工具机主轴温升热变位量测及补偿技术

一、热变形概念

      工具机在进行加工过程，无论马达、液压系统和机械摩擦都是在进行能量转换，不论转换途径为何，大多变成了热，而工具机的温升和热变位即是由各种热源所引起。这些热量一部份由切屑和冷却液带走(切削摩擦热)、一部份发散至周围环境、一部份传至工件，造成工件温升、一部份残留于工具机，造成机体内部的温度变化。此外，工具机的温度变化还有其它外部原因，即环境温度变化和日光照射。

      工具机机体的温度并非定值，有复杂的变化。在我们进行加工时，其温度会上升；停机或装卸工件时，温度则下降。加工另一工件时，温度上升；停机时，温度再次下降。再以环境温度而言，有日夜周期性的温度变化、也有四季变化。在一般的情况下，温度是时间和空间的函数，可以下式来表示：

T=f(x,y,z,t)

      此外，热源经过热传导、对流和辐射等热传方式，使工具机各组装部位产生温度差后，出现热变形现象，降低工具机的几何和定位精度；且由于工件温度和量具的温度不同，也因而降低了量测精度。因热效应造成机体膨胀而形成热变形，并造成刀具与工件的相对位置发生变化，导致加工时工件尺寸或形状的误差。如下图所示：

 

二、工具机的热源及热变形改善方法

      除了周围环境温度变化外，主要是由三个进给轴及主轴的支撑轴承因滚动摩擦而产生的。其中由于主轴的高速运转及切削时热源的加入，使得主轴成为工具机最大热源的产生区，也是我们首先必须要改善的对象。

      热变形的改善方法大致有下列四个方向：

(1).防止热的传递－

      采用断热(Thermal Break)的方式隔绝热源。利用陶瓷或花岗岩构件等绝热或低热导系数之替代材料，再加上热平衡设计。如此装配成之切削中心机，成效不错，但研发时程与成本太大。

(2).降低或防止热变形－

      使用及加装冷却循环系统或事先加温使工具机在一稳态且整机均温下达到避免阿贝误差的效果，但若冷机不当，可能达到反效果。如一般对外部轴承护套施以冷却的方法为例，若只对外部轴承护套降温，则轴承内部的膨胀将大于轴承外部的膨胀，使轴承产生紧缩、更大热效应的后果。

(3).热变形后加以补偿－

      对于热误差不采用抑制的方法，而任其自由生长，但对于热误差成长的方向采用追踪的方式，找出温度与热误差的关系式，再使用补偿的方式，修改NC指令，使热误差对工件的误差贡献量达到最小，此一种方法的问题在于切削中心机的零组件繁多，每一个组件的温升都有可能对误差造成或多或少的贡献，要建立温度与热误差的模型相当困难与复杂，且试棒的热误差无法并入考虑，使得热误差量测的量值失真。

(4).恒温－

      此方法乃是将主轴之温度控制在某一个范围，使得主轴的变形量永远保持在某一固定值，因此伺服轴的补偿量是固定不变的。

      传统的改善方法为上述1及2等硬件改善方法，虽然成效不错，但一旦机器已制造完成则几无更改的可能，且在强调开发时程短、多样化的环境下，极易使厂商丧失快速、弹性的竞争力。因此，国外先进国家乃采于热变形后再加以改善的方法。 nextpage

三、主轴温升热变形量测

3.1 量测方法

      (1).量测设备

             1.非接触式位移计。

             2.温度传感器。

             3.资料撷取设备。

             4.圆形测试棒。

             5.固定位移计的夹具。

       (2).注意事项：

      量测时固定在工作台的夹具务必保持稳固，固定在夹具上的非接触式位移计也要力求稳固，以免影响量测结果。此外最好能将测试仪器及待测机台一齐置于环境中，且最好能够隔夜，以确保仪器与机台能在稳定状态下进行测试，将量测误差减至最低。

3.2 量测程序

      依ASEM B5.54 para5.7.3.2所建议的测试程序：

Long Duration Spindle Thermal Stability Test 其测试条件如下

主轴转速：受测机台最高转速之75%。

进给转速：0rpm。

运转时间：8 hr。

位移量测架构：如下图。

切削中心机热变形量测位移传感器架设方式

至少每十分钟撷取资料一次，画出Z轴X、Y、Z方向位移对时间之关系图。  nextpage

3.3 量测系统架构

      热变形资料撷取之整体架构如下图所示。温升量测系统撷取温度点类比讯号，经过资料撷取设备中A/D卡转换后取得各点温度，并将资料透过串行埠传至个人计算机存档；位移量测单元将量测所得讯号，同样地经过资料撷取设备转换，以取得各点位移值，再将资料透过串行埠传至个人计算机存档。所有的温度、位移值资料最后再作多变量回归分析，求得温度与位移之间的关系式。

四、热变形模型建立

      主轴温升热变形的预测模式有许多理论方式可建立，诸如：热传理论、有限元素法、指数型函数、多变量线性回归、类神经网络..等，皆可用来做为预测热变形系统的方式。目前以多变量线性回归分析最常被应用来做热变形预估。

      回归分析是一种统计分析的方法，主要重点在于了解自变量(independent variable)与应变量(dependent variable)间之数量关系；主要用处，是寻找两个或两个以上的变量之间的相互变化的关系。

回归分析步骤：

       依上述步骤将主轴温升热变形的实验数据资料，利用线性回归分析法建立主轴温升与热变形的对应数学模型。得到热变形预估模型后，即可针对主轴温升后会因热膨胀造成精度误差的部份，补偿回可接受的误差范围，以提升机台整体的精度等级。

五、结论

      近几年台湾因为模具业的大量兴起，对于热变形的要求尤其高。

同时模具加工除了要求快速外，最为重视的问题有以下几项：(1)加工时间长；(2)环境温度影响加工精度；(3)温机时间长影响加工时效等问题。当然目前所开发的热补偿功能正符合了以上所提及的问题做了解决，对于模具加工厂的接受度在近几年的努力之下已经慢慢发展达到需求。

当工具机面临高速化的同时，伴随而来的高精度要求比以往更甚。过去的加工机对于热变形的了解与影响并没有深刻的认识与重视，但在同一时间日本、欧美等国之工具机大厂针对热变形补偿的技术，早已发展成熟并且使用在许多要求精密加工之机台上。

热变形的量测技术是希望能建立解决工具机热变形问题的能量，研发设计过程中经过补偿硬件的制作、杂讯问题的克服及热变形建模等历程，台中精机目前已有初步的研发成果，日后配合各项加工测试应用，可进一步提升加工精度，创造机台的附加价值。