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、穩定性和應用范圍。近年來，高速主軸成為主軸的一個發展趨勢，然而主軸內部軸承在高速旋轉下會產生大量熱，從而導致主軸發生變形，影響加工精度。目前，國內外減小熱誤差的方法主要分為三類1、減小熱源發熱量和控制熱量傳遞，如加大冷卻液流量，改善環境溫度控制系統；2、機床結構優化設計，如采用熱對稱結構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，而優化選擇溫度測點的數量和位置又是熱誤差建模的基礎。通過中國期刊全文數據庫檢索發現，有很多文獻應用灰色系統理論、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據。為了獲得多工況下足夠的機床溫度數據，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》發表的《基于PAMC的數控車床主軸熱誤差補償系統研究》中提出利用一種基于PMAC多軸運動控制卡的軟件系統，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控機床誤差實時補償器。以上兩種方法均可實現熱誤差補償、大大降低熱誤差，但需要在系統外部增加補償硬件裝置，并且需要專業人員進行軟件編程，既增加了系統的復雜性，又增加了成本。
發明內容
本發明的目的為了克服上述現有方法的不足，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，本發明采用的技術方案是I)對待補償的精密臥式加工中心主軸進行簡化，并將簡化后的模型導入ANSYS/Workbench中；結合實際測量的主軸轉速、環境溫度、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果，提取任意節點的溫度以及主軸熱變形進行分析，即利用Spearman秩相關系數，對不同工況下主軸系統不同位置的溫升和主軸熱變形進行秩 相關分析，根據計算得到的相關系數和機床具體結構選出主軸系統熱關鍵點，相關系數計算公式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是成對數據(X，Y)的個數；3)分別在主軸系統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控系統，并運用PLC計算采集到的溫度與環境溫度的差值；利用這一數值以及主軸熱誤差，建立熱誤差模型；同時以這一數值作為熱誤差補償的觸發量，直接結合機床數控系統熱誤差補償策略實現熱誤差補償，補償方法有兩種直接將熱誤差模型嵌入數控系統中實現主軸熱誤差補償，或根據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。本發明以熱誤差補償模型為基礎，結合機床數控系統熱誤差補償策略，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剖視示意圖；圖3、圖4為圖2精密臥式加工中心主軸系統溫度測點位置示意圖；其中 表示有限元仿真提取溫度數據的節點位置，Tl-Tll為節點編號；圖5-圖7分別為主軸為轉速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合附圖對本發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機床主軸系統結構特點，通過Pro/E軟件對精密臥式加工中心主軸系統進行簡化，將簡化的實體模型導入ANSYS/Workbench分析軟件中進行網格劃分；網格劃分時根據主軸系統不同部件的結構特點選擇不同的劃分方法，如對結構規則的圓柱體、正方體選擇掃掠劃分，對結構復雜的部件選擇四面體劃分或自由劃分。結合實際情況，在ANSYS/Workbench分析軟件中對主軸系統不同部件設定不同的材料參數。另外結合實際測量的主軸轉速、環境溫度、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)，從而得到對不同轉速下主軸系統溫度場和主軸熱變形，由于設置的邊界條件是根據實測結果計算得出的，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速時主軸系統溫度場和主軸熱變形的有限元仿真分析的結果中，提取主軸不同位置節點溫度和主軸熱變形，計算主軸不同位置節點溫度與主軸熱變形間的Spearman秩相關系數。Spearman秩相關系數是一種非線性相關系數，用于描述兩個隨機變量(X、Y)間聯系的強度，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是成對數據(X，Y)的個數。依據相關系數計算結果，結合機床具體結構，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、主軸系統熱關鍵點溫度、熱誤差測試和熱誤差建模分別在主軸系統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控系統，系統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，自動對主軸在無熱源和有熱源兩種情況下的主軸系統坐標位置進行記錄，兩次坐標相減即為主軸熱誤差，避免了由于人為操作、讀數疏忽帶來的隨機誤差。根據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。最小二乘法結構簡單、應用廣泛、具有一定的精度且容易通過計算機的簡單程序實現，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控系統有不同的熱誤差補償策略，例如有的系統只允許利用熱誤差補償表對對主軸熱誤差進行補償，有的系統可直接將熱誤差模型嵌入數控系統中實現主軸熱誤差補償，但熱誤差模型不宜過于復雜。本發明結合待研究的精密臥式加工中心數控系統，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，測試所得數據輸入數控系統中，并利用PLC計算主軸系統關鍵點溫度與環境溫度的差值。利用這一數值作為觸發量，結合嵌入數控系統的熱誤差補償模型或根據模型生成的熱誤差補償表，最終實現主軸熱誤差補償。以下是本發明的一個實施例，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格劃分質量、節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原始模型進行簡化，簡化內容包括I)刪除電機和與其相連的聯軸器、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)利用簡單結構實體模型代替復雜結構部件，如用簡單圓環代替軸承、冷卻套，用階梯軸代替主軸和尾部編碼器；5)為保證網格劃分質量，刪除< IOmm的凸臺或凹槽特征；6)在保證整體結構不變的情況下，修改調整各模型尺寸，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)對實體模型進行網格劃分，劃分時，需根據主軸系統不同部件的結構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，如主軸采進行網格細化，而結構尺寸較大的部件網格可適當稀疏一點。3)在本實施例中，忽略各部件間接觸熱阻的影響，結合面設置為Bonded(粘接)。4)結合實際,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，分別對轉速為2000r/min、3000r/min、4000r/min時,精密臥式加工中心主軸在空轉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進出油溫度等進行實際測量和統計，再根據實測數據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軟件對不同轉速下主軸系統進行熱力學和靜力學有限元仿真計算，得到不同轉速下精密臥式加工中心主軸系統的溫度場和熱變形。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前后各有兩個軸承，為主要熱源，因此結合主軸結構在前后選取若干節點進行分析，節點編號為Tl-Tll，，T12為環境溫度，如圖3-圖4所示。基于溫度場和熱變形有限元仿真結果，提取以上節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。Spearman秩相關系數是一種非線性相關系數，用于描述兩個隨機變量間聯系的強度，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)對待補償的精密臥式加工中心主軸進行簡化，并將簡化后的模型導入ANSYS/Workbench中；結合實際測量的主軸轉速、環境溫度、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果，提取任意節點的溫度以及主軸熱變形進行分析，即利用Spearman秩相關系數，對不同工況下主軸系統不同位置的溫升和主軸熱變形進行秩相關分析，根據計算得到的相關系數和機床具體結構選出主軸系統熱關鍵點，相關系數計算公式
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構簡化；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格劃分，得到主軸有限元模型，結合實際主軸轉速、環境溫度、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。基于有限元仿真結果，利用Spearman秩相關分析，對不同轉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，結合機床數控系統熱誤差補償策略，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 優先權日2012年4月20日
發明者位文明, 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