0 引言
精密加工中心在精密制造中起着至关重要的决定性作用。 据研究表明,在数控机床加工系统的各类误差中, 平均占比最大的是几何误差和热误差。通常情况下,该两项误差可占机床加工系统总误差的45%~65%,而且越是精密的机床,该两项误差所占比例就越大。所以,在加工过程中有效减小机床几何误差和热误差的影响是提高机床整体加工精度的重中之重。要提高机床加工精度,减少热误差,目前主要是采用主动减小误差法和误差补偿法两种途径来实现。
主动误差减小法是通过设计和制造环节消除或减小热误差源,提高机床的加工精度,或者控制温度来满足精度要求。主动误差减小法存在成本大幅度上升的局限性,以及无法修正在加工过程中产生的一些干扰因素而引起的误差等问题。
误差补偿法是应用传感器及控制技术,在机床现有加工精度下,通过对加工过程误差的测量与建模手段,在线获得误差补偿值,将该误差值反馈到数控系统中,通过修正实际坐标驱动量来实现误差修正,可以使被加工的工件获得有可能比机床母机更高的精度,经济效益非常显著。正因为热误差补偿技术具有强大的技术生命力,因而迅速地被各国学者、专家所认同,并使之在机械精密制造行业中得以迅速发展。目前,该项技术已成为精密装备制造的研究热点[1-5]。
1 测试系统硬件设计
测试系统由温度传感器、涡电流位移传感及数据采集卡组成,如图1 所示。温度传感器采用薄片式PT100 温度传感器及其配套的温度变送器,量程0~100 ℃,变送器为标准电流信号输出,4~20 mA。
热变形传感器选用基恩士EX-416 涡电流位移传感器以及EX-205 控制器,电涡流传感器属于无接触测量,具有精度高、线性度好的特点,量程0~5 mm;控制器输出为电压型标准信号:0~5 V。
数据采集卡选用SMACQ 品牌的USB1252 多通道数据采集卡,USB-1252A数据采集卡属于高性价比的数据采集解决方案,具有12-bit 的垂直分辨率和最高500 kSa/s 的模拟采集能力的同时,USB-1252A 系列数据采集卡有16 个通道数字输出、16 个通道数字输入和4 通道计数器;自带常规功能的DAQ-Sensor 数据采集软件,兼容Lab view软件平台开发的应用程序,采集数据保存为通用文本格式,方便后续用大型数据分析软件Matlab做进一步的分析与处理。
2 测试系统软件设计
温度和热位移数据采集软件在LabVIEW 8.0 环境下开发,开发的数据采集软件运行界面如图2 所示。
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5 结语
热误差是精密数控加工机床的主要误差来源。基于虚拟仪器技术,设计机床热误差数据采集系统,以某立式数控加工中心机床主轴为测试对象,对其温度、Z 轴热误差进行测试与分析。实验表明:主轴热误差与温度正相关, 且具有非线性特征。建立温度与热误差的映射关系是热误差补偿的前提,研究表明,应用概率型径向基神经网络对机床热误差建模,与传统的线性回归建模方法相比,具有较高的建模精度。
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