基于正交试验分析的机床主轴热误差优工况确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机床主轴热误差分析领域，具体地涉及一种基于正交试验分析的机床 主轴热误差优工况确定方法。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的飞速发展，精密和超精密加工技术已成为现代机械制造中最重要 的组成部分和发展方向，这对数控机床加工精度的要求也越来越高。而据相关资料表明，热 误差已成为影响机床加工精度的主要误差源，约占总制造误差的40% -70%。因此减小热 误差对提高机床的加工精度至关重要。
[0003] 由于机床热变形误差在很大程度上取决于加工条件、加工周期、冷却液的使用以 及周围环境等多种因素，因此热误差测试工况的选择对热误差建模与补偿影响很大。近年 来，在热误差测试工况方面大多都基于前期的工程经验或选取贴近加工现场的工况，但由 于热误差通常具有时变，多因素，工况不确定性等特点，使得测试工况的模型不具有代表 性，且存在数据冗余、稳定性降低等问题。在此方面，上海交通大学杨建国教授等在论文"回 归正交设计在机床热误差建模中的应用"（航空精密制造技术，1995, 35 (5) : 33-36.)中提 出了回归正交设计建模法，并将机床机构、环境条件、工程判断、众多经验等因素结合起来 进行热误差建模，很好的解决了热误差在不同环境下建模的问题，但其未针对性进行工况 优化设计，也未看到利用正交试验优选出热误差优工况方案。
【发明内容】
[0004] 针对上述技术问题，本发明提供了一种基于正交试验分析的机床主轴热误差优工 况确定方法。整个过程可以在减少试验次数的基础上，使试验具有典型性、整齐可比性，实 现工况的最优化和布点的高效化、可靠化。
[0005] 本发明的技术方案是：
[0006] 一种基于正交试验分析的机床主轴热误差优工况确定方法，包括以下步骤：
[0007] (1)确定温度与热变形之间的相关系数作为热误差评价指标，选取转速、时间、有 无冷却为试验设计因素，并确定各因素水平数；
[0008] (2)根据因素水平数选择符合条件较小的正交表Ln(rm)，其中，L为正交表代号；η 为正交表横行数；r为因素水平数;m为正交表纵列数；
[0009] (3)将主轴热敏区域沿一轴切线进行切割展开成矩形，并在矩形区域内划分网格 内均匀布置测点；
[0010] (4)根据正交设计测点布置，对每个测点依次进行试验，求取各测点热误差相关系 数，并对其进行极差分析，确定热误差测试优工况方案。
[0011] 优选的，主轴轴向的测点间隔小于圆周向测点间隔。
[0012] 优选的，各因素水平数取2,所选正交表为L4(23)，将转速、时间、有无冷却分别放 在第1列、第2列和第3列。
[0013] 优选的，所述的极差分析步骤为：
[0014] ⑴根据正交设计构建极差分析表并对各列因素求取Ki、R;其中，Ki表示任 一列上水平号为i时，所对应的热误差相关系数之和；R称为极差，在任一列上R = max (K1, K2} -min (K1, K2}；
[0015] (2)根据极差R值确定各因素主次顺序，根据各列的Ki值确定各因素所选取的水 平，最终得出热误差优工况方案。
[0016] 本发明的优点是：
[0017] 1、利用正交试验法对主轴热误差工况进行针对性优化设计，以温度与热变形之间 的相关系数作为热误差评价指标，选取转速、时间和有无冷却为主要因素构建正交表，并在 主轴热敏区域内均匀布点测试，对测试结果进行极差分析，以确定优工况方案，整个过程可 以在减少试验次数的基础上，使试验具有典型性、整齐可比性，实现工况的最优化和布点的 高效化、可靠化。
[0018] 2、该方法具有整齐可比、均衡分散等特征，应用简便，试验次数较少。
【附图说明】
[0019] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
[0020] 图1为本发明基于正交试验分析的机床主轴热误差优工况确定方法的流程图；
[0021] 图2为本发明基于正交试验分析的机床主轴热误差优工况确定方法的的热误差 测点布置图。
【具体实施方式】
[0022] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合【具体实施方式】并参 照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发 明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本 发明的概念。
[0023] 实施例：
[0024] 结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步说明：
[0025] 如图1所示，一种基于正交试验分析的机床主轴热误差优工况确定方法，首先明 确热误差试验目的，确定温度与热变形之间的相关系数作为评价指标，根据实践经验及专 业知识，选取转速、时间、有无冷却为影响热误差的主要因素，略去次要因素，针对每个因素 确定水平数。
[0026] 然后，根据因素水平数选择符合条件较小的正交表Ln(rm)，其中，L为正交表代号； η为正交表横行数；r为因素水平数;m为正交表纵列数。本发明各因素水平数均取2,即所 选正交表为L4 (23)，根据其使用法则，将转速、时间、有无冷却分别放在正交表的第1列、第2 列和第3列；
[0027] 然后，将主轴发热较敏感的区域沿某一轴切线进行切割展开成矩形，并在矩形区 域内划分网格按照均匀布点原则进行布点，如图2所示，考虑到主轴轴向是主要散热方向， 布点间隔应较小，而对于圆周向，散热较均匀，布点间隔可尽量大些。
[0028] 根据正交设计测点布置，对每个测点依次进行试验，测试完毕后，将结果代入相关 系数程序中进行求解，并进行极差分析以确定热误差测试优工况方案。
[0029] 以下结合具体实例进行说明：
[0030] 对一台VMC1060数控加工中心主轴进行工况优化设计，该主轴轴长为515mm，直径 为Φ 150_。首先选取热误差相关系数作为热误差试验评价指标，根据工厂实践经验及测试 需求，选取转速、时间和有无冷却为试验设计因素，分别记为A、B、C，根据各因子可能的取值 范围，在经验的基础上选取各因素水平数为2。构建因素水平表如下表所示。
[0031]
【主权项】
1. 一种基于正交试验分析的机床主轴热误差优工况确定方法，其特征在于，包括以下 步骤： (1) 确定温度与热变形之间的相关系数作为热误差评价指标，选取转速、时间、有无冷 却为试验设计因素，并确定各因素水平数； (2) 根据因素水平数选择符合条件较小的正交表其中，L为正交表代号；η为正 交表横行数；r为因素水平数;m为正交表纵列数； (3) 将主轴热敏区域沿一轴切线进行切割展开成矩形，并在矩形区域内划分网格内均 匀布置测点； (4) 根据正交设计测点布置，对每个测点依次进行试验，求取各测点热误差相关系数， 并对其进行极差分析，确定热误差测试优工况方案。
2. 根据权利要求1所述的基于正交试验分析的机床主轴热误差优工况确定方法，其特 征在于，主轴轴向的测点间隔小于圆周向测点间隔。
3. 根据权利要求1所述的基于正交试验分析的机床主轴热误差优工况确定方法，其特 征在于，各因素水平数取2,所选正交表为Uf)，将转速、时间、有无冷却分别放在第1列、 第2列和第3列。
4. 根据权利要求1所述的基于正交试验分析的机床主轴热误差优工况确定方法，其特 征在于，所述的极差分析步骤为： (1) 根据正交设计构建极差分析表并对各列因素求取Kp R ;其中，Ki表示任 一列上水平号为i时，所对应的热误差相关系数之和；R称为极差，在任一列上 R = mas -j K2 - min { Kh K1J-； (2) 根据极差R值确定各因素主次顺序，根据各列的Ki值确定各因素所选取的水平，最 终得出热误差优工况方案。
【专利摘要】本发明公开了一种基于正交试验分析的机床主轴热误差优工况确定方法，包括以下步骤：确定温度与热变形之间的相关系数作为热误差评价指标，选取转速、时间、有无冷却为试验设计因素，并确定各因素水平数；根据因素水平数选择符合条件较小的正交表，其中，L为正交表代号；n为正交表横行数；r为因素水平数；m为正交表纵列数；将主轴热敏区域沿一轴切线进行切割展开成矩形，并在矩形区域内划分网格内均匀布置测点；根据正交设计测点布置，对每个测点依次进行试验，求取各测点热误差相关系数，并对其进行极差分析，确定热误差测试优工况方案。在减少试验次数的基础上，使试验具有典型性、整齐可比性，实现工况的最优化和布点的高效化、可靠化。
【IPC分类】B23Q17-00, B23Q11-00
【公开号】CN104827339
【申请号】CN201510171072
【发明人】袁江, 吕晶, 邱自学, 沈亚峰, 周成一
【申请人】南通大学
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年4月10日