n dt h ed i s t r i b u t i o no nt h ew o r k t a b l es u r f a c eo fs y n t h e s i s e r r o r sw e r ea l s od r a w n , t h e nt h ea c c u r a c yo ft h em a c h i n et o o l sw a se v a l u a t e db a s e d j l 天津大学博士学位论文 o na l lt h ea n a l y s i sm e n t i o n e da b o v e t h eo u t c o m eo ft h i sr e s e a r c hh a dh i g hv a l u ef o rt h ed e v e l o p m e n to fh i g h p e r f o r m a n c em a h i n et o o l s ，a n dt h em e t h o d sp r o p o s e di nt h ep a p e rw e r ea l s os u i t a b l e f o rt h eo t h e rs i m i l a r5 - a x i sa n dh i g hs p e e dm a c h i n et o o l s k e y w o r d s ：t h e r m a le r r o r s d b b h i g hs p p e ds i n d l e l i n e a rm o t o r e r r o rm e a s u r e m e n t5 - a x i sh i g hs p e e dm a c h i n et o o l s i i i 符号索引 6 ) 、6 v 、6 ：坐标系沿参考坐标系三坐标轴方向的线位移误差 孙卧龟 坐标系绕参考坐标系三坐标轴的角位移误差 6 ) 【c x 、6 v c x 、8 z c xc 轴坐标系相对于x 轴坐标系的线位移误差 & c x 、e y c x 、g z c x c 轴坐标系相对于x 轴坐标系的角位移误差 d o d 7所建机床主要部件坐标系间的距离 一p 直角坐标系 a ) 中的某点尸其位置的3 x1 的列矢量表示 p x 、p 。、p ： 点p 在坐标系 a ) 中的三个坐标分量 ：r b 坐标系相对于a 坐标系的旋转矩阵 r ( x ，口)相对x 轴旋转q 角的旋转矩阵 r ( y ，)相对y 轴旋转b 角的旋转矩阵 r ( z ，)相对z 轴旋转y 角的旋转矩阵 ；h m 相对于n 坐标系间的误差变换矩阵 e 巳 刀具( t 0 0 1 ) 相对于工件( w o r k p i e c e ) 间误差矩阵 彰机床的组件k 和k 一1 之间的误差e 乞。对刀具相对于工件间总误差的贡献 z 丁 为坐标系m 相对于坐标系n 的理想变换矩阵 。尸为刀具末端点在参考坐标系理想位置 d 只， 为工件加工点在参考坐标系理想位置 c 只， 为工件点在c 坐标系位置 5 只为刀具点在主轴s 坐标系中位置 o p 。刀具末端点在参考坐标系真实位置 。曩， 工件加工点在参考坐标系真实位置 f 只 工件点在c 坐标系真实位置 s p 刀具点在主轴s 坐标系中真实位置 、, 多y x o 、 x 坐标系相对于床身参考坐标系沿x 、y 、z 方向的线性位移 误差 , x x o 、c y x o 、g z x o x 轴绕床身参考坐标系三个轴的角位移误差 正黝、万蝴、x 导轨热变形导致的直线度误差表现为沿坐标系x 、y 、z 方向的线位移误差 文y d 、况y 0 、疋y dy 坐标系相对于机床参考坐标系沿x 、y 、z 方向的线性位移 误差 白胁e y r o 、# z f o y 坐标系绕床身参考坐标系三个轴的角位移误差 氏肋、万。砌、皖砌y 导轨热变形导致的直线度误差表现为沿坐标系x 、y 、z 方向的线位移误差 勋、沏、6 z yz 坐标系相对于y 坐标系沿x 、y 、z 方向的线性位移误差 轫、e x z y 、8 x z yz 坐标系相对于y 坐标系绕x 、y 、z 轴的角位移误差 如y ，、或z y ，、如y ，z 导轨热变形导致的直线度误差表现为沿坐标系x 、y 、z 方向的线位移误差 6 x b z 、a y b z 、6 m z b 轴相对于z 轴坐标系的三个线位移误差 6 x b z t 、民b z t 、6 z b z tb 轴热误差 文s b t 、a y s b t 、如b t 主轴相对于b 坐标系热漂移误差 z 丁 坐标系m 相对于坐标系n 的含误差元素的变换矩阵 厶球杆仪球杆向量 r t刀具环末端传递误差向量 工件环末端传递误差向量 厶为球杆仪长度测量值， 为球杆仪安装误差向量 u为球杆仪安装误差向量沿x 轴方向分量一 v 为球杆仪安装误差向量沿y 轴方向分量 以 球杆仪测量原始数据，测量过程中的杆长变化量 厶球杆仪杆长标定值 正，、万，、皖， 表示主轴热漂移导致的刀具点空间位置误差计算值 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞叁堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 两融鸟 签字日期： 伽占年衫月争日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨连盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 商暇参 导师签名： 芗鼋贯卫 签字日期：加分年多月牛日 签字日期：二却扩年占月z 日 天津大学博士学位论文 11 课题研究背景及意义 第一章绪论 五轴加工中心是适用于加工复杂空间曲面或型腔内表面的现代加工中心，现 代制造产业中广泛用于加工大型机翼以及叶轮、叶片等大型薄壁零件( 图1 1 ) 。 其优势在于可自由调整刀具相对于工件的角度和方位从而保证表面加工质量， 提高加工效率节省工件装卡次数和时间i 。o 现代制造业中，如何提高多轴机床 加工精度成为广受关注的技术关键。机械加工精度1 2j 是指零件在加工后主要表面 的尺寸精度、形状精度、相对位置精度和表面质量等。提高工作母机的加工精度 基本上有两大思路p 州：一足通过提高组成机床各零部件的加工精度、加大机床 系统的剧度以及应用精密的装配技术，使机床自身性能大幅度提高，另外，通过 严格控制外部加工环境( 恒温和隔振等措施) 和使用精密的测量手段咀及高超的 加工技术，可制造出精密的设备，但是，机床的性能与造价成几何级数关系，通 过该方式提高机床精度成本太高，因此未能大规模推广和应用：另外一个思路就 是通过误差补偿来提高现有机床的加工精度。该方法是分析影响加工精度的不同 误差源建立机床误差元素的数学模型，通过误差补偿器对空间误差加以实时的 修正，从而提高机床加工精度。 一 图1 1 龙门式高速五轴加工中心 第一章绪论 目前的数控系统一般都具有空间误差补偿能力，但是，在实际生产中却很少 应用，其原因之一可能是机床的加工精度基本满足一般的技术要求，另一重要原 因就在于缺少高效的检测手段，目前的机床误差检测工具和方式都过于复杂费 时。因此快速有效的检测出机床的主要误差是通过补偿方式提高数控机床加工精 度的一项很重要的前提工作。 对于现代高速加工中心，转矩电机驱动转动轴、一体式高速电主轴、直线电 机驱动直线导轨系统的应用对提高其高速度、高动态性能和高加工精度起了决定 性的作用。但这些关键性技术的应用使加工中心实现高速度的同时，也带来了更 加复杂的误差元素【6 】。随着加工中心各部件自身精度的提高，以及直线电机驱动 取代传统伺服电机加滚珠丝杠驱动，影响其加工精度的主要误差元素不再是部件 自身几何精度误差、装配误差、滚珠丝杠误差、导轨直线度、垂直度误差等几何 误差元素。而是电主轴热漂移误差、直线导轨热变形误差、旋转轴安装定位误差、 直线电机边缘效应，以及驱动电机、高温切屑等复杂热源作用下工作台、立柱、 床身等产生的热变形导致的热误差元素。随着加工中心自身精度和刚度的不断提 高，由高速驱动元件发热引起的热误差元素将成为影响加工精度最大的最主要的 误差元素。如何检测各误差元素，评定加工中心加工精度，以及进一步对误差元 素进行补偿，提高加工精度成为业内亟需解决的技术难题。采用高效的检测手段 对高速加工中心的热误差元素进行分析、检测、并将其逐项分离以掌握其变化规 律性更是保证现代高速加工中心加工精度的必要工作。 现代误差的测量技术多采用激光干涉仪【2 1 ，其基于激光干涉原理的测量功能 包括直线度、重复定位精度等几何误差，并通过测量速度、加速度反映伺服系统 及控制系统性能，配合其光学器件还可以完成角度测量以及平面度、垂直度测量， 激光干涉仪测量精度高，可直接准确的测量各单项误差，属单误差测量方式，测 量针对性强，但操作复杂，且需配备大量光学器件，价格昂贵，检测过程需要复 杂的光路调整技术，不易掌握。 球杆仪是综合机床性能检测仪器，可通过圆弧轨迹分析机床单轴直线度、两 轴垂直度、伺服系统超前、滞后以及反向越冲、反向间隙等机床主要误差性能， 由于其价格经济、安装操作简便、检测高效快捷，国内外学者自其面世以来就不 断开发其应用范围【1 0 - 2 1 1 ，将其用于复杂机构的精度检测，天津大学黄田、洪振宇 等完成了基于球杆仪检测信息的可重构混联机械手t r i v a r i a n t 的误差建模与精度 标定 2 1 1 ，日本沈岗、武田行生等基于最优轨迹选取原则完成球杆仪检测六自由度 并联机构精度试验i l 引，如图1 2 所示。 天津大学博士学位论文 亦有学者通过设计特殊检测轨迹，尝试应用球杆仪检测主轴热漂移误差 1 2 1 4 1 0 本文在上述研究基础上，选用数字化球杆仪作为测量工具，以五轴高速精 密加工中心( 图卜i ) 为检测对象，对其影响加工精度的主要误差元素进行数学建 模、试验检测、误差辨识研究。该工作对进一步提高高速精密加工中心精度水平， 推动我同高水平加工中心的研制生产具有重要的理论意义和工程实用价值。 ( a 1 混联机械手t r i t ( b ) 六轴并联机构 图l o 球杆仪应用于复杂机构耩度检测 12 国内外研究现状 鉴于本文研究内容涉及基于球杆仪检测原理的机床结构热误差检测与建模、 主轴熟漂移误差检测、直线电机驱动系统热误差检测以及球杆仪检测模式的试验 设计等内容，故在此对上述相关领域研究状况作如下评述。 12 1 机床主要误差元素分类 与传统机床类似，高速加工中心的误差源亦可分为四类”2 啦j ，如图1 3 所示： 几何误差、热误差、载荷误差及控制系统误差。其中，几何误差和热误差占误差 总量的4 0 7 0 。对于高速精密加工中心来说，由于高速驱动部件的产生的热量 远远高于传统机床，且由于其配套的各零部件加工精度、装配精度以及自身刚度 较高，几何误差以及切削力引起的载荷误差比重减小，因此热误差所占比重更大， 成为影响加工精度的最主要因素“。 第一章绪论 ( 1 ) 机床各零 件自身误差 ( 2 ) 安装定位 误差 ( 3 ) 传动误差 ( 1 ) 工件变形 ( 2 ) 刀具变形 ( 3 ) 惯性力 几何误差卜叫热误差 刀具与工件相对位置误差 载荷误差卜叫控制系统误差 图1 3 加工中心的误差源 1 2 2 机床热误差建模与检测方法回顾 ( 1 ) 内部热源：各 轴驱动电机发热、冷 却系统、润滑系统、 切削热 ( 2 ) 外部热源：环 境温度、照明等 ( 1 ) 传感器分辨率 ( 2 ) 控制系统响应 误差 国内外对热误差的研究由来已久，针对热误差的建模方法主要有两类：理论 建模 3 4 , 4 6 和试验建模 2 8 - 3 3 , 3 5 - 4 5 , 4 7 - 5 “。理论建模法首先依据传热学针对具体机床结 构进行分析，在导热微分方程的基础上求解出机床温度场，继而根据弹性力学原 理得到热变形大小。它主要包括解析法和数值法。数值解法中常用的有有限元法 和有限差分法。它们的核心是把空间、时间上连续分布的温度场转化为空间、时 间域内有限个离散点的温度值，用这些离散点的温度值去逼近物体的整个温度分 布。试验建模则是基于大量的试验检测数据建立机床热误差预报模型，例如 o k u s h i m a 4 l 】分析了采用机床各种参数，如工作状态、发热率、温度、热漂移、 工件误差描述机床热变形的优缺点。认为检测温度是最简单的，温度与热变形之 间几乎不存在时间延迟。通过测量温度，他用线膨胀公式计算机床主轴的热位移， 通过修正坐标系大大减小了热误差。研究表明：由于结构设计和制造原因，机床 的主要内热源不能得到快速、充分的冷却，尤其是大型机床，整体温度梯度较大， 所以需要综合使用强制冷，在机床温度监测控制方面提出了四个策略：( 1 ) 低温 升控制；( 2 ) 高温升控制；( 3 ) 热校正控制；( 4 ) 综合控制，以此适应具有不同热 态特性的机床，提高它们的热态精度。日本的a t t i a 3 8 等设计了智能加工中心， 通过监测热变形，并把热变形量输入神经网络控制模型，确定了立柱上冷却和加 热套的控制方式。实验表明机床的热漂移由原来的5 0 p m 减小到1 0 岬以下，控 制在原有漂移量的1 3 水平上。 至量奎耋堡圭兰堡篁圣 懑阚 湍逸娥 圈1 - 4 主轴关键点温度检测实验 1 9 9 5 年，工s c h e n 基于坐标变换法建立简单机械结构的动态模型口”。同年 s r i v a s t a v a 等学者建立了五轴机床的几何与热误差的综合误差模型p ”。1 9 9 8 年， k r u l e w i c h 研究分析了整体温度模型及最优点的选择，简化了机床热误差检测与 建模过程l 。2 0 0 0 年，c h r i s t o p h e r 对在线热误差补偿方法进行尝试取得了较 好补偿效果”。同年，o k a f o r 基于刚体动态建模理论建立了三轴立式加工中心 误差检测与补偿模型l 蚓。2 0 0 3 年，c h e n gh s i e nw u i ”1 研究了热误差对机床伺服系 统性能的影响，重点检测得出滚珠丝杠热误差变化规律。r a m e s h ，m a n n a n ， p o o i 一划等学者围绕机床综合误差的检测与补偿进行了大量试验，通过对几何误 差、载荷误差及不同工作状态下的热误差的大量试验，得出热误差变化规律，并 开发了综合误差在线检测与补偿系统。 近年来国内外学者不断尝试完善热误差补偿模型，提高其补偿精度。 m w e e k 等人提出机床热模态分析理论，并把热模态与振动模态进行丁比较。加 拿大的m c m a s m r 大学开发了五轴加工误差补偿的神经网络簧略，采用仿真数据 和实攫4 数据对神经网络进行建模分析，有效地补偿了热变形和机构磨损产生的加 工误差。美国密歇根大学吴贤铭制造中心倪军教授等陋叫开发出了基于p c 机的 加工误差神经网络实时补偿系统用以弥补工业c n c 控制器的误差补偿能力。其 工作原理为：机床三个导轨的位置由相位编码器控制，静态的几何误差被存在数 据库中，这类误差在一段时期内相对稳定，但长期也会有变化，需要周期性的更 新，动态的热误差由安装在机床各部位上的2 3 个热电偶通过神经网络模型进行 预测，通过这种方法，他们成功的获得了机床的加工误差，并对其进行了控制补 偿，并将其应用于生产实际。对1 0 0 多台车削中心进行了误差检测和补偿工作， 篁三耋堑篁 提高了加工精度。另外，密歇根大学的学者们还运用小脑模型连接控制器( c m a c ) 神经网络建立了机床热误差模型。 图i - 5 上海交通大学主轴轴向、径向热偏移铡量实验 国内的机床热误差研究虽然起步较晚，但天津大学、浙江大学、西安交通大 学、华中科技大学以及上海交通大学现在对于机床的误差补偿工作的研究已非常 深入：上海交通大学的杨建国教授i 6 5 舯1 等人应用灰色系统理论建立了丰轴系统热 误差模型，对温度测点位置进行蛀优化分析，如图1 - 4 ，并用两个位置传感器精 确测得了主轴径向及轴向热偏移如图i - 5 所示，并建立了主轴热误差检测补偿 系统。 天津大学精仪学院的张国雄教授等人【6 8 胛1 分析了影响机床温度场因素，在切 削热较小的情况下，机床主轴附近的温度场主要受主轴转速的影响，而环境温度 和其他因素对其影响较小，因此提出一种机床热变形误差的混合建模方案t 即同 时采用温度场和机床主轴转速为模型的输入量，这样可以减少温度测点数量，也 降低了布点难度，且提高了模型的可靠性，主轴热偏移量的测量方式采用一维球 列法，测量的主要误差项为主轴热漂移误差和滚珠丝杠误差。 另外，浙江大学的陈兆年、陈子臣m7 。1 对机床热态特性的研究也已取得了很 多理论成果，包括机床的温升曲线以及基于不同参数的热误差模型等。天津大学 的章青，刘又午等i v 2 - 7 4 i 在基于 v i b s 理论的机床综合误差建模、参数辨识及机床精 度补偿技术方面也己做了大量深入广泛的研究工作，如图l - 6 所示。张志飞等进 一步基于m b s 误差建模理论，采用双频激光干涉仪等测量手段对三轴加工中心 热特性做了细致的研究和分析，进行了试验检测和补偿并从理论上分析了五轴 加工中心的误差检测与补偿思路。 奎堡奎茎篁圭兰堡篁兰 ( a ) 机床热补偿加工试验( b ) 热误差补偿对比试验 图i - 6 热误差检测与补偿试验 由上述热误差的相关研究均可以看出机床热误差检测的特征是耗时长，且 不易掌握其规律性。传统检测方法无论是试验操作还是数据分析，均耗时耗力， 对热源更加复杂的现代高速加工中心，热误差的分析与检铡无疑难度更大。 目前，高速或精密机床为了保证精度和性能采取的控制热误差的主要措施 有；一，机床结构设计阶段改进机床结构和材料一般设计机床时要求结构和 热源分布对称这样可以把对称方向上的热倾斜减小到最低程度，比如龙门式对 称式床身布局不仅可以提高刚性，有效利用空间，最主要的该结构的对称特点 有利于降低热变形对加工精度的影响。此外，某些厂家把主要热源从机床本体中 分离出去，并完善部件结构，以达到减小热源强度的目的。采用特殊材料如天然 或人造花岗石做床身等也可有效改善机床热态特性。主轴轴承等关键部件一般采 用特殊材料，如电主轴采用陶瓷滚珠球轴承，一方面提高刚度耐磨性、另一方面 陶瓷材料导热系数很小，热态性能好，可延长使用寿命。 二，采用冷却设各，控制温升。多采用冷却设备：如水冷、油冷等装置控制 主轴温升。例如，润滑油循环冷却系统包括循环管道和冷冻机，如果从主轴返回 部分返回的润滑油温度超过规定值，则冷冻机启动，将润滑油强青4 冷却。该方法 可以有效控制主轴轴承温升，缩短主轴达到热平衡时问，平衡主轴，立拄和床身 的温度。另外，还有研究利用人工热源，促使机床迅速达到热平衡，以减少加工 过程中温度场变化，从而达到稳定熟态加工精度的目的。 以上措施，只能在一定程度上控制热误差对机床加工精度的影响，但不能完 全消除。通过建立机床热误差模型，并采用有效手段检测影响加工精度的主要热 误差项，成为提高现代高速精密加工中心加工精度的非常必要的工作。 耋三茎堑鎏 12 3 高速电主轴热态特性研究 高速电主轴是高速加工中心的核心部件。高速主轴多采用电机和主轴一体化 设计的高速电主轴或复含式电主轴。高速电主轴单元主要包括电主轴、轴承、内 装式电机和刀具夹持装置四个部分。轴承是电主轴关键部件，它决定了电主轴的 寿命和负载容量，现多采用混合球轴承、磁浮、气浮和液体静压轴承等。电主轴 结构紧凑，散热条件差，因此一般通过冷却系统的强制冷却效果实现主轴的温升 控制，一般认为在控制温升范围内主轴的熟伸长以及热漂移对加工精度的影响可 忽略，实际上，高速切削过程中主轴的热伸长以及工件热变形是造成加工面凹陷 的主要原因陋”】。 电主轴单元各零件的刚度和精度都比较高，通常可以达到微米级，刚度一般 为1 0 0 3 0 0 k n m m ，因此电主轴各零件自身的几何精度误差和切削力引起的载荷 误差很小。然而，高速运转时，轴承发热量很大导致轴承温升很高，并引起热 变形。热变形直接改变轴承预紧状况，影响轴承的刚度特性和加工精度，严重时， 甚至导致轴承热咬台，使电主轴损坏。c h 舶i ”1 研制一种可调节轴承预紧力的装 置，可与预紧弹簧并联安装，用于缓解热变形对轴承预紧的影响，如图1 7 所示。 电主轴中电机的损耗发热和轴承的摩擦发热是不可避免的，因此引起的热变形若 处理不当，会严重降低机床加工精度。因此，电主轴的热态特性成为影响加工精 度的一个主要因素，并直接限制电主轴转速的提高。 图1 7 电主轴角接触球轴承预紧力自动调节装置 通过大量的实 验研究和对比一 般采用陶瓷球轴承 代替钢轴承来提高 和改善高速电主轴 的热态特性，冷却 方式上采用油雾润 滑或油气润滑代替 脂润滑，这样可以 更充分的发挥陶瓷 轴承的高速性能。 随着新技术的应 用，需要研究相应 的适用于新电主轴结构的机床热误差理论模型。c h e n i ”为基于线形回归理论 天津大学博士学位论文 的针对传统主轴系统的热态模型己不适应电主轴热误差变化规律，温度变化与主 轴热变形间存在大量的非线性因素 8 0 , 8 1 1 ，因此该学者在分析高速电主轴冷却系统 作用、电动机内部空隙热场、运动联结件热变形等影响电主轴热稳定性元素的基 础上提出了一种基于主轴端热漂移量的热误差模型，该模型的准确性和鲁棒性优 于传统基于温度变化的热误差模型。国内广东工业大学张柏霖 8 2 , 8 3 1 教授在分析高 速电主轴内装式电机损耗和轴承摩擦发热的基传上，研究油一水热交换冷却系统 和油一气润滑系统的散热特性，并在此基础上建立了高速电主轴温度场的有限元 分析模型。 a 1 b 1 a 1 亡二卜- x a 2 图1 - 8 主轴综合热误差检测方法 我国机械行业标准规定机床主轴的温升和热变形检测试验方法为【8 4 】：在主轴 轴承处及主轴箱体，电机壳和液压油箱中布温度测点，用热电偶采集温度变化数 据；用检验棒( 或悬臂试件，精密球) 测量主轴锥孔轴线的综合热位移，在检验棒 不同位置布置五个位移传感器( c 位置测主轴轴向伸长量，a 、b 位置分别布置两 个位移传感器a i 、a 2 、b 1 、b 2 ，测主轴径向偏移，并利用a b 间距离l 计算轴 线偏移角度) ，采用非接触式测量方法检测热位移数据，试验仪器及安装位置示 意图如图1 8 所示。测试时要求主轴连续运转，每隔1 5 m i n 测量一次，最后用被 测部位温度值绘成时间一温升曲线图，以连续运转1 8 0 m i n 的温升值及热变形值 作为考核数据。本文将参考这一标准，设置基于球杆仪的电主轴热漂移误差检测 方案。 1 2 4 直线电机驱动热误差检测 直线电机驱动技术是实现高速加工的另一项关键技术。德国r 6 d e r s 公司的 r x p 5 0 0 d s i p 8 0 0 d s 型高速铣床和德吉马公司的d m c 7 5 vl i n e a r 型高速加工中 心( 其轴加速度达2 9 和快速行程速度达9 0 m m i n ) 。由于这种直线驱动免去了将 回转运动转换为直线运动的传动元件，从而可显著提高轴的动态性能、移动速度 y口： 第一章绪论 和加工精度。直线驱动电机一般配合高精度直线导轨应用于机床三直线轴驱动 通过光栅定位使加工中心实现全闭环控制。由于取消了伺服电机、滚珠丝杠等传 统的传动环节，直线电机驱动具有定位精度高，动态响应快等优势。由于直线电 机需要封闭磁场，且结构紧凑，因此其散热问题成为其应用的技术关键。其主要 误差为安装定位误差、直线电机的边缘效应误差阱及热误差。 直线电机直接驱动由于减少了 中间传动环节，因此比传统的滚珠 丝杠伺服传动系统更易获得高速和 高加速度且精度更高。但是发热 问题是高速驱动的技术瓶颈，直线 电机自身产生的热量会对床身结构 产生影响，且直线导轨的滚动体由 于高速运转也会摩擦产生大量热， 从而影响直线导轨精度。目前大量 的热误差研究还是针对传统滚珠丝 杠传动系统，少数文献研究了直线 电机自身的热态特性，但对直线电 机驱动笈热对机床结构的影响的研 究还未见深入。韩国j o n g j i nk i m f 8 尝试应用有限元法配合实验测量， 分析装配有直线电机的高速机床热 态特性，包括床身整体结构热变形、 直线电机、直线导轨热伸长以及热 变形对光栅反馈的影响，如图】- 9 图1 - 9 直线电机驱动系统热误差检测试验 所示。本文将对装配有直线电机及电主轴的高速加工中心的整体热态性能以及直 线导轨热误差作更深入的研究。 1 25 球杆仪的应用现状 球杆仪是】9 8 2 年由美国人发明的，其测量原理源自机床的圆度及圆柱度测 量方法m 4 1 。后来参照国际i s o 标准于1 9 8 8 年制定的数控机床定位精度测量方 法标准以及】9 9 0 年该标准在“无负荷精加工条件下的机床几何学精度测量方 法”修订版中追加的关于“圆度和圆柱度的钡i 量方法”，球杆仪的配套分析软件 天津大学博士学位论文 的功能进一步得到完善。目前，球杆仪的硬件方面，是英国r e n i s h a w 公司的 产品最精巧，其分辨辜可达到0l g m ；软件方面，则是日本京都大学的研究较为 深入。 球杆仪产品面世之初由于其测量原理也是利用两轴联动进行圆弧插补来反 映机床两轴间的几何误差元素及控制系统的误差元素因此很多学者将其与光栅 测量法进行对比，比如p l a c i d1 4 ”等人提到应用球杆仪法和光栅法对数控系统的 伺服误差进行检测，对比测量结果，证明球杆仪法数据准确，且操作更为简捷。 韩国shy a n g i ”等人所作的研究工作就是关于如何利用球杆仪的检测原理分离 立式三轴数控机床的2 l 项几何误差元素，证明用球杆仪法可咀在十几分钟时问 内测得所需的两轴间的位置误差和角度误差。 球杆仪检测方法的优势在于：球杆仪可以检测机床的动态性能，其圆轨迹测 量曲线几乎可以反映机床中的所有误差项，且测量精度较高，操作简便快速。因 此近年来，国内外学者不断尝试拓展其应用范围，尤其对于复杂机构的空间定位 精度的检测，球杆仪的安装定位的灵活性和数据采集的简单快捷性得到了很好的 发挥i s 9 - i 。其中日本京都大学对其软件的研究尤为深入。例如y u k i ot a k e d a “ 提出了基于球杆仪检测原理的5 - d o f 和6 - d o f 并联机构精度检测的路径优化理 论，如图1 2 ( b 1 所示，常规精度检测仪器不适用于并联机构特殊位姿精度的检测， 因此很多学者将球杆仪配合激光干涉仪使用，对并联机构进行精度检测和标定： 韩国学者h e u lj a ep a h k 1 也应用球杆仪原理建立了三坐标期0 量机的空间误差模 型，并通过补偿实验验证了其模型的有效性。 ( a ) 试验现场( b ) 工作空间圆弧轨迹设计 图1 1 0 转动轴复合误差检测试验 在国内，台湾wtl e i i ”等应用球杆仪在分析摇篮式五轴机床两转动轴联 动下工作台工作空间的基础上，设计球杆仪运行轨迹，对转动轴复合误差进行榆 第一蕈绪论 测分离( 图1 - 1 0 ( a ) ( b ) ) ，进一步对伺服系统误差进行仿真模拟，得到球杆仅检测模 式下各误差表现形式，并应用p r o b e b a l l - b a r 检测五轴混联机床的运动误差并进行 空间圆弧轨迹预4 试，如图1 1 i ( a ) ( b ) 所示，安装球杆仪后，整个加工空间形成一 个团台的运动传递链。通过这个检钡嫩器可以测出全部位置误差，进而评价该五 轴机床的加工精度，详细分析了对加工精度影响最大的6 个几何误差量的检测和 消除方法。天津大学李亚、洪震宇、华中科技大学张虎等均针对不同机床结构， 提出 ( a 1 试验现场( b 】空间圆弧轨迹设计 图1 1i 球杆仪特殊运行轨迹设计 作为种新型的机床性能测量仪器，球杆仪也有自身的局限性。由于球杆仪 的测量原理为，利用机床的两轴联动做圆弧插补，通过分析圆弧的半径变化和弧 线的轨迹特征来判断机床的误差元素。因此，球杆仪的分析软件只适用于两轴联 动的平面圆轨迹测试结果，对于更复杂的机床结构，如现在使用越来越多的四轴、 五轴混联机床，以及多自由度的并联机床，若要使用球杆仪进行相关性能检测， 则需要进行复杂的数学建模，以便能够从球杆仪的测量结果中成功地分离出所需 的数据。 除此之外，球杆仅的传感器只能测出轴向的杆长变化，若想得到空间三维的 变化量，则需要通过特别的实验设计方案来实现，为了改善球杆仪这一测量缺陷， 有些学者用一个三维的探测球代替球杆仪非固定端的精密小球猷获得空间三维 数值。由于球杆仪系统非常精密。为了保证精度。杆长就不可能太长，因此不适 用于检测大型机床，针对这一点，r y o s h uf u r u t a n i l 9 5 1 等人仿照双球杆仪研制了双 环仪( d r s ) ，用两个金属圆环代替球杆仪的精密球，用金属线代替精密球杆，相 对于球杆仪，虽然其测量精度有所降低，但是非常适用于大型机床的圆周轨迹测 试 。另有学者ghjf l o r u s s e n f ”i 自行开发可伸缩式球杆仪将球杆仪测量杆开 1 2 天津大学博士学位论文 发为可伸缩式，扩大其测量范围，并且为了改善其安装灵活性，配套开发了姿势 调整仪器，与球杆仪配套使用，可灵活方便的用于各种结构的机床误差检测，如 图1 1 2 所示。 图】1 2 伸缩式球杆仪与姿态调整仪 13 回顾总结与课题提出 综上所述，对传统机构的热误差的检测与建模多采用热电偶采集温度数据， 电容式位移传感器检测热漂移数据，应用回归分析理论或神经阿络理论建立基于 温度变化的热误差模型，热漂移误差的检测方式和温度关键点的选取是该方法的 难点；电主轴和轴承系统与直线电机驱动直线导轨系统发热会对自身性能及其相 邻机构有影响，为了保证机床加工精度必须对其热态性能进行分析，国内外对 电主轴和直线电机的热态性能研究多集中在系统内部散热与关键零部件如轴承 的热态性能的研究，对其相邻机构的热变形研究较少，如直线导轨受床身变形引 起的热误差等研究课题还未见深入。 因此在机床综合误差检测科研领域，理论上缺少通用的误差检测模型：检测 工具上由于应用各种位移传感器检测主轴热漂移误差难度较大，因此需要一种快 捷准确高效的检测工具和方法：对于装配高速部件如电主轴、直线电机的高端机 床的整体热态特性分析还不够深入；因此，本文提出选用球杆仪对机床综合性能 进行检测，在基于国内外球杆仪的大量研究工作的基础上，对机床整体加工精度 第一章绪论 进行分析，包括综合误差建模与有限元热分析，并设计多个球杆仪检测模式达到 误差检测分离的目的。 1 4 本文主要研究内容 本文在总结现有热误差建模及检测方法的研究成果基础上，立足我国高端加 工中心研发现状，紧密结合国家自然科学基金资助项目，以快速检测五轴高速加 工中心热误差为目的，以综合误差建模理论，有限元分析方法，球杆仪检测原理 为工具，深入研究装配有电主轴，直线电机及转矩电机的现代高速加工中心的热 态性能。全文主要内容编排如下： 第一章阐述课题的研究背景和意义，综述国内外相关领域研究概况和相关 内容，并提出主要研究内容。 第二章球杆仪检测的理论基础。主要包括基于齐次坐标变换法的综合误差 建模，球杆仪检测法的几何及热误差分离原理，以及球杆仪球座安装误差的分离 方法。 第三章加工中心热态性能的有限元分析。采用a n s y s 商用软件的热分析模 块对电主轴，直线电机，直线导轨等关键部件的温度场及热变形模态进行分析， 得到电主轴在不同支撑方式下可能的变形模态，以及直线电机驱动系统热源作用 下，机床与导轨的变形模态特点。 第四章球杆仪检测模式及仿真结果。针对不同的误差元素设计不同的检测 方案，利用误差敏感方向简化分析与计算，对各球杆仪检测模式下的误差表现形 式进行轨迹仿真。 第五章球杆仪检测试验及结果分析。详述试验台的搭建、试验步骤以及数 据处理方法，最后将误差元素的测量结果进行分析处理。 第六章全文总结，并提出工作展望。 各章均以引言开始，简要介绍研究内容和目的，并以小结结尾，归纳该章所 得结论。 天津大学博士学位论文 2 1 引言 第二章综合误差检测模型的建立 三轴机床共有2 l 项几何误差，包括线位移误差和角位移误差，五轴加工中 心在三轴的基础上增加两个转动轴，相应几何误差总量增加至3 8 项【8 引。加工过 程中，所有误差元素均会通过各轴的运动传递反映到刀具末端与工件末端，因此， 通过测量刀具与工件加工表面间