加工中心主轴系统热误差补偿技术的研究

发布时间：2016-03-16 08:03

第一章 绪论

在当今工业科技飞速发展，技术不断创新的时代，工业发展的基础——装备制造业在其中起到了中流砥柱的作用。它是现代工业技术发展的基石，高新技术的现实、高科技产品的开发和现代智能工业不断发展的重中之重的基础。而装备制造业科技水平的最重要的指标就是数控机床制造的水平，数控机床的发展关乎国计民生和国防尖端科技建设，随着制造业不断发展各行业对高端机床及装备的需求也急剧增多，进而机床制造业对国家经济发展产生了重大影响，同时也是社会经济快速发展的无尽力量和能量源泉。因此，大力发展装配制造业、提高高端数控机床及装备技术水平是当务之急并具有全局性、战略性的意义[1]。随着制造加工技术的飞速发展，对加工尺寸的精度和零件的表面质量提出了越来越高的要求。在加工中心的各项误差中，根据文献[2]报道，热误差是最大的一项，占总误差的40%~70%。对于高速高精度机床来说，主轴系统的热变形误差是引起加工误差的重要因素之一。对于运用这种代价非常小的“软技术”——误差补偿技术便可获得“硬技术” ——传统装配工艺难以达到的精度，是非常有经济意义的。因此，分析主轴系统的热误差对保证加工零件的高精度和高质量有很重要的意义；准确预测主轴热误差并建立有效补偿模型可明显改善加工中心的加工精度。

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第二章 加工中心主轴系统热变形及热源分析

2.1 加工中心主轴系统结构

本课题所研究的 VMC750 立式加工中心主轴系统包括：主轴，前后滚子轴承，主轴电机，主轴壳体，拉杆等，主轴系统结构如图 2.2 所示。

2.2 加工中心主轴系统热源分析

加工中心主轴系统的热态特性对加工中心精度的影响至关重要，也是制约加工中心发展的重要因素之一。加工中心主轴系统的热源主要分两大部分，第一部分是主轴电机热损耗发热，第二部分是主轴轴承的摩擦发热，其中主轴轴承的发热量最大，并且通过 VMC750 主轴系统结构示意图可知主轴电机与机床本身没有直接接触，其热损耗的发热主要传入空气中。而且由于主轴轴承体积小、在工作中转速较高和功率密度大，热损耗发热量大以及因其散热面积相对较小造成的散热困难，而且机床主轴箱自身没有循环冷却系统，所以主轴系统的热特性主要受到主轴箱的发热变形影响，且其热变形的最主要热源为主轴轴承的摩擦发热。上述分析主轴在高速工作时，由于主轴系统发热源主要集中在主轴轴承上，因此，主轴系统中各部件间就会存在温差。根据牛顿热力学第二定律可知热量是由高温热源自发地传给低温热源的，因此，存在温差的主轴系统就会形成热量的传递。加工中心主轴系统中的热量传递主要表现为：前后轴承与主轴箱之间的热量传递，主轴箱与空气之间的热量交换。

第三章 加工中心主轴系统热误差实验技术研究............................26

3.1 实验测试方案............................26
第四章 加工中心主轴系统热误差补偿模块的研究与开发........................40
4.1 热变形补偿系统方案设计........................40
4.1.1 误差补偿方式.............................40
4.1.2 热误差补偿方案....................43
4.2 系统结构图...........................44
第五章 加工中心主轴系统热误差补偿技术的应用.....................................54
5.1 应用机床的选择................................54
5.2 补偿技术的应用实施.......................54

第五章 加工中心主轴系统热误差补偿技术的应用

5.1 应用机床的选择

本课题中的研究内容主要是针对立式加工中心主轴系统热变形误差补偿技术所进行试验研究的。因此选用青海一机数控机床有限责任公司生产的 VMC 系列立式加工中心作为主轴热变形误差补偿技术的应用对象。为了能更好的提现本课题所研究的误差补偿技术的实际补偿效果，我们不仅选择了现场生产的加工中心而且还对用户正在实际生产应用中的 VMC 系列立式加工中心进行该技术的应用。

5.2 补偿技术的应用实施

对用户处的机床由青海一机技术员到用户现场进行主轴系统热变形测量，按照前述数据分析建模方法，对所采集的温度、热变形数据进行分析，找出影响主轴系统热变形的热敏感点并进行数据处理和建模，通过增加温度传感器和外挂式补偿模块实施了对 VMC750 三台加工中心的热变形补偿技术的应用，通过了激光干涉仪进行误差补偿验证测量，达到了非常显著的效果，解决了用户使用的 VMC750 加工中心由于主轴系统热变形问题引起的零件加工误差。青海一机数控机床有限责任公司现场生产的两台VMC750和一台VMC1000加工中心由本人进行了主轴系统热变形误差补偿技术的应用，产品在连续八小时运行中，经激光干涉仪进行误差补偿验证测量，主轴系统的热变形误差补偿达到了国家标准（GB/T18400.7-2010/ISO10791-7：1998 加工中心技术条件 第七部分：精加工试件精度检验）规定的精度要求。本课题研究的加工中心主轴系统热误差的测试、建模、补偿技术成功的运用到了青海一机数控机床有限责任公司生产的立式加工中心的主轴系统上，通过应用热变形补偿技术加工中心主轴系统误差可减少 70%左右，，取得了良好的补偿效果。本课题中研究的补偿技术不仅补偿制造成本较低、实际应用简单，而且补偿效果明显。此补偿技术是典型的运用代价非常小的“软技术”实现了传统装配工艺难以达到的精度，从经济效益上将是十分主要的，而且其应用过程简单，方便实际生产推广。
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结论与展望

本文所研究内容是青海省科学技术厅 2012 年科技支撑计划项目“高档数控机床动态综合补偿技术研究”高档数控机床的热误差动态建模及预测补偿技术的一部分。针对青海一机生产的 VMC750 系列立式加工中心在使用过程中产生的热误差现象,进行分析和试验研究，目的就是通过对该型号的立式加工中心的热误差问题进行研究, 设计与数控系统集成的软、硬件接口规范和相应模块，与高档数控系统集成，应用到具体机床中，实现高档加工中心的热误差动态补偿，降低热误差对加工精度的影响。本文主要有以下几点总结：1、通过对影响主轴系统发热的因素分析，确定主要热变形部件为主轴箱体并建立了加工中心主轴系统主轴箱 Solidedge 模型。基于热力学原理分析了加工中心主轴系统的热源为轴承发热，计算出了轴承发热量，并确定了热量传递方式与边界条件，用 ANSYS Workbench 软件分析出了加工中心主轴系统主轴箱给系统的稳态温度场分布。通过分析温度场的变化为热变形补偿实验主轴箱测温点布置提供了理论依据。2、提出了主轴系统热变形试验技术方案，确定了热误差检测的快速标定方法，进而找到加工中心主轴系统热误差补偿的敏感点位置并建立热误差动态模型。

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参考文献（略）

本文编号：35058