加工中心主轴热误差数值建模方法的探讨.pdf

数控加工技术

加工中心主轴热误差数值建模方法的探讨

张燕梁楚华王新满蛟

（新疆大学北校区机械工程学院，乌鲁木齐830008）

摘要在测量加工中心主轴系统的温度场和热误差数据的基础上，研究了温度变化与主轴热误差之间的关系，并用不同
的回归方法建立了两者的多元线性回归模型。经研究分析，利用偏最小二乘回归法进行建模，具有较强的预测能力和较
为理想的精度，可以满足加工中心热误差实时补偿的应用要求。
关键词：主轴热误差建模多元线性回归
中图分类号：TH16文献标识码：B文章编号：1671—3133（2005）10—0023—03

Numericalmodelingexploremethodsforthermalerrorofthespindle
ZhangYan，LiangChuhua，WangXin，ManJiao
（XinjiangUniversity，Wulumugi830008，CHN）
AbstractOnthebaseofthesurveyofthetemperaturefieidofmachiningcenterspindieunitandthethermaierrorofspindie，the
reiationshipbetweenthetemperaturechangesandthethermaierrorofspindiehasbeenstudied，andaiinearregressionmodeihas
aisobeenbuiitupbydifferentmethods.Byresearchandanaiysis，partiaiieast-sguaresregressionmethodisprovidedwithgood
forecastabiiityandenoughprecisiontomeetwiththereguirementofmachiningcenterthermaierrorcompensation.
Keywords：SpindleThermalerrorModelingLinearregression

机床的不精确度是引起工件误差的主要因素之行测量。测量结果如表1所示。
一，而热误差在机床的误差中占。由于机
40%~70%表1各转速热平衡状态下主轴各项热误差
床热边界的不确定性和传热的复杂性，热误差的研究
转速/轴向/"向/!向/
长期以来一直处于定性研究阶段。现在机械制造技术垂直倾角水平倾角
（r·min-1）!m!m!m
向高速度、高效率、高精度和高智能化方向发展，热误
20019-3-3-2.5E-50.0E+00
差问题变得越来越严重。随着计算机技术和误差检测
50090-1210.52.5E-6-3.0E-05
技术的发展，使得建立机床热误差的模型和补偿成为800112-19194.5E-5-4.0E-05
可能。本文根据试验结果，分析机床主轴组件的温度1000149-26.627.83.4E-5-5.0E-05
分布与热误差之间的关系，用不同的方法建立两者间1200152-1343E-5-3.0E-05
的多元线性回归模型并进行比较。经过计算和分析，
从试验结果来看，主轴套筒附近的测温点温升最
利用偏最小二乘回归方法建模具有较强的预测能力和
高，在1200r/min转速下，温升平均达到20C，这说明
较好的精度，并且和热误差的物理解释非常吻合。
主轴轴承是主要的热源之一。主轴轴向误差随着转速
升高而不断增大，这是由于转速越高，主轴发热量也越
1试验数据分析
大，引起主轴轴向变形增大；同时，!向、"向误差随转
本研究中构建了一套基于虚拟仪器系统的温度场速升高呈现先负后正的变化规律，这可能是因为主轴
和热误差测量系统，在机床主轴和主轴箱上布置32个箱各个部分的热变形不一致，引起零件之间约束关系
热电偶传感器用于测量机床的温度场，并采用5个电的变化，从而使误差向反方向变化。
涡流位移传感器五点法测量主轴的各项热误差。
2建立回归模型
机床主轴热误差主要是!、"、#方向的位移误差
以及垂直和水平方向的倾角误差，可以采用五点法进2.1多元回归分析原理

现代制造工程2005（10）23
数控加工技术

多元回归分析用于热误差建模可以取得比较好的F检验的目的是检验因变量是否与自变量存在显
精度。运用多元回归分析方法，就是把机床看成一个著的线性关系。如果在总体数据中确实存在这种线性
黑箱，目的在于建立离散温度场和主轴热位移之间的关系，则至少应存在一个，对的总体参数不
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经验关系，而不考虑机床内部复杂的边界条件，只关心为零；否则，所有的总体参数（，，⋯，）均为
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机床主轴最终在X、Y、Z方向上的误差和倾角误差。零，认为Y与X无显著的线性关系。
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