[发明专利]一种精密卧式加工中心主轴热误差补偿方法

说明书

技术领域

本发明属于精密卧式加工中心加工过程，特别涉及到精密卧式加工中心主轴热误差补偿方法，包含主轴系统温度场及热变形有限元仿真计算方法、热关键点选择方法、热误差测试和建模方法，以及热误差补偿实施方法。

背景技术

主轴作为机床的关键部件，其性能的好坏直接影响机床加工精度、稳定性和应用范围。近年来，高速主轴成为主轴的一个发展趋势，然而主轴内部轴承在高速旋转下会产生大量热，从而导致主轴发生变形，影响加工精度。目前，国内外减小热误差的方法主要分为三类：1、减小热源发热量和控制热量传递，如加大冷却液流量，改善环境温度控制系统；2、机床结构优化设计，如采用热对称结构以及合理选用热膨胀率小的材料；3、热误差补偿。与前两种方法相比，热误差补偿可以在不改变机床机构的基础上提高机床精度，而且花费少、实施方便。

在机床主轴热误差补偿中，建立精度高、鲁棒性好的热误差补偿模型是难点，而优化选择温度测点的数量和位置又是热误差建模的基础。通过中国期刊全文数据库检索发现，有很多文献应用灰色系统理论、逐步回归分析、信息论原理等方法进行温度测点选择，但大部分都是基于实验测试数据。为了获得多工况下足够的机床温度数据，实验时需要布置大量温度传感器并对不同工况下主轴温度场进行多次测试，不仅增加了实验的复杂性和研究人员的工作量，而且消耗大量时间。

对于热误差补偿实施，潘淑微在2007年《机械工程》发表的《基于PAMC的数控车床主轴热误差补偿系统研究》中提出利用一种基于PMAC多轴运动控制卡的软件系统，杨建国在专利200410093428.1中公开了一种基于机床外部坐标系偏置的数控机床误差实时补偿器。以上两种方法均可实现热误差补偿、大大降低热误差，但需要在系统外部增加补偿硬件装置，并且需要专业人员进行软件编程，既增加了系统的复杂性，又增加了成本。

发明内容

本发明的目的为了克服上述现有方法的不足，提出一种精密卧式加工中心主轴热误差补偿方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)对待补偿的精密卧式加工中心主轴进行简化，并将简化后的模型导入ANSYS/Workbench中；结合实际测量的主轴转速、环境温度、冷却液流速、流量和进出油温度计算边界条件，并将计算得到的边界条件代入ANSYS/Workbench进而对简化过的主轴进行热力学和静力学有限元仿真分析，得到较精确的主轴温度场分布和热变形；

2)基于有限元仿真分析结果，提取任意节点的温度以及主轴热变形进行分析，即利用Spearman秩相关系数，对不同工况下主轴系统不同位置的温升和主轴热变形进行秩相关分析，根据计算得到的相关系数和机床具体结构选出主轴系统热关键点，相关系数计算公式：

ρ=1-6Σd2n3-n]]>

其中d表示相应两个变量X、Y的值所对应秩的差值，n是成对数据(X，Y)的个数；

3)分别在主轴系统热关键点和主轴前端安装磁铁式温度传感器和雷尼绍激光测头，实现主轴热关键点温度测量和主轴热误差测量，测量时温度传感器的输出端直接接入数控系统，并运用PLC计算采集到的温度与环境温度的差值；利用这一数值以及主轴热误差，建立热误差模型；同时以这一数值作为热误差补偿的触发量，直接结合机床数控系统热误差补偿策略实现热误差补偿，补偿方法有两种：直接将热误差模型嵌入数控系统中实现主轴热误差补偿，或根据建立的热误差补偿模型生成热误差补偿表，最终利用热误差补偿表对主轴热误差进行补偿。

本发明以热误差补偿模型为基础，结合机床数控系统热误差补偿策略，实施主轴热误差补偿，有效地减小了精密卧式加工中心主轴热误差的问题。

附图说明

图1为精密卧式加工中心主轴热误差补偿方法流程图；

图2为某型号精密卧式加工中心主轴系统剖视示意图；

图3、图4为图2精密卧式加工中心主轴系统温度测点位置示意图；其中：·表示有限元仿真提取温度数据的节点位置，T1-T11为节点编号；