在大型銑齒機上利用溫度補償法修正齒距偏差

摘要：長時間運轉(zhuǎn)的銑齒機刀盤銑刀架易產(chǎn)生熱變形，從而會改變刀具與工件的相對位置，產(chǎn)生偏差，影響加工精度。溫度補償法使用貼片式PT100熱電阻及相關(guān)溫度傳感器實時測控銑刀架的溫度，而后依據(jù)材料本身的熱變形率計算出溫度變化下的變形量，以人為補償進刀尺寸的方法達(dá)到修正齒距偏差的目的。實際工作中的大型銑齒機經(jīng)常遇到加工齒距偏差問題，其中最為常見的就是加工的第一個齒與最后一齒之間所出現(xiàn)的齒距偏差超差。這種偏差超差在現(xiàn)場頻繁出現(xiàn)，成為常常需要解決的難題。而通過對檢測齒距偏差得到的數(shù)據(jù)計算發(fā)現(xiàn)，在切削過程中齒槽的徑向切削深度從第一齒到最后一齒有規(guī)律地加深，這說明在切削過程中進給量出現(xiàn)了變化，這種變化也會引起齒距偏差超差。筆者推測，這一現(xiàn)象可能是銑刀架的溫度變化引起。銑齒機的工作原理是銑齒機銑齒采用成形法單分齒加工，加工完上一個齒后，銑刀返回原位，工作臺轉(zhuǎn)動360°/Z（Z為加工工件齒數(shù)），進行下一個齒的加工，如此循環(huán)，直到加工完全部齒數(shù)。從這一原理可以看出，加工過程中的銑刀盤一直在維持運轉(zhuǎn)，而長時間不停歇的運轉(zhuǎn)很可能會導(dǎo)致銑刀架本身溫度上升，伴隨時間變化，加工同一工件上編號不同的齒數(shù)時，銑刀架的溫度變化會引起其產(chǎn)生形變，這種形變量使刀具逐漸偏離相對工件的實際位置，而與此同時，進給量維持不變，其相對工件的徑向切入量就會在不同齒數(shù)間產(chǎn)生差異，從而影響到齒槽的深度，造成齒距偏差過大，也就很容易形成首齒與尾齒之間常見的退刀大牙。為了對以上關(guān)于銑刀架溫度變化引起齒槽深度變化造成齒距偏差的推測進行驗證，在型號為YK83500/4的銑齒機上進了簡單的打表試驗。試驗采用的測量儀器是一只測溫槍和兩只百分表進行測量，將百分表一的表座吸附于工件或胎具上，調(diào)整銑刀架位置，使百分表表針壓在銑刀架上，調(diào)節(jié)其指針對零；將百分表二地表座吸附在立柱導(dǎo)軌上，調(diào)整使此百分表表針壓在床身立柱上，調(diào)節(jié)其指針對零，調(diào)整測溫槍，檢查其精度。試驗開始前，用測溫槍測量銑刀架的初始溫度，后啟動刀盤。在銑齒機的運轉(zhuǎn)過程中，每相隔一定時間用測溫槍測量銑刀架溫度，并讀取相應(yīng)百分表讀數(shù)，結(jié)果如表1所示，記錄過程中，刀盤轉(zhuǎn)速為120r/min，室溫為14℃。時間至360min后，停下銑齒機，隨時間變化讀取測溫槍及兩個百分表讀數(shù)，得到數(shù)據(jù)積累如下表２所示，記錄過程中，刀盤轉(zhuǎn)速為0r/min，室溫為14℃。分析表1、表2的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，銑齒機起動后，由測溫槍測得銑頭溫度不斷上升，溫差從18.5℃升到最高37.8℃，有約20℃的溫差，而伴隨時間變化，溫度上升，刀架在徑向方向上的產(chǎn)生了形變，有了一定的伸長量，伸長量從0mm一直到0.22mm，溫度升高至最高，伸長量也達(dá)到最大，后主軸停止后，銑刀架溫度以穩(wěn)定速率回落，此時刀架在徑向方向上的形變量也從0.22mm慢慢恢復(fù)至0mm。依據(jù)以上數(shù)據(jù)繪制溫度與銑刀架型變量關(guān)系如圖1所示。圖1

溫度與伸長量關(guān)系以上數(shù)據(jù)與圖表說明，在銑齒機運轉(zhuǎn)過程中，確實存在因為銑刀架溫度上升而導(dǎo)致的形變，并且形變也確實在徑向上有一定的伸長量，正是這個徑向伸長最終造成了齒槽的深度加深，進而引起齒距偏差。這說明，筆者關(guān)于銑刀架溫度變化引起齒槽深度變化的猜測是正確的。而經(jīng)過這一試驗，發(fā)現(xiàn)了溫度變化是引起齒距偏差的根源所在。為了解決溫度變化帶來的影響、保證加工精度，有兩個方案可供參考，一是研車，使銑刀架內(nèi)部達(dá)到熱平衡后再行加工；二是人為計算偏移量并在加工過程中設(shè)置進給量同時予以偏移，從而達(dá)到補償溫度變化引起的偏移的目的。其中，第一種方法看似可行，但在加工車間很難實現(xiàn)，因為要達(dá)到熱平衡需要很長的空研車時間，在實際生產(chǎn)中的效率太低。因此，采用第二種方法，即為溫度補償法。這一方法的具體操作為：實時檢測銑刀架的溫度，通過溫度的變化量來估算刀盤的偏移量，將刀具的偏移量補償?shù)綇较蚯行剂恐?，從而實現(xiàn)實際切屑量的平衡，減小由于主運動產(chǎn)生的熱量而引起的熱變形導(dǎo)致最終對尺寸的影響。具體溫度補償方案如表3所示。這里的溫度采集選用的是兩個貼片式溫度傳感器KYW-T1分別對床身和銑頭進行采集，將采集來的信號通過KYW-DP3V溫度變送器將溫度值轉(zhuǎn)換為電壓信號反饋給數(shù)控系統(tǒng)。兩個溫度采集點以床身溫度作為基準(zhǔn)溫度亦即環(huán)境溫度。每加工完一個齒，計算一次兩點的溫度差值，溫差增大，則有溫升，溫差增量則為溫升量；溫差不變，則溫度穩(wěn)定。這里使用的兩點溫差的增量作為溫度補償?shù)臄?shù)據(jù)，是為了避免環(huán)境溫度的變化造成對溫度數(shù)據(jù)采集的不準(zhǔn)確而影響補償?shù)木?。溫度變送器與傳感器接線如圖2所示，圖中V0端子連接到系統(tǒng)I/O板的模擬量輸入端上。圖2

溫度變送器與傳感器接線經(jīng)過溫度變送器轉(zhuǎn)換后，在數(shù)控系統(tǒng)上，其顯示如表4所示，此為西門子828D系統(tǒng)模擬量輸入端電壓測量運行方式的測量值。通過上表可以看到，西門子828D系統(tǒng)采集到的數(shù)值范圍為0～6581，而溫度傳感器的量程范圍為-50～100℃。依據(jù)此可以計算出溫度上升的系數(shù)M=6581÷150≈43.87，這個系數(shù)顯示，溫度每升高1℃，系統(tǒng)讀取的數(shù)據(jù)增大43.87。而伸長量與溫度的關(guān)系也可以通過表1、表2和圖1得到。依據(jù)表1、表2可知，此試驗中主軸運行后的溫升取近似值20℃，徑向伸長量最大約為0.22mm，這一試驗結(jié)果與材料研究室依據(jù)相關(guān)理論計算的溫升參數(shù)0.01/℃相符。有了這個數(shù)據(jù)，可以計算出銑刀架材料本身的伸長系數(shù)K值。以公式計算如下：式中，ΔL為伸長量（mm），ΔT為溫升量（℃），則溫度每升高1℃，系統(tǒng)上讀取到的數(shù)據(jù)與伸長量之間的關(guān)系為：式中，K為伸長系數(shù)；M為溫升系數(shù)；ΔP為讀數(shù)偏差的增量；Pn為銑刀架處讀取的數(shù)值；P’n為床身處讀取的數(shù)值；n為當(dāng)前加工的齒數(shù)。以此作為補償，即每加工完一個齒，讀取溫度傳感器數(shù)據(jù)，計算一次溫度差，依據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的讀取數(shù)據(jù)設(shè)置伸長量補償，在補償數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行下一個齒的切削，以此循環(huán)，直到切完最后一個齒。這就是完整的溫度補償方案原理。確認(rèn)此方案后，在銑齒機YK83500/4上進行了編程工作，調(diào)整程