曹陽
齊齊哈爾二機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司
普通數(shù)控機(jī)床一般有X、Y
、Z三個(gè)直線軸
，在給機(jī)床各坐標(biāo)軸命名時(shí)，一般都是先命名直線軸中的主軸（Z軸）
，因?yàn)橹鬏S和機(jī)床關(guān)聯(lián)很大
，是機(jī)床重要的組成部件，刀具的裝夾
、工件的切削
、動力與切削力的轉(zhuǎn)換都由主軸實(shí)現(xiàn)，可以說主軸是整個(gè)數(shù)控機(jī)床的心臟
。主軸定位精度直接決定工件的加工質(zhì)量和加工精度
。
1 加工誤差的產(chǎn)生
在數(shù)控機(jī)床進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，造成主軸熱變形的熱源分為外部熱源和內(nèi)部熱源
，無論是機(jī)床內(nèi)部摩擦產(chǎn)生熱源
，還是由于外部環(huán)境對數(shù)控機(jī)床的溫度產(chǎn)生影響，根據(jù)物理學(xué)可知
，金屬在受熱后會發(fā)生膨脹
。因?yàn)闄C(jī)床零件結(jié)構(gòu)、材料的差異性使每個(gè)零件溫升
、變形量（拉伸
、扭曲等）都不相同，由于溫度的升高使數(shù)控機(jī)床的主軸產(chǎn)生一定位移
，造成加工刀具和加工件之間錯(cuò)位
，即造成加工誤差，如圖1所示
。
圖1 數(shù)控機(jī)床主軸產(chǎn)生熱誤差的條件
2 機(jī)床熱態(tài)分析方法
機(jī)床受溫度影響發(fā)生熱變形而產(chǎn)生的誤差為熱誤差
。在各種類型的誤差中，熱誤差可占機(jī)床誤差的40%～70%
，是影響機(jī)床加工精度的主要因素
。而機(jī)床主軸的熱誤差直接反映在機(jī)床加工零件的質(zhì)量上。目前
，針對熱態(tài)特性
，可以采用以下兩種方法對數(shù)控機(jī)床主軸進(jìn)行熱態(tài)分析。
（1）有限元分析法：使用有限元法對滑枕進(jìn)行熱變形分析
，建立滑枕模型
。對滑枕的外部熱源和內(nèi)部熱源等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，和滑枕有限元分析后的模型組建熱誤差模型
，仿真分析出滑枕內(nèi)部溫度分布情況
，得到滑枕內(nèi)部的熱變形誤差
。
（2）測量法：該方法是在滑枕內(nèi)部安裝溫度傳感器，直接測量數(shù)控機(jī)床主軸在工作時(shí)的溫度情況
，使用激光位移傳感器對主軸的熱伸長情況進(jìn)行測量
，臨末對溫度和熱變形進(jìn)行分析。
有限元分析法可深入分析滑枕內(nèi)部熱源及周圍環(huán)境影響下的熱態(tài)特性
，能對主軸的熱變形有簡單直觀的認(rèn)識
。但對機(jī)床的影響因素很多，不能把所有的因素全部參數(shù)化
，所以通常造成數(shù)值仿真結(jié)果與實(shí)際存在一定程度的偏差
，這樣影響熱誤差補(bǔ)償?shù)木_度。
測量法則可直接測量機(jī)床的溫度和位移情況
，但是由于傳感器無法布置到機(jī)床各個(gè)點(diǎn)
，無法得到整個(gè)機(jī)床的溫度和熱變形數(shù)據(jù)，而且試驗(yàn)時(shí)間較長
。由于每臺機(jī)床的裝配精度
、軸承與滑枕的間隙、軸承的發(fā)熱量以及外界溫度等都不可能完全一致
，導(dǎo)致每臺機(jī)床在出廠前都需要進(jìn)行測量
，而且在廠家安裝后的環(huán)境和在裝配現(xiàn)場的環(huán)境也存在差異，導(dǎo)致在裝配現(xiàn)場的數(shù)據(jù)不能適用于用戶的使用環(huán)境
，安裝后仍需重新進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償
。有限元分析法和直接測量法在獲得數(shù)控機(jī)床熱態(tài)特性過程中都存在利與弊
，但是這兩種方法相輔相成
，具有較強(qiáng)的互補(bǔ)性，因此在生產(chǎn)過程中會結(jié)合這兩種方法使用
。
3 落地?cái)?shù)控銑鏜床主軸溫度補(bǔ)償
數(shù)控TK6920落地銑鏜床主軸的熱誤差主要是由于機(jī)床進(jìn)行加工作業(yè)時(shí)
，將會產(chǎn)生很多較復(fù)雜的溫度場，進(jìn)而對數(shù)控機(jī)床整體部件產(chǎn)生影響
，并且由于受熱原因產(chǎn)生形變
。從TK6920落地銑鏜床主軸的溫度變化情況可以發(fā)現(xiàn)主軸受熱后的變形規(guī)律。
TK6920落地銑鏜床滑枕的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對比較簡單
，發(fā)熱源主要為主軸的軸承
，其他部件引起的發(fā)熱太小，可以忽略
。主軸上的軸承采用進(jìn)口的高精度組配軸承
，價(jià)格昂貴，所以將溫度傳感器設(shè)置在主軸軸承上
，這樣既檢測了主軸的溫度
，同時(shí)也能起到監(jiān)測軸承溫度的作用
，一旦軸承出現(xiàn)溫度過高、超出安全溫度時(shí)
，系統(tǒng)會自動報(bào)警
，機(jī)床停止運(yùn)行。
由于不同條件下補(bǔ)償模型也不同
，誤差模型不具有通用性
，補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確率低，同時(shí)結(jié)合該機(jī)床的特點(diǎn)
，本文采用測量法進(jìn)行補(bǔ)償
。
在銑軸前五個(gè)軸承上分別布置五個(gè)溫度傳感器T1、T2
、T3
、T4和T5。如圖2所示
，溫度傳感器T1
、T4主軸轉(zhuǎn)速在1 000r/min、環(huán)境溫度在20℃時(shí)運(yùn)行180min
，每15min記錄一次前軸承溫度值
，由于溫度傳感器T1、T2和T3所對應(yīng)的軸承尺寸
、安裝位置
、轉(zhuǎn)速、潤滑條件及工作環(huán)境都相同
，并且產(chǎn)生的熱位移也基本相同
，所以以傳感器T1數(shù)據(jù)代表主軸前軸承溫度值。T4
、T5所對應(yīng)的軸承尺寸
、安裝位置、轉(zhuǎn)速
、潤滑條件及工作環(huán)境都相同
，并且產(chǎn)生的熱位移也基本相同，所以以傳感器T4數(shù)據(jù)代表主軸后軸承溫度值
。主軸熱位移如圖3所示
。
圖2 傳感器T1熱誤差變化
圖3 主軸熱位移
根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用多元回歸二乘法建立熱誤差補(bǔ)償模型
，即Z＝5.09＋10.18×ΔT1＋2.13×ΔT4
。
圖4所示為數(shù)控機(jī)床實(shí)時(shí)補(bǔ)償示意圖，補(bǔ)償控制器由CNC處理部分
、CNC控制部分和傳感器部分組成
。
圖4 數(shù)控機(jī)床實(shí)時(shí)補(bǔ)償示意圖
構(gòu)建即時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效對熱誤差進(jìn)行補(bǔ)償作業(yè)
。構(gòu)建后能夠通過測量數(shù)據(jù)得到即時(shí)誤差補(bǔ)償值，其中還要滿足以下幾個(gè)關(guān)鍵要素：首先要利用溫度傳感器測量主軸和位移傳感器測得的數(shù)據(jù)
