提高高速数控机床热误差补偿精度的关键理论研究

Under the precision and ultra-precision processing conditions, the thermal errors are most important from all errors influencing on the precision of high speed CNC machine tools, using error compensation technology can effectively reduce or eliminate the thermal errors. However, the current thermal error compensation theory has encountered many technical problems. The solution process of temperature field and the thermal deformation field are not precise. Selecting process of the thermal critical point for compensation is not rigorous. The compensation model cannot reflect the thermal deformation process of the machine tools. So, This project studies: ①Derive a new method for computing the coefficient of convection heat transfer of the spindle surface on revolving. The theory on computing the transient thermal response and thermal deformation is introduced and the simulation is implemented on the spindle and spindle box of the CNC turning center. ②By use of the thermal error sensitivity, according to the principle of maximizing the sum of absolute value of the differences among thermal key points’ thermal error sensitivities, provide a simple arithmetic to select the thermal key points in the case of less number of candidate points which is verified on the spindle. ③A new modeling method, that is, Dynamic Coefficients-modifying modeling method is developed and applied to building the thermal errors models. Above technical and theoretical innovations can provide a scientific basis to improve the accuracy of the high-speed electric spindle thermal error compensation.

精密超精密加工条件下，影响高速数控机床精度的所有误差中，热误差占主导地位，使用误差补偿技术能够有效地减小或消除热误差。但是，目前的热误差补偿理论面临机床的温度场及其热变形场求解不精确、补偿用的热关键点选择过程不严谨和补偿模型不能反映热变形过程等科学难题。为此，本项目主要研究：①改进和修正求解热弹性方程中对流换热系数的计算方法，获得更为精确的对流换热系数，从而阐明主轴振动对主轴温度场及其热变形场分布的影响。②使用信息处理理论把热变形场转化为可处理的数字图像，并对图像节点进行压缩和寻优计算，从而优化出理论上最佳的热关键点，这一方法使热关键点的配置完全建立在了科学理论上。③开发动态系数建模法，使建立的模型能够时序、动态地反映主轴的热变形过程。以上三个方面的技术及理论革新，为提高高速电主轴热误差补偿的精度提供科学依据。

数控机床工作时，主轴系统的温升、切削过程引起的发热和进给系统的发热等都会引起重复定位精度的下降，这其中主轴区的发热占主导作用，这会使所加工工件的几何、形状和位置精度出现误差。对于高速主轴机床和主轴负荷比较大的机床，由温升引起的热变形更为明显。一般情况下，高档数控机床出厂时都可以选择安装温升热补模块，但该模块需要额外的硬件和软件支持，故选装价格比较昂贵。经济型数控机床一般不提供温升热补模块的选装，所以这类机床解决热变形误差主要手段之一就是误差补偿。同样，对于一些老旧数控机床，提高其精工精度的廉价方法也是误差补偿技术。误差补偿是用数学建模的方法人为的制造一种误差去抵偿机床的运动误差。在补偿时为单台测量、单台建模和单台补偿。精密化误差补偿的前提是事先获知机床温度场的精确分布，特别是主轴区的温度场精确分布，本研究提出了修正机床主轴高速运动时表面对流换热系数的计算方法，实验表明这种方法计算的系数比普通方法计算的系数平均大约0.08-0.5，更精确的温度场识别也间接提高了补偿的精度。对数控机床的最优敏感热源点选取方法进行了数字化优化，利用小波压缩技术和遗传优化算法完成了最优敏感热源点的选取，最终获取4个最优敏感热源点的位置，补偿模型的系数采用动态修正，模型精度提高10%左右，所建模型残差结果和验证结果均符合工程要求。本研究也表明在进行综合补偿建模时，垂直度误差在作为平移误差元素建模和作为转角误差元素建模时对误差模型的精度和建模复杂度的有不同影响，提出了优先采用平移误差建模的结论。项目组利用自己开发的便携式多通道测温与补偿系统完成了车间内两台经济型数控车和数控铣的补偿，补偿精度提高明显。