（机械电子工程专业论文）具有丝杠热误差补偿功能的在线检测软件的开发.pdf

中文摘要 数控机床的定位精度是反映机床性能的一项重要指标，是影响丁件加工精 度的重要因素。由丝杠和螺母相对运动产生的热伸长严重影响定位精度，由于 机床d h 工时工况多变，其丝杠的热变形状况不甚一致。本文结合丝杠热变形特 点，采用r b f 神经网络方法建立了丝杠热误差模型，辨识丝杠的热变形误差参 数，利用多体系统理论建立具有丝杠热误差计算及补偿功能的通用模型。在 w i n d o w s2 0 0 0 平台上运用v i s u a lb a s jc6 0 和a c c e s s 数据库开发了相应的在 线检测和补偿软件。本文的主要工作概括为如下几个方面： 一、系统地论述了进给速度、预紧力、加j ：状况以及轴承固定形式等对丝杠热 变形的影响。 二、以多体系统理论( m b s ) 为基础，建立了包含测头误差、机床几何误差、丝 杠和主轴热误差的综合误差补偿模型。 三、介绍了神经网络的理论以及r b f 网络的结构和算法，利用r b f 神经网络方 法建立了丝杠的热误差参数辨识模型。 四、开发了计及丝杠热变形的加工巾心在线检测软件；软件共有6 个功能模块 组成，重点开发了丝杠热误差补偿模块。 五、在x h f a 2 4 2 0 大型仿形定梁龙门加工中心和m a k n i o 立式加工中心一卜，对模 型和软件进行了实验验证。实验证明由r b f 建立的辨识模型学习速度快， 逼近精度高，尤其适合处理变化规律复杂的系统。通过标准试件的检测及 补偿实验表明：进行误差补偿厉精度有较大的提高，综合精度平均提高r 7 4 6 ，验证了本文提出的误差补偿方法的可行性和有效性。 关键词：多体理论误差补偿神经网络参数辨识 a b s t r a c t t h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yi sa ni m p o r t a n ti n d e xi nn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n e a n daf a c t o ra f f e c t i n gm a c h i n i n ga c c u r a c yi tc a nb ei n f l u e n c e db yt h e r m a le x p a n s i o n r e s u l t i n gf r o mt h er e l a t i v em o v e m e n tb e t w e e ns c r e wa n dn u n ，b e c a u s eo fv a r i o u s m a c h i n i n gc o n d i t i o n s ，t h et h e r m a le x p a n s i o no fs c r e wi sv e r yc o m p l e xc o m b i n e d w i t ht h ef e a t u r eo fs c r e we x p a n s i o n ，t h et h e r m a le r r o rm o d e lh a sb e e nm a d eb y a d a p t i n g an e u r a ln e t w o r km e t h o d b a s e do nw i n d o w s2 0 0 0o p e r a t i n gs y s t e m ，t h e s o f t w a r eo ft h e r m a le r r o rc o m p e n s a t i o nt e c h n i q u e sc o n s i d e r i n gt h et h e r m a le r r o ro f s c r e wh a sb e e nd e v e l o p e di nt h ep r e s e n c eo fv i s u a lb a s i c6 0a n da c c e s st h em a i n c o n t e n t so ft h et h e s i sa g ea sf o i l o w s ： ( i ) d i s c u s s i n gt h ei n f l u e n c eb yf e e dr a t e 、p r e l o a d 、m a c h i n i n gc o n d i t i o n sa n db e a r i n g m o u n t i n gt o m li nt h e r m a le x p a n s i o no fs c r e w ( 2 ) b a s e do nt h et h e o r yo fm b s ，p r e s e n t i n gt h ec o m p r e h e n s i v ee r r o r sm o d e l c o n s i s t i n go fo f f s e tp r o b ee r r o r s 、g e o m e t r i ce r r o r s 、s c r e wt h e r m a le r r o ra n d s p i n d l ee r r o r ( 3 ) i n t r o d u c i n gt h et h e o r yo fan e u r a ln e t w o r ka n ds t r u c t u r ea n da l g o r i t h mo fr b f n e t w o r k e s t a b l i s h i n gt h ep a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o nm o d e lo fs c r e wa c c o r d i n gt o r b fm e t h o d ( 4 ) d e v e l o p i n gt h et h e r m a le r r o rc o m p e n s a t i o nm o d u l eo fs c r e wa n ds t a t i n gt h e c a l c u l a t i o nm e t h o do ft h es o f t w a r e ( 5 ) d e n t i f y i n gt h et h e r m a le r r o rp a r a m e t e ro fs c r e wi n x h f a 2 4 2 0m a c h i n i n g c e n t e r ，i th a sb e e np r o v e dr b fn e t w o r kh a v i n gt h er a p i dl e a m i n gr a t ea n dh i g h a p p r o x i m a t i o na c c u r a c y a tt h es a l n et i m e ，as e r i e so fe x p e r i m e n t sh a v eb e e n p e r f o r m e di nm a k n i om a c h i n i n gc e n t e r i th a sb e e np r o v e dt h a tt h ea c c u r a c yo f l t h em a c h i n ei m p r o v i n gb y7 4 6 a f t e re r r o r sc o m p e n s a t i o n t h er e s u l t sv e r i f y t h ee f f e c t i v e n e s so f t h em e t h o d k e yw o r d s ：m u l t i b o d ys y s t e m e r r o rc o m p e n s a t i o nan e u r a ln e t w o r k p a r a m e t e ri d e n t i f i e a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位沦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，也不包含为获得叁盎盘堂或其他教育机构的学位或证 辟而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文巾 作了明确的、醴明并表示了谢意。 学位论文作者签名：岳红新签字同期：o f 年月2 ，f t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解吞盗盘生有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘茔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晓明) 学位论文作者签名：芸至工新 签字同期：o y 年 月1r 黝繇幸音 签字日期：d f 年f 月o j 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题提出的目的和意义 进入2 l 世纪，按照新型工j 化的道路，数控机床及各类机电一体化自动机 械正向高精度、高速度、高可靠性以及智能化、数字化、绿色环保方向发展。 精密和超精密加工技术已经成为现代机械制造中最重要的组成部分和发展方 向，并成为提高国际竞争能力的关键技术。机床的热变形、运动误差及载荷误 差已成为影响系统测量精度的关键冈索。随着制造业的发展，机床主轴转速、 伺服进给速度和加工精度不断提高，热变形问题变得更加突出。各种不同类型 的机床，热变形误差约占总误差的3 0 5 0 。机床热变形是各个部件相互作 用的结果，它们之间的关系很复杂。各主要大件的热变形表现为：主轴的热膨 胀，主轴箱的热变形，x 、y 、z 轴滚珠丝扛的热伸长，立柱的后倾等1 2 1 。在机床 系统中，滚珠丝杠的热变形直接产生系统的位置误差。由于丝杠高速旋转，热 变形变的更加严重甚至有时在机床热变形中占主导地位【3 。因此为了进一步提 高机床精度，有必要对丝杠的热变形误差进行研究。 滚珠丝杠副作为高效、精密传动部件在数控机床和加工中心等各种自 动化设备上得到广泛应用，随着整机性能的不断提高，对滚珠丝杠的精度 和性能要求也随之提高。由丝杠和螺母相对运动产生的热伸长严重影响定位精 度，由于机床加工时工况多变，即使是加工条件相同，由于工件安装位置的变 化，其丝杠的热变形状况也不甚一致。对丝杠的热变形补偿，主要通过以下措 施来减少其影响川： 采用光栅反馈的全闭环伺服系统。列于半闭环机床，可采用r e n i s h a w 公 司开发的激光反馈实时补偿系统。 在伺服动态持性许可下，对丝杠进行适当预紧。 改善丝杠螺母副的冷却系统。 预补偿法。在机床定位误差中，预补偿一定的值以抵消热变形的误差。 其中，误差补偿法是人为地造出一种新的误差去抵消当前成为问题的误差， 是一种既有效又经济的提高机床加工精度的方法，其工程意义是非常显著的。 在满足一定精度的要求下，若采用误差补偿技术，则可以降低仪器和没备制造 的成本，具有非常显著的经济效益。因而误差补偿技术以其强大的技术生命力 迅速被各国学者、专家所认识，并使之得以迅速发展和推广。 丝杠的热变形补偿是提高数控机床精度的一个重要方面，本课题采用r b f 第章绪论 神经网络方法建立丝杠的热变形模型，并r 发具有丝杠热误差补偿功能的加 _ 中心在线检测软件，通过补偿机床儿何误差，丝杠、主轴热误差和测头系统 误差，提高加工中心在线检测精度。 1 2 国内外研究动态 在超精密机械加工巾，高速度、高分辨率和长行程的精密定位系统变的很 重要，高速反馈系统已成为机床工业发展的一个趋势。高速反馈系统能够减少 必要的非加工时间。然而由于丝杠和螺母问的间隙和摩擦，反馈系统具有高精 密度是非常困难的。 如今大量的研究工作集中在机床整体的热误差补偿e 。由于机床构造上温 度变化的不规则性使得热误差对时州并不是线性的过程。在热源区域的互相接 触，使得强度、热膨胀系数和机床系统的构造产生复杂的热行为。但是对于丝 杠进给系统的热变形进行的研究很少。 1 2 1 加工中心整机热误差补偿技术研究概述 在国外，进行机床热误差补偿技术研究比较有影响的有美国的密西根大学、 国家标准和技术所刚a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ) 、辛辛那提大 学，日本的东京大学、同立精机、大阪工业机床，德国的阿亨大学、柏林工q k 大学等。其中，美国的密西根大学在1 9 9 7 年成功的将热误差补偿技术实施于美 国通用( g m ) 公司下属的一家离合器制造厂的1 0 0 多台车削加工中心上，使加工 精度提高一倍以上【4 】【5 l 。美国密西根人学与美国s m s 公司( s a g i n a wm a c h i n e s y s t e mi n c ) 在1 9 9 6 年共同研制和开发了集热误差、几何误差和载荷误差为一体 的误差补偿系统，并成功地实施于该公司7 产的双主轴数控车床上【“。密西根 大学的s y a n g 等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【7 1 。美国密西根大学这儿年还为美国波音飞机制造公司的一些加工设备实 施了误差补偿技术其中一例是对加工波音飞机机翼的巨大龙门加工中心( x 、 y 和z 轴的移动距离分别为4 5 、l o 和4 英尺) 进行几何和热误差综合补偿，将 加工精度提高了1 0 倍。美国国家标准和技术所( n i s t ) 是研究机床误差补偿技术 的先驱者之一，其成功地把几何和热误差的综合补偿技术应用于生产实际。近 几年来，n i s t 致力于适应性误差修难控制研究，即通过在一定时间段检测工件， 然后反馈误差数据来精确调整误差补偿模型【8 l 。近年来，日本学者提出了“热 刚度”的概念，确立了热变形研究理论向控制机床热变形的c a d 和c a m 方向 发展，并取得了一定效果。f i 本大阪工机公司( o k k ) 的t d c - - f u u z y 主轴热误 差补偿控制器利用模糊控制理论控制t 轴的热误差。日本东京大学根掘智能制 造新概念已丌发了由热作动力主动补偿综合误差的新方法，并在加工中心上予 以实现一j 。韩国的s k k i m 等运用有限元方法建立了机床滚珠丝杠系统的温 度场i 1 0 1 。德国柏林工、i k 大学借助有限元计算机床部件及整机的温度场及变彤场 u i l 。 在国内，天津大学的刘又午、章苛、张志飞等人应用多体理论建立了热误 差补偿模型，并在m a k 州o 加工中心上取得的较好的补偿效果【l ”。天津大学的 基于主轴转速的机床热误差状态方稃模型”、数控机床的位置误差补偿模型的 建立、三坐标测量机动态误差建模和补偿、采用模糊聚类分析法进行温度 测点的选择【i6 】等研究成果在加工中心误差补偿技术和应用的研究中具有定的 影响。浙江大学对机床误差补偿特别是热变形研究的比较早和深入，获得了较 多的成果，特别是提出了热敏感点理论7 1 ，为在机床上温度测点的选取和热误 差模型的建立提供了依据。浙江大学还提出了机床热误差f u z z y 前馈补偿控制 策略f l8 1 ，根据热误差变化规律的模糊、非线性特性，采用f u z z y 集理论设计前 镄补偿控制器，仿真研究表明该补偿 卒制策略可取得令人满意的结果。近年来， 浙江大学又进行了人工智能在机床加工误差补偿中的应用研究，何富春等针对 精密机械用人工神经网络和时间序列中的c a r m a 法建立了热误差模型，j f 进 行了仿真实验f 3 2 i 。北京机床研究所研制了智能补偿功能板，并通过总线结构将 补偿功能板直接插入f a n u c 6 m e 数控系统扩充槽，实现机床热误差、运动误 差和承载变形误差的自动补偿【1 9 1 。这几年北京机床研究所对数控机床误差的综 合动态补偿技术进行着深入的研究【2 0 i 。华中科技大学对机床热变形的主动补偿 研究具有特色，并提出了一种基于神经网络辨识影响机床热误差关键点的新方 法1 2 1 l 2 2 】。西安交通大学研制了机床热特性研究的智能集成系统【2 3 】。哈尔滨 ：业 大学致力于精密测量中的误差补偿技术【2 4 j 。台湾的国立台湾大学和台中精机公 司合作进行了“高精度工具机热变形补偿控制技术”的研究和r 发，所获得的 成果主要有：误差补偿单板电脑系统模组化、温度传感器最佳放嚣点研究、误 差补偿单板电脑系统验证、现场快速误差检测系统等，使其研制的立式工具机 的加工精度从5 0 u m 以上降低到1 0 u m 以下。 1 2 2 丝杠热误差补偿技术研究概述 高速驱动系统通过摩擦在接触区域( 如丝杠和螺母问) 产生大量的热量， 因此导致丝杠的热变形误差从而影响加工精度。所以在高速和高精度机床系统 中，丝杠的热变形误差是必须要考虑的一项重要误差。大多数数控系统都刈以 差补偿控制器利用模糊控制理论控相j 主轴的热误差。日本东京大学根据智能制 造新概念已开发了由热作动力主动补偿综台误差的新乃法，并在加工中心上予 以实现h 。韩国的s k k i m 等运用有限元方法建立了机床滚珠丝礼系统的温 度场”。德国柏林工、i 幻学借助有限元计算机床部件及整机的温度场及变彤场 叫。， 在国内，天津大学的刘又午、章青、张志飞等人应用多体理沦建立了热误 差补偿模型，并在m a k i n o 加工中心上取得的较好的补偿效果“。天津人学的 基于主轴转速的机床热误差状态方程模型 】”、数控机床的位置误差补偿模型的 建立【1 4 l 、三坐标测量机动态误差建模和补偿【i 1 、采用模糊聚类分析法进行温度 测点的选择l i “等研究成果在加工中心误差补偿技术和应用的研究巾具有定的 影响。浙江大学对机床误差补偿特别是热变形研究的比较早和深入，获得了较 多的成果，特别是提出r 热敏感点理论【1 “，为在机床上温度测点的选取和热瀑 差模型的建立提供了依据。浙江大学还提出了机床热误差f u z z y 前馈补偿控制 策略i l ”，根据热误差变化规律的模糊、非线件特性，采用f u z z y 集理论设计酣 馈补偿控制器，仿真研究表明该补偿控制策略可取得令人满意的结果。近年来， 浙江大学又进行了人工智能在机床加工误差补偿中的应用研究，何富春等针对 精密机械用人工神经网络和时问序列中的c a r m a 法建立了热误差模型，并进 行了仿真实验 “。北京机床研究所研制了省能补偿功能板，并通过总线结构将 补偿功能板直接插入f a n u c 6 m e 数控系统扩充槽，实现机床热误差、运动误 差和承载变形误差的自动补偿【1 9 1 。这几年北京机床研究所对数控机床误差的综 合动态补偿技术进行着深入的研究口o i 。华中科技大学对机床热变形的丰动补偿 研究具有特色，并提出了一种基于神经网络辨识影响机床热误差关键点的新方 法2 1 m 】。西安交通大学研制了机床热特件研究的智能集成系统1 2 ”。哈尔滨工业 大学致力于精密测量中的误差补偿技术【2 4 】。台湾的国立台湾大学和台中精机公 司合作进行了“高精度工具机热变形补偿控制技术”的研究和开发，所获得的 成果主要有：误差补偿单板电脑系统模纽化、温度传瓣器嚣佳放置点研究、误 差补偿单板电脑系统验证、现场快速误差检测系统等，使其研制的立式t 具机 的加工精度从5 0 m 以上降低到1 0 u r n 以下。 1 2 2 丝杠热误差补偿技术研究概述 高速驱动系统通过摩擦在接触区域( 如丝杠和螺母间) 产生大量的热量， 因此导致丝枉的热变形误差从而影响加工精度。所| 三i 在高速和高精度机床系统 中，丝杠的热变形误差是必须要考虑的一项重要误差。大多数数控系统都刊以 中，丝杠的热变形误差是必须要考虑的一项重要误差。大多数数控系统都刊以 笫章绪论 对螺距误差和背隙进行补偿。不过，为r 确定补偿值，必须使用外部测量元件， 如激光干涉仪或双坐标光栅进行复杂的测量。另外，从长期来看，背隙会随时 间变化，因此必须经常通过重新测量来获得新的补偿值。 对于丝杠的热变形误差进行软件补偿的研究很少。h u a n g 用多元线性凹! j _ | 对半闭环机床的滚珠丝杠进行热误差建模。用丝杠前后支撑轴承和螺母- 个点 的温度及它们的平方项和交叉项预测不同转速下的热误差【3 i 。k i m 等运用有限 元方法分析丝杠系统的温度分布情况，由于摩擦产生的热量被认为是丝杠变形 的主要热源，热量主要是由预紧、螺母的润滑和装配状况决定的。y u n 等用集 中电容方法和创造教育算法分析丝杠系统的线性定位误差。 在国内，宋洪涛等对丝杠糜削过程中磨削热的热源强度进行了分析与计算， 解出了丝杠内部温度场的计算方法，对丝杠的热变形规律进行了分析，通过一 个计算实例，对丝杠磨削过程中的一些热现象进行了总结【2 “。青岛大学的徐志 良等研究了精密丝杠磨削过程中的内部温度分布规律，采用二维热传导模型和 简化的一维模型求解了精密长丝杠的内部温度场分布规律，为精密丝杠磨削过 程中热变形误差的补偿提供了依据。合肥工业大学的苗恩铭等分析了热变形和 残余应力对精密丝杠加工误差的影响，建立了精密丝杠温度分布和热变形数学 模型，提出了基于能量守恒定律、采用平均线膨胀系数的丝杠热变形简化计算 方法，分析了磨削残余应力对精密丝杠尺寸变化的长期影响及计算方法【2 6 i 。 1 2 3 神经网络技术的应用 所谓人工神经网络一a n n ( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ) 是指利用工程技术 手段模拟人脑神经网络的结构和功能的一种技术系统，它是一种大规模并行的 非线性动力学系统。神经网络模型用于模拟人脑神经元活动的过程，其中包括 对信息的加工、处理，存贮和搜索等过程，它具有如下基本特点： 神经网络具有分布式存贮信息的特点。它存贮信息的方式与传统的计算机 的思维方式是不同的，一个知识不足存在一个地方，而是分御在不同的位置。 网络的某一部分也不只存贮一个信息，它的信息是分步式存贮的。神经网络是 用大量神经元之间的联结及对各联结权值的分布来表示特定的知识。因此，这 种分布式存贮方式即使当局部网络受损时，仍具有能够恢复原来信息的优点。 神经网络对信息的处理及推理的过程具有并行的特点。每个神经元都可根 据接收到的信息作独立的运算刺处理，然后将结果传输出去，这种权值可以事 先定出，也可以为适应周围环境而不断地变化，这种过程称为神经元的学习过 程。神经网络所具有的自学习过程模拟了人的形象思维方法，这是与传统符号 第一章绪 论 逻辑完全刁i 同的一种非逻辑非语言的方法。 总之，神经网络是以对信息的分枷式存贮和并行处理为基础，它具有臼组 织、自学习的功能，在许多方而更接近人剥信息的处理方法，它具有模拟人的 形象思维的能力，反映了人脑功能的若干基本特性，但它并不是人脑的逼真描 述，7 而只是它的某种抽象、简化和模拟。 研究表明丝杠进给系统是一个复杂的热态系统，影响的因素很多，如加工 条件、加工周期、冷却液的使用，以及周围环境等1 ，而且热误差呈现非线性及 交互作用【2 7 l f 2 8 】f 2 9 l 。本文提出了一种基于径向基函数神经网络的热误差模型，它 使模型的鲁棒性进一步提高，不但精密度高而且适应性强，长期有效。 1 3 该研究领域目前存在的主要问题 目前，对于丝杠的热变形补偿及力工中心在线检测技术存在的主要问题是： 1 目前对丝杠的热变形误差的测量比较困难。与c m m 相比，加工中心测量 环境复杂，误差影响因素多，难以获得满意的测量精度。 2 过长的特性检测和辨识时间。由于热特性取决于诸多种因素，而且丝札热 误差呈现非线性及交互作用，因此这种检测和辨识过程需要模拟所有这些条件， 通常这要花很长时间。 3 ，目前尚无能够进行机床j l 何误差、主轴和丝杠热误差及测头系统误差多 种误差补偿的加工中心在线检测软件，还不能在计算机中直接对多种误差进行 补偿，修正测量数据。 1 4 本学位论文的主要工作 本文结合丝杠热变形特点，采用r b f 神经网络方法建立丝杠热误差参数模 型，辨识丝杠的热变形参数。在w i n d o w s2 0 0 0 平台上运用v i s u a l b a s i c6 0 和 a c c e s s 数据库开发了计及丝杠热误差补偿的加工中心在线检测软件。本论文的 主要内容为： 一、对国内外丝杠热误差补偿技术和在线检测技术的研究现状、发展动态及目 前存在的问题进行分析。 二、系统地论述了不同加工状况、进给速度和轴承固定方式等对丝杠的热变形 情况的影响。 三、以m b s 理论为基础，对在线检测系统的主要误差来源进行分析，建立计及 丝杠热变形误差的加工中心综合误差模型。 四、对神经网络系统进行概述，详细介绍r b f 神经网络的结构及算法；同时采 第一章绪论 用r b f 神经网络方法对丝杠热误差参数进行建模。 五、开发计及丝杠热误差的加r ：巾心在线检测软件并详纠说明所开发的存线检 测软件的计算步骤。 六、在x h f a 2 4 2 0 大型仿形龙f 3 加工中心上通过实测的x 、y 、z 轴丝杠的热变 形误差对模型进行验证。 七、对由m a k i n o 三坐标立式加工中心、r e n i s h a wm p 3 型测头和p i l l 计算机 组成的实验系统，对本文提出的在线检测系统进行实验验证。 筇一章关 ：丝杠热变形误筹的研究 第二章关于丝杠热变形误差的研究 在高速驱动系统中，接触区域( 如丝杠和蝶母之问) 通过摩擦产生大量的 热量，产生丝杠的热变形误差而影响机床精度。因此，在高速和高精度机床系 统中，丝杠的热变形误差是应重要考虑的内容。为了达到高精度定位，对丝杠 进行预紧是减少间隙的必要方法，丝杠的预紧能够提高接触刚度、噪音以及定 位期的精度和寿命。但预紧使得丝杠和螺母问的摩擦增火，这样更易产生大量 热量，进而导致丝杠的热变形和定位精度进一步降低，机床系统的精度也将受 到影响。由于机床加工时工况多变，即使是加工条件相同，由于工件安装位置 的变化，其丝杠的热变形状况也不甚一致。本章就不同系统丝杠的热变形，以 及不同进给速度、预紧力和加工条件等对丝杠的热变形的影响进行研究。 2 1 进给速度及预紧力对丝杠热变形的影响 对丝杠进行适当的预紧是增加定位精度的方法，然而不同的预紧力对丝杠 的热变形状况的影响也不村 同。当丝杠的旋转速度不同时，丝幸j ：的热变形状况 也不相同【3 0 1 。 2 1 1 实验方法及内容 试验系统如图2 1 ：x 轴最大移动速度为4 0 m m i n ，最大行程为8 0 0 m m 。丝 杠系统的主要热源为移动丝杠和螺母问以及和滚动轴承的摩擦产生的热量。实 验目的是通过温度传感器测量温升和激光于涉仪及电容探头测量丝枉的热溟差 来考察丝杠进给系统的热特性。 为了测量温升和丝杠系统的热变形误差，实验设置如图2 2 。用9 个测点测 量温度如图2 2 ( a ) ，其中两个温度传感器( 点l 、8 ) 放置在相应的前后轴承表 面，用于测量支撑轴承的温度变化情况。最后1 个( 点9 ) 用于测量室内温度，f = | 的在于减少环境温度对热变形的影响，这3 个温度传感器用于测量连续运动状 况下的温度变化。其余6 个( 点2 7 ) 用于测量丝杠表面的温度。由于螺母在 丝杠上连续运转，所以温度传感器不可能总是放置在丝杠的表面，因此我们采 取这样的方法：当需要测量温度时，丝杠停止运转，然后迅速在指定位置放置 传感器来测量温度；当收集完温度数据后再迅速移开传感器，丝杠继续运转。 同时用两种途径获得丝杠的热变形误差。丝杠前面驱动端因安装止推轴承而 设定为固定端，而一个电容探头垂直于后端安装在丝杠被驱动侧的附近如图 第一章哭丁丝杠热变形误差的研究 2 - 2 ( b ) ，用于记录连续运转过程中丝杠的整体变形。另外用激光干涉仪测量特定 位置丝杠的热变形分布状态。在进给系统启动前，原始的位置误差分布用激光 干涉仪( h p 5 5 2 8 a ) 首先逐步测出。然后系统启动，等运转定时问产生热量后， 系统停止丌始测量热误差，| 司时位置误差分布也由激光1 二涉仪记录下柬。此时 误差减去原始状态的误差即为丝杠的热变形误差。收集完这些数据后，机床又 丁i ：始运转。 图2 - 1 两轴加工中心 啪掣籀 图2 2 传感器及测量布置图 端 在此实验中，沿x 轴的三种进给速度( 1 0 ，1 5 ，2 0 n _ l m i n ) 和三种预紧力 ( o ，1 5 0 ，3 0 0 k g f c m ) 用于考察丝杠的热变形状况。运行中每1 0 分钟测量一次，中 间停止时间大约为1 0 s ，按此方法丝杠往复运行6 0 0 m m ，直到温度达到一个相 对稳定的状态。 2 1 2 预紧力和进给速度对丝杠热变形的影响 1 没有预紧及不同进给速度时丝卡上的热变形状况 丌始，当没有预紧而进给速度为1 0 m m i n ，丝杠的温升以及热误差如图2 3 所 示。同样可以测量当速度为1 5 r n m i n 和2 0 m m i n 时的热特性。当温度达到一个 相对稳定的状态时，其数掘如表2 1 和2 2 。从图中可以发现以下特点： ( 1 ) 进给速度越高，丝杠和螺母表面因摩擦而产生的热量就越大。同时支撑 轴承和电机间的摩擦热血随着进给速度的增加而增加。因此丝末 的温度与进给 速度问成正向关系。 ( 2 ) 丝杠中间部分的温度升的较高，而支撑轴承由于没有预紧所以没有较高 的温度升高。 ( 3 ) 旋转速度越高，丝杠的热变形越大。中间部分出于温升较大所以具有较 大的变形，但这种现象并不明显。在指定点的丝杠误差大致和此点距离电机端 的距离成比例。 第二章天t - 丝杠热变形误筹的= i ! j f 究 b ) i | 岬l u1 2 0伸i 挑 一m 时问( r a i n ) 时间i n ) 圈2 - 3 进给速度为l o m r n i n 而没有预紧时丝杠的热特性 2 预紧力为1 5 0 k g f c m ，不同进给速度时的丝杠的热变形状况 当丝杠预紧为1 5 0 k g f c m 时，进给速度为l o m m i n 时丝杠的温升和热误差如 图2 4 ；而当速度为1 5 m m i n 时，丝杠的热特性如图2 5 。从这两幅图中可以发 现以下规律： ( 1 ) 被驱动端轴承处的温度迅速达到最大值然后逐渐下降：除此之外，其余 测量点的温度在达到一个较稳定的状态前逐渐增加。 ( 2 ) 在稳定状态下，点6 ，7 和8 处由于热变形移向驱动端所以热误差为负值， 而其余点移向被驱动边。另外，点4 8 的热误差6 0 分钟后呈现逐渐降低。 ，i，- 温 度 第章笑1 1 丝杠热变形误筹的研究 这些现象和不施加预紧时有很多不同。这是因为当丝杠预紧时轴承支架 弯曲，而此时用激光干涉仪来测量的原始误差分柿已包括了两端轴承的弯曲误 差。然而当系统运行同时丝杠热伸长时，减缓了丝杠的预紧和轴承支架的弯曲， 因此驱动端的测量点更移近电 ! i l ，热误差为负；被g 区动端的测量j 量更移向自由 端，热误差为i f 。 滑动轴承用在被驱动端而止推轴承用在驱动端。由于丝杠的预紧使得被驱 动端轴承预紧增加。当进给系统运行时，被驱动端轴承由于预紧力的增加而使 温度急速上升，然而丝札的热仲长减缓了它的预紧，因此温度逐渐下降到一个 稳定状态。 3 预紧力为3 0 0 k g f c m ，不同进给速度时的丝杠的热变形状况 最后丝杠的预紧力是3 0 0 k g c m 时，丝杠的热特性图2 - 6 和2 7 。其情况和 1 5 0 k g f c m 时大致相同。测量数据如表2 1 和2 2 。 图2 - 6 预紧力为3 0 0 k g e e m ，速度为 时丝杠的热特性 图2 7 预紧力为3 0 0 k g e c m ，速度为l o m m i n 1 5 m m i n 时丝杠的热特性 通过观察不同预紧力及不同进给速度时丝杠的热变形，得出以下结论： ( 1 ) 从前端到后端丝杠的热误差逐渐增大，最大的热误差出现在丝杠的被驱 动端【自由端) ，此用激光干涉仪测量的热误差可视为整个丝杠系统的热误差。 ( 2 ) 丝杠预紧使得两个轴承处的温度增加，尤其是被驱动端轴承。 ( 3 ) 丝杠的热误差随着进给速度的增加而增加，然而施加预紧力减少了丝杠 0 第二章荚丁丝杠热变形议莠的 j 究 的热误差从而提高了进给系统的定位精度。 ( 4 ) 丝杠预紧时两个轴承支架可能弯曲。而丝杠的热变形减缓r 丝机的顶紧 以及轴承支架的弯曲，因此靠近电机端的测量点更加移向电机且误差为负，靠 近自由端的测量点更加移向凯i j 端丑误差为i 卜。 表2 - 1 稳定状态r 的不州坝紧力年进给述度时丝杠的温度分布( ) 预紧力( k g f c m )速度( m m i n ) t lt 2l3t 4t 5 t 6 t 7t 8 1 03l1 1 61 3 01 3 71 2 68 77 665 0 1 5401 4 11 6 ，21 7 41 6 3l 】19 38o 2 0571 6 82 062 i 01 8 91 2 6 1 0695 1 5 01 04 61 0 41 3 o1 3 21 178 o6 461 1 55 21 3 61 5 81 6 8 15 _ 3 1 0 9 9 29 0 3 0 0l o7 59 41 031 091 0 o7 o6 96 5 1 59 11 213 11 3 81 2 88 88 795 表2 - 2 稳定状态f 的不同预紧力和进给速度时丝杠的热误筹分布( l i m ) 预紧力( k g f c m )速度( m r n i n ) 扁端 p lp 2p 3p 4p 5p 6p 7p 8 l o1 4 91 2 71 1 19 57 86 04 2 2 51 1 0 1 52 2 11 8 11 6 11 3 91 1 79 47 14 92 1 2 02 6 62 2 72 0 7 1 7 8 15 l1 2 29 2 6 64 4 1 5 01 09 27 05 74 32 81 5o1 42 6 1 51 1 39 78 0 6 l4 02 1i1 63 2 3 0 01 06 25 24 23 01 757一1 72 7 1 57 66 45 0 3 42 06。82 13 3 2 2 加工状况对丝杠热变形误差的影响 对于多轴加工中心而言，不同的加工条件以及加工不同的工件时，丝杠的 热变形也不相同。同时，冷却液对丝杠热变形的影响也要考虑。下面就多轴 立式加工中心的丝杠的热变形情况进行研究。 2 2 1j j t m 条件和冷却液对丝杠热变形的影响 图2 8 所示为按表2 3 条件加工时的x 轴的热变形。因为电机被认为是主要 热源，所以x 轴热变形通常认为和电机处的温升具有很大的关系。但是从图2 _ 8 ， 2 - 9 和2 1 0 ，我们可以发现并不是对所有的加工条件具有同样简单的关系，这表 塑：= ! 茎! 丝垫垫变堡堡苎塑业塑 明电机并不是热变形的唯一热源。实际加工条件下，c “于增加了切削载倚、切 屑和冷却液问的摩擦，所以比空转时增加了一些热源。图2 。】1 椰2 一1 2 表明，热 误差也并不是丝杠温升的简单函数，y 琦m 具有同样的特点。然丽，z 轴的热变形 仅受加工深度和冷却液的影响。这些特点蜕明，实际加工中切屑和使崩的冷 却液积聚在工作台和床身而导致x 和y 轴较大的热变形。 热 误 差 值 ( 嗵) 温 升 时间( r a i n ) 幽2 - 8 不同加f ：条r 【：的x 轴热误芳图2 - 9 x 轴l u 机温升值 温度 幽2 - 1 0 x 轴热误筹f _ j 电机温升的关系 幽2 - 1 1x 轴丝杠的温升值 图2 1 2 x 轴热误著与丝杠温升的芙系圄2 1 3z 轴热误著值 第二章芙丁始杠热变形误斧的研究 表2 - 3 不同加i ：情况对j ! ( 表 加i ：深度( m m ) 土轴速度( r p m )丝杠转速( m n l i n h l )冷却液 低述空转o1 0 0 03 0 0 不川 高速空转 o 5 0 0 03 0 0 0 不 h 精加f 。o 5 3 0 0 02 0 0不川 粗加t5 3 0 0 0 2 0 0 州 2 2 2 加工路径对丝杠热变形的影响 因为不同方向的加工路径对丝杠的摩擦蠢i 相同，因此热误差也会有所不同， 所以我们安排了弯曲加工和块加工两种不同路径加工同样工件2 r a m ，如表2 - 4 所示。其x 轴和y 轴的热误差值如图2 1 4 ，2 1 5 所示。从图中我们可以看出丝 札的热变形误差受加工条件和冷却液的影响较大，而受加工路径的影响不大。 表2 4 不同的加l 路径对 ! l 表 误 差 值 ( u l l l ) 加，r 路径 加1 深度( r a m )士轴速度( r p m ) 丝杠转速( r a m r a i n )冷却液 沿y 轴弯曲 0 53 0 0 02 0 0 不川 沿y 轴弯曲 23 0 0 02 0 0 f j 沿x 轴弯曲 23 0 0 02 0 0 【1 | 方块加j ： 2 3 0 0 0 2 0 0 州 沿y 轴弯曲 53 0 0 0 2 0 0 玎 时间( r a i n ) 幽2 - 1 4 不同加r 路径时的x 轴热误著 y 轴 误 差 值 ( u m ) 时间( m i n ) 幽2 - 1 5 不同加，1 路径时的y 轴热误著 2 2 3 j n t 不同材料的工件时丝杠的热变形情况 如表2 5 所示，加工不同材料的工件时观察在) j f i i _ 过程中是否有另外的热源 产生。图2 1 6 所示为加工不同材料工件时x 轴丝杠的热变形情况，从图中可以 发现并没有另外的热源产生。 第一章荚丁丝$ j ：热变形j 炅筹f 向研究 求2 5 小同材质 加i ：深度( m m )主轴转速( r p m l 进给速度( m m m i n )冷却液 铝质精加i 。 o 5 3 0 0 02 0 0不h j 铝质粗加f ：53 0 0 02 0 0川 铁质精加1 -o 5 1 5 0 01 2 0 不h | 锅质粗加i ： 31 5 0 01 2 0州 时问( m i n ) 图2 。1 6x 轴丝杠热变形误筹 通过以上图形，我们发现加工中心丝杠的热变形的一些特点： 1 改善丝杠螺母副的冷却系统可以明显减少丝杠的热变形误差。 2 丝杠的热误差和电机处的温升不是简单的比例关系，且实际加工比空转时的 误差明显要大。 3 对于不同的加工路径，丝杠的热误差并无受到明显影响。 2 3 不同轴承固定方式时丝杠的热变形情况 2 3 1 单边紧固 丝杠单边紧固安装时，丝杠可以按温度分布的不同从紧固端出发自由伸氏。 进给轴的热力学零点位于丝杠紧固端轴承处。这意味着理论上只有丝杠螺母位 于紧固端轴承时才可以彻底避免丝杠的热膨胀。而除这+ 点之外的所有位嚣都 会受丝杠热膨胀的影响。 图2 1 7 为台采用直线光栅尺改造的立式加工中心的i s 0 2 3 0 3 定位测试结 果( 出厂时间：1 9 9 8 ) 。测试时x 轴方向3 个测点被连续定位共1 0 0 次，测试进 给速度为l o m m i n 。考虑到在测点采集数据所需时间，平均进给速度大约为 4 m m i n 。除了标准建议的行程两端的两个测点外，该测试还附加了第3 个位 于进程中点的测点。图2 1 7 所示的值为相对于测点初始位置的变化值。在第一 4 第二章爻j ：丝杠热变形i 吴蓐的研究 遍测试中，机床通过丝杠旋转编码器进行定位。存第二：次测试时，机床存其 他条件保持不变的情况f 通过直线光栅尺进行定位。测试所用的长度参照为海 德汉公司的一台v m l 0 1 光栅1 3 2 j 。 尽管测试时机床1 0 m m i n 的进给速度( 快移速度：2 4 m m i n ) 并非很高，远 离紧固端轴承的测点还是在4 0 m i n 内产生，超过1 1 0 u r n 的漂移。配有按固定 浮动方式安装的滚珠丝杠的加二l2 巾心按1 s 0 d i s 2 3 0 3 进行三点问往复定位测 试时所测得的位冠漂移。在采用旋转编码器滚珠丝杠进行定位时可明显看出 由于丝杠热膨胀而导致的位置漂移。采用直线光栅尺改造后的机床不再有这个 漂移。 一n 口m i n 值 o 帆 位 a 置 灌 标一t 移 ( m ) i 图2 1 8 两边紧i 郴 ，x 轴定位精度 在丝杠轴承两端紧固的情况下，热膨胀的情况要复杂得多。在理想状态下， 若丝杠轴承刚度无限大，轴承可以在丝杠的两端彻底阻止丝杠的膨胀。要达到 这个目的所需的轴向力极大。为了阻止一根4 0 m m 直径丝杠的热膨胀，轴承须 在每升温l 时额外承载2 6 k n 的轴向力。升温较大时，热膨胀产生的轴向力很 快就会超出常见轴承的允许范围。实际情况下，所渭固定轴承的刚度约为 8 0 0 n a u n 。这意味着，丝杠受热时轴承会发生明显的变化。丝杠的端点因此不 会一直保持在其初始位置。 在一台轴承两端紧固的立式加工中心。卜( 出厂时问：1 9 9 8 年) 进行了与图2 一1 6 中相同的测试。该加工中心约l m 长的被测进给轴有很高的机械刚度。丝杠两 端的轴承完全相同，并被固定于直接加工在铸件上的轴承座之中。 图2 1 8 为与理论分析相符的测试结果。丝杠的两端点不能维持其初始位置 而分别向热胀力方向移动了2 0 3 0 u m 。与图2 - 1 6 相比可知丝杠的总伸长量要 小了5 0 左右。即：轴承两端紧固可以将伸长量减半。热力学零点可被认为是在 行程的中点。这也是预料之中的，因为两端轴承刚度近似一致，而丝杠在整个 行程之中均匀升温。 第：章芙j 丝和：热变形误芹的研究 丝杠两端紧固的加丁中心按i s 0 d i s2