基于BV75數(shù)控銑床熱誤差的檢測與分析*

陳金英

（北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院機電學院，北京 100042）

基于BV75數(shù)控銑床熱誤差的檢測與分析*

陳金英

（北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院機電學院，北京 100042）

利用先進的檢測設(shè)備對數(shù)控銑床熱誤差進行檢測與分析，使用Labview搭建了數(shù)據(jù)檢測與分析的平臺。在研究球桿儀檢測數(shù)控機床熱誤差的方法的基礎(chǔ)上，對數(shù)控機床空間幾何位置和主軸端熱漂移誤差進行了分析。通過實驗測得熱誤差進行曲線擬合，得到變化規(guī)律曲線，實驗結(jié)果證明該實驗方法和檢測與分析平臺的實用性和有效性。

球桿儀；檢測；熱誤差；擬合

0 引言

國內(nèi)外眾多研究表明，數(shù)控機床產(chǎn)生熱誤差主要是因為熱變形導致機床的某些操作指令所產(chǎn)生的預期響應與實際響應之間的差異［1］。熱變形誤差是數(shù)控機床的最大誤差源，大約占總誤差的40%～70%，因此提高數(shù)控機床精度的關(guān)鍵在于如何控制由于熱變形所導致熱誤差［2］。本文主要利用球桿儀檢測數(shù)控機床的熱誤差，了解其變形規(guī)律，并為改善數(shù)控機床的加工精度提供了一套實用和有效的檢測方法。

1 球桿儀檢測數(shù)控機床熱誤差的方法

數(shù)控機床在一定的進給速度和主軸速下隨著操作時間的增加，不可避免地要發(fā)熱。數(shù)控機床的內(nèi)部熱源比較多，引起熱滯現(xiàn)象也比較多［3］。本文主要根據(jù)三軸數(shù)控銑床坐標變換原理及幾何誤差和熱誤差元素項所得出的綜合誤差模型［4］，利用球桿儀進行檢測數(shù)控機床的熱誤差，分析數(shù)控機床的主要熱誤差源和趨于平穩(wěn)的加工時段。

（1）檢測數(shù)控機床熱誤差的思路

數(shù)控機床開機后對機床進行圓軌跡的測量以得到各幾何誤差數(shù)值。然后讓機床繼續(xù)運轉(zhuǎn)以保證數(shù)控機床的熱變形和加工狀態(tài)基本一致時測試其誤差值。二者所測試的誤差數(shù)據(jù)的差值為熱變形所導致的熱誤差量。

（2）對球桿儀進行靜態(tài)測試

如圖1所示，球桿儀所經(jīng)過的區(qū)域呈圓錐面［5］。

圖1 空間的幾何關(guān)系

在程序中首先設(shè)定三個暫停點，分別為M、N、P三點［6］，在此點處分別讀取球桿儀的長度值為L1、L2、L3。然后按照圖1的空間幾何位置進行計算并分析［7］，得到其主軸端點X、Y、Z的坐標數(shù)值。最后在數(shù)控機床的兩種狀態(tài)下即初始狀態(tài)和產(chǎn)生熱變形后的狀態(tài)，在不同時間段內(nèi)分別采集多組數(shù)據(jù)進行分析，以得到主軸端熱漂移的誤差數(shù)值。具體計算如下：

首先，依據(jù)它們在空間的幾何關(guān)系量得出主軸端X的實際坐標數(shù)值如下：

其次，同樣依據(jù)它們在空間的幾何關(guān)系量得出主軸端Y的實際坐標數(shù)值如下：

最后，同樣依據(jù)它們在空間的幾何關(guān)系量得出主軸端Z的實際坐標數(shù)值如下：

2 搭建球桿儀檢測數(shù)控機床熱誤差的實驗平臺

（1）球桿儀的安裝及參數(shù)選擇

如圖2所示將球桿儀的一端精密球安裝于主軸刀具卡座上，另一端精密球固定于數(shù)控機床工作平臺上。如果機床不存在誤差，則球桿儀的運行軌跡應該為標準的圓；如果機床存在誤差，可通過球桿儀標準圓的軌跡偏差與實際運行軌跡的不同，分析得到數(shù)控機床的誤差產(chǎn)生［8］。

圖2 球桿儀的安裝

選擇球桿儀的桿長為100mm，分別在XY平面內(nèi)運行圓，在XZ、YZ平面內(nèi)運行半圓進行測試，先逆時針再順時針檢測。

（2）數(shù)控機床的準備

編制球桿儀檢測數(shù)控機床的G代碼程序，讓機床試運行，檢驗程序正確與否，如表1所示。

其中靜態(tài)測試3點的程序坐標計算，如圖3所示。由OX長度為100cm即球桿儀的長度，根據(jù)三角形即可計算得到ZX為長度86.603cm。

測試的三點間隔120°，如圖4所示。

表1 檢測程序

圖3 XY平面呈300夾角

圖4 間距為1200時的3點

（3）測試任務的制定

在數(shù)控機床初始狀況下進行靜態(tài)測試，安裝球桿儀時使其與XY平面呈30°夾角［9］，如圖3所示，對圓錐面的3點進行測試并記錄保存數(shù)據(jù)。

在數(shù)控機床初始狀況下進行動態(tài)測試，保存在XY、XZ、YZ平面內(nèi)運行整圓及半圓軌跡的測試數(shù)據(jù)，分析各軸的直線度、角度誤差、垂直度、位置及比例誤差、周期誤差等。

設(shè)計的試驗條件是每隔 20min，主軸轉(zhuǎn)速為3000r/min空轉(zhuǎn)，待數(shù)控機床產(chǎn)生熱變形之后，再重新安裝球桿儀。不斷重復上述測量過程［10］，即先重復靜態(tài)測試，再依次重復動態(tài)測試。最終得出數(shù)控機床的綜合誤差，對照機床初始狀態(tài)的測試結(jié)果從而得到機床的熱誤差量［11］。

（4）搭建數(shù)據(jù)處理平臺

依據(jù)計算公式（1）～（7），利用Labview8.5軟件搭建數(shù)據(jù)處理平臺如圖5所示，對采集的數(shù)據(jù)進行處理與分析。

圖5 計算軸的實際坐標

3 實驗結(jié)果及分析

（1）測試實驗數(shù)據(jù)記錄

球桿儀測試實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 測試實驗數(shù)據(jù)

（2）測試實驗數(shù)據(jù)處理

通過Labview8.5軟件搭建數(shù)據(jù)處理平臺，得出沿各軸向的熱位移數(shù)值如表3所示。

表3 備軸熱位移數(shù)值

為便于觀察熱變形規(guī)律，借助Labview8.5軟件，進行數(shù)據(jù)擬合分析［12］，將各坐標軸的熱誤差值及其擬合曲線如圖6、圖7、圖8所示，主軸端熱漂移誤差符合熱變形規(guī)律。

圖6 Z軸的熱誤差值及其擬合曲線

圖7 X軸的熱誤差值及其擬合曲線

圖8 Y軸的熱誤差值及其擬合曲線

（3）實驗數(shù)據(jù)分析

數(shù)控機床因熱變形而導致主軸刀具端的熱漂移量中［13］，主要因為加工過程中，機床的熱變形主要集中在主軸箱及主軸附近，沿Z軸方向最大，所以對主軸與Z導軌的平行度影響最大。

在現(xiàn)有的實驗條件下，數(shù)控機床因熱變形而導致的主軸刀具端沿各坐標軸向的熱漂量移中，雖然其變化規(guī)律各不相同但是觀察其擬合曲線，在40min到100min之間變化較為明顯，在100min之后基本趨于平穩(wěn)，這一結(jié)論是符合機床熱變形規(guī)律的。

4 結(jié)論

在研究球桿儀檢測數(shù)控機床熱誤差的方法的基礎(chǔ)上，對三軸數(shù)控機床空間的幾何位置和主軸端的熱漂移誤差進行了分析。應用Labview的開放性，搭建了數(shù)據(jù)檢測與分析平臺，使用先進的球桿儀檢測設(shè)備對數(shù)控銑床熱誤差進行檢測與分析。實驗結(jié)果證明該實驗方法的正確性，同時體現(xiàn)了檢測分析平臺的簡捷性及有效性。

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Based on the Detection and Analysis of Thermal Error of CNC Milling BV75

CHEN Jin-ying
（School of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing Vocational&Technical Institute of Industry，Beijing 100042，China）

By using advanced testing equipment to detect and analyse CNC milling thermalerror，we employ Labview to set up the platform of data detection and analysis.Based on the research of detective method of CNC Machine Thermal Error on ballbars，we analyse spatial geometry of CNC machine tool spindle thermal drift and error.By experimentally measured thermal error curve fitting，we obtained curve variation.The experimental results show that the experimental methods and the platform of detection and analysisare practicability and effective.

ballbars；detection；thermal error；fitting

TH166；TG547

A

1001-2265（2015）04-0101-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.04.026

2014-06-27；

2014-09-10

北京市科技計劃面上項目編號（PXM2014-014225-000007）

陳金英（1976—），女，山東濟寧人，北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院副教授，碩士，研究方向為數(shù)控機床故障診斷與精度檢測，（E-mail）vegachjy @163.com。