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在精密數(shù)控加工中心加工過(guò)程中，工作臺(tái)作為數(shù)控加工中心裝夾工件的載體，它與加工中心刀具的相對(duì)位置直接決定加工中心的加工精度。數(shù)控加工中心加工過(guò)程中，加工中心部件不均衡溫升產(chǎn)生的熱誤差、零件本身及組裝過(guò)程產(chǎn)生的幾何誤差，都會(huì)使得刀具與工作臺(tái)之間的相對(duì)位置變化^[1]。這些變化最終轉(zhuǎn)化為零件的加工誤差。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在精密及超精密加工中，由幾何及熱引起的誤差占總誤差的70%左右^[23]，所以研究加工中心全工作臺(tái)主軸軸向誤差綜合補(bǔ)償技術(shù)意義重大。

針對(duì)上述情況，科研人員通常利用軟件補(bǔ)償技術(shù)對(duì)數(shù)控加工中心誤差進(jìn)行在線補(bǔ)償^M。在加工中心熱誤差領(lǐng)域，科研人員一般按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)《加工中心檢驗(yàn)通則第3部分：熱效應(yīng)測(cè)定》（IS() 230 - 3:20〇⁷)的規(guī)定，由加工中心主軸與工作臺(tái)特定單位置點(diǎn)的熱變形來(lái)表征數(shù)控加工中心的熱特性，通過(guò)建立固定單點(diǎn)與關(guān)鍵熱源溫度之間的補(bǔ)償模型，結(jié)合基于原點(diǎn)偏移的熱誤差補(bǔ)償系統(tǒng)給予提前補(bǔ)償，以提高
加工中心的加工精度^>^]。針對(duì)加工中心幾何誤差，大多通過(guò)提高加工中心組成部件的精度提前實(shí)現(xiàn)誤差防止^[7]，或者利用單獨(dú)的幾何誤差建模和由數(shù)控系統(tǒng)提供的參數(shù)設(shè)定方式的誤差補(bǔ)償功能（如螺距補(bǔ)償、刀具補(bǔ)償?shù)?/span>）實(shí)現(xiàn)幾何誤差的補(bǔ)償^[8]。

然而，在實(shí)際加工中，由于被加工工件對(duì)工作臺(tái)的擠壓，加工中心X軸、Y軸在制造過(guò)程中的不完全水平以及絲杠導(dǎo)軌的受熱變形等，會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的幾何誤差和熱誤差，所以，采用傳統(tǒng)的固定單點(diǎn)位置熱誤差建模的補(bǔ)償方法，只能解決加工中心部分熱誤差的影響，而單獨(dú)的幾何誤差補(bǔ)償方法也無(wú)法完全避免熱誤差的影響，導(dǎo)致這些方法存在一定的應(yīng)用缺陷。對(duì)此，王維等^[9]采用定位誤差和熱誤差綜合建模的方法抑制加工中心定位誤差隨加工中心熱變形的影響。

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)固定單位置點(diǎn)建模補(bǔ)償方法的不足，本文提出一種數(shù)控加工中心工作臺(tái)幾何誤差和熱誤差綜合補(bǔ)償方法。該方法與傳統(tǒng)工作臺(tái)上固定單位置點(diǎn)建模補(bǔ)償方法預(yù)測(cè)精度對(duì)比結(jié)果驗(yàn)證了本文方法的有效性。

1加工中心全工怍臺(tái)綜合誤差測(cè)量試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

由ISO 230 - 1 201²《加工中心檢驗(yàn)通則第1部

分:在無(wú)負(fù)荷或精加工條件下加工中心的幾何精度》標(biāo)準(zhǔn)可知，加工中心平面度誤差分為加工中心工作臺(tái)平面度誤差和沿兩線性軸運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生虛擬平面的平面度誤差。在實(shí)際加工中，工件直接固定在加工中心工作臺(tái)上，工作臺(tái)沿兩線性軸X軸、Y軸運(yùn)動(dòng)，由刀具垂直下方對(duì)應(yīng)工作臺(tái)點(diǎn)構(gòu)成的虛擬平面的平面度為上述兩種平面度的疊加。故本文針對(duì)以上兩種平面度誤差，改進(jìn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于平面度誤差測(cè)量方案，采用坐標(biāo)采集系統(tǒng)由主軸直接測(cè)量出的工作臺(tái)面內(nèi)不同點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)，擬合工作臺(tái)曲面，作為平面度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

按照丨SO ²³〇 3 - 2〇〇⁷《加工中心檢驗(yàn)通則第3部分:熱效應(yīng)的確定》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)加工中心熱誤差的規(guī)定，本試驗(yàn)采用空轉(zhuǎn)方式運(yùn)行。試驗(yàn)過(guò)程中，主軸以恒定轉(zhuǎn)速6000 r/min轉(zhuǎn)動(dòng)，工作臺(tái)沿；s：軸、Y軸以400 mm/min的進(jìn)給速度往返運(yùn)行，每運(yùn)行5 min采集溫度和熱變形量一次。試驗(yàn)持續(xù)4 h以上。試驗(yàn)分三批次進(jìn)行，第一批次為建模試驗(yàn)，第二、第三批次為驗(yàn)證試驗(yàn)。每批次試驗(yàn)相隔一天，加工中心充分冷卻至環(huán)境溫度狀態(tài)，以保證試驗(yàn)的驗(yàn)證效果。三批次試驗(yàn)環(huán)境溫度變化范圍分別為19.56?26.88 t；、21.19?27.94 X：和 21.56?26.88 X：。

1.2試驗(yàn)裝置

本文以典型的C型數(shù)控加工中心I.eaderway-V450立式加工中心為研究對(duì)象，其工作臺(tái)的尺寸為⁶²〇 cmX350 cm。根據(jù)工作臺(tái)尺寸，提出了在工作臺(tái)上設(shè)置15點(diǎn)位置測(cè)量方案，具體測(cè)點(diǎn)（工作臺(tái)上數(shù)字1?15為15個(gè)測(cè)點(diǎn)的編號(hào)）分布位置如圖1所示。試驗(yàn)所采用的測(cè)量系統(tǒng)分為溫度采集系統(tǒng)和坐標(biāo)采集系統(tǒng)^[1°^]，溫度采集系統(tǒng)選用溫度傳感器DS18B20(測(cè)量精度為±0.2 °C，最高分辨力為0.0625 °C)來(lái)測(cè)量溫度數(shù)據(jù)。其中，溫度傳感器的貼放位置以影響加工中心主軸三向熱誤差的主要熱源附近為主，溫度傳感器（T1?T20為溫度傳感器編號(hào)（T10未在圖中標(biāo)出））的安放位置如圖1和表1所示^[11];坐標(biāo)采集系統(tǒng)是由在線檢測(cè)系統(tǒng)（本試驗(yàn)所使用的在線檢測(cè)系統(tǒng)為哈爾濱先鋒機(jī)電有限公司生產(chǎn)的OP550型在線檢測(cè)系統(tǒng)）、加工中心外擴(kuò)I/O單元、坐標(biāo)采集卡和計(jì)算機(jī)組成。其原理是：在線檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量測(cè)頭當(dāng)前所在位置坐標(biāo)，通過(guò)加工中心外擴(kuò)丨/()單元將此坐標(biāo)值輸出到坐標(biāo)采集卡中，并利用坐標(biāo)采集卡將坐標(biāo)值輸人計(jì)算機(jī)，最終完成坐標(biāo)采集。同一溫度時(shí)刻，工作臺(tái)不同測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)值擬合出的曲面為該溫度平面度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，而不同溫度時(shí)刻，各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值偏差為該點(diǎn)Z軸熱誤差數(shù)據(jù)。

測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，溫度數(shù)據(jù)和熱誤差數(shù)據(jù)為同步測(cè)量。試驗(yàn)裝置實(shí)物如圖2所示。

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結(jié)束語(yǔ)：

(1) 根據(jù)對(duì)Leaderway-V450型數(shù)控加工中心空轉(zhuǎn)熱誤差數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)工作臺(tái)的形狀隨溫升基本保持不變，相對(duì)位置呈現(xiàn)出整體上升趨勢(shì)。為同時(shí)完成對(duì)加工中心工作臺(tái)平面度誤差和主軸熱誤差的補(bǔ)償，本文提出工作臺(tái)平面度誤差模型與熱誤差模型相加的綜合誤差補(bǔ)償方法。

(2) 建立了工作臺(tái)各位置點(diǎn)熱誤差模型，并確定工作臺(tái)中心位置點(diǎn)為最優(yōu)熱誤差建模位置點(diǎn)，結(jié)合工作臺(tái)平面度誤差模型，建立了全工作臺(tái)的綜合誤差補(bǔ)償模型。將綜合補(bǔ)償模型內(nèi)嵌至補(bǔ)償卡中，實(shí)現(xiàn)了加工中心全工作臺(tái)綜合誤差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。預(yù)測(cè)效果分析顯示，本文方法的補(bǔ)償效果好于工作臺(tái)上固定單位置點(diǎn)的熱誤差補(bǔ)償效果，預(yù)測(cè)殘余標(biāo)準(zhǔn)差減小約7 (im 〇

(3) 本文對(duì)Leaderway-V450型數(shù)控加工中心的工作臺(tái)進(jìn)行研究，將工作臺(tái)平面度誤差因素引入誤差補(bǔ)償模型，并根據(jù)熱變形過(guò)程中工作臺(tái)平面度基本保持不變的性質(zhì)簡(jiǎn)化了全工作臺(tái)誤差模型，引人坐標(biāo)變量。通過(guò)補(bǔ)償卡實(shí)時(shí)地對(duì)工作臺(tái)各位置點(diǎn)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，為數(shù)控加工中心誤差補(bǔ)償提供了一種新的解決思路。

數(shù)控加工中心工作臺(tái)誤差綜合補(bǔ)償方法研究

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