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尤其當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生快速變化時(shí)，加工作業(yè)就會(huì)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。通常需要投入費(fèi)用高昂的空調(diào)設(shè)備，使得難以控制的熱膨脹得到有效控制。

IPT Fraunhof公司與項(xiàng)目合作單位SHW Werkzeugmaschinen和SHW Bearbeitungstechnik公司一起選擇了另外一種方法：通過(guò)采用一種新型的測(cè)量技術(shù)，可以在生產(chǎn)過(guò)程中測(cè)定出設(shè)備的變形量，由此可以預(yù)防加工錯(cuò)誤的發(fā)生，并可以節(jié)省可觀的空調(diào)運(yùn)行成本。這是因?yàn)樵O(shè)備不再受到周圍環(huán)境溫度的影響從而保持精確加工。Epsis研究項(xiàng)目對(duì)該技術(shù)方案在大型機(jī)床設(shè)備上的應(yīng)用潛力進(jìn)行了更加深入的探索。

圖1 在SHW-UFZ6型機(jī)床設(shè)備上對(duì)大型工件進(jìn)行校準(zhǔn)

溫度影響機(jī)床設(shè)備

大約有75%的部件加工誤差是由于溫度波動(dòng)而導(dǎo)致的。尤其是大型機(jī)床設(shè)備擁有較大的杠桿臂，在受到此類影響時(shí)容易發(fā)生嚴(yán)重的變形。一種常規(guī)的解決途徑是維持一種恒定的溫度水平，因?yàn)闇囟缺３址�(wěn)定，設(shè)備即可避免變形。

但是，這種方法唯有在空調(diào)和設(shè)備均處于24?h不間斷開機(jī)的狀況下方為有效,否則又會(huì)需要很長(zhǎng)時(shí)間，才能重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。此外，設(shè)備的調(diào)溫往往會(huì)與巨大的能耗相關(guān)聯(lián)。

因此，F(xiàn)raunhofer-IPT和SHW在Epsis(能源效益與集成傳感技術(shù)而獲得的精度)研究項(xiàng)目上的目標(biāo)便是無(wú)需繁瑣的調(diào)溫技術(shù)，即可穩(wěn)定機(jī)床設(shè)備的工作精度。

傳感器取代昂貴的空調(diào)技術(shù)

通過(guò)一種內(nèi)置傳感器的系統(tǒng)，可以對(duì)機(jī)床設(shè)備的變形情況進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)視。借助于一種數(shù)學(xué)模型，可以計(jì)算出設(shè)備的定位誤差。而有了已知的誤差數(shù)值，即可通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的定位進(jìn)行糾正。由于設(shè)備的變形情況得到連續(xù)的監(jiān)視和預(yù)計(jì)算，因此設(shè)備自身無(wú)需調(diào)溫即可保持很高的加工精度。由此可以省去空調(diào)措施并省下相應(yīng)費(fèi)用。

這種技術(shù)方案是否奏效，一個(gè)前提條件便是傳感器在應(yīng)用上必須達(dá)到很高的測(cè)量精度才行。對(duì)此，F(xiàn)raunhofer-IPT公司在其試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了大量的試驗(yàn)。傳感器的功能和測(cè)量精度可以在各種不同條件下接受驗(yàn)證。例如，可以通過(guò)所使用的傳感器的溫度穩(wěn)定性來(lái)對(duì)設(shè)備的受熱變形狀況進(jìn)行高精測(cè)定。同時(shí)，也可對(duì)設(shè)備因機(jī)械載荷的變形(例如重力)進(jìn)行可靠的測(cè)定。

但是，僅僅依靠變形測(cè)量這一種途徑是不足以對(duì)工件的誤差進(jìn)行糾正的。為了獲得設(shè)備變形對(duì)部件精度誤差所帶來(lái)的影響程度，數(shù)學(xué)模型的工作也必須達(dá)到高精度和無(wú)差錯(cuò)。這可以在檢驗(yàn)臺(tái)上針對(duì)各種不同的載荷情況進(jìn)行模擬演示。從試驗(yàn)的結(jié)果中可以得出如下結(jié)論：高達(dá)95%的因設(shè)備機(jī)架彎曲而在工件上出現(xiàn)的誤差可以由該系統(tǒng)測(cè)得和計(jì)算。由此可以看出，在大型設(shè)備上使用該系統(tǒng)可以獲得良好的結(jié)果。也可以設(shè)想在所有有較大變形危險(xiǎn)的部件上安裝傳感器系統(tǒng)。相對(duì)于大型機(jī)床的整體成本而言，該系統(tǒng)的費(fèi)用很低，因此這種投入是很有意義的。

但是還須確保該系統(tǒng)不僅僅在實(shí)驗(yàn)室條件下管用，同時(shí)也須在實(shí)際使用中發(fā)揮其功能。對(duì)此，通過(guò)研發(fā)合作伙伴即SHW Werkzeugmaschinen公司的努力，在機(jī)床設(shè)備上安裝了一套測(cè)量系統(tǒng)。該測(cè)量系統(tǒng)可以對(duì)20?m長(zhǎng)的機(jī)身設(shè)備的膨脹進(jìn)行直接測(cè)定。由此可以獲得在各種不同的溫度影響下機(jī)床設(shè)備狀態(tài)的知識(shí)。該系統(tǒng)可以顯示出機(jī)身設(shè)備在各種不同的溫度下的工作狀態(tài)。因此可以在數(shù)月里對(duì)設(shè)備變形情況進(jìn)行穩(wěn)定的觀察。在機(jī)身設(shè)備上所做的后續(xù)測(cè)試證實(shí)，其測(cè)量精度可以與激光干涉儀的精度相媲美，而前者的費(fèi)用只相當(dāng)于后者費(fèi)用的一小部分而已。

圖2 SHW UniForce 6型可更換銑頭機(jī)床通過(guò)采用多個(gè)主軸頭對(duì)一個(gè)設(shè)備部件進(jìn)行加工

外部環(huán)境對(duì)測(cè)量系統(tǒng)無(wú)影響

在大件加工的常規(guī)條件下，最初試驗(yàn)也已表明，外部因素(如振動(dòng)或油霧等)不會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)不良影響。因此，新的測(cè)量系統(tǒng)非常結(jié)實(shí)，很適合用于工業(yè)場(chǎng)所。

在經(jīng)歷了試驗(yàn)階段和對(duì)傳感器在機(jī)身上應(yīng)用的優(yōu)化舉措之后，現(xiàn)在應(yīng)該對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展并使之完全應(yīng)用于機(jī)床設(shè)備之上。這就意味著設(shè)備上的活動(dòng)元件(如設(shè)備機(jī)架)也將由傳感器系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。在此需要指出的是，該測(cè)量系統(tǒng)可以在現(xiàn)有的機(jī)床設(shè)備上進(jìn)行加裝，費(fèi)用并不高。對(duì)此，在傳感器技術(shù)的研發(fā)過(guò)程中，也開發(fā)出了一種標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件組合系統(tǒng)。借助于這種標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件組合系統(tǒng)，在短短的幾個(gè)步驟之內(nèi)即可開發(fā)出一臺(tái)具體的機(jī)床設(shè)備所需的傳感器。

目前，機(jī)床設(shè)備的改造正在由項(xiàng)目合作伙伴SHW Bearbeitungstechnik公司進(jìn)行實(shí)施。緊接著還需進(jìn)行后續(xù)的驗(yàn)證測(cè)量實(shí)驗(yàn)，以證明該系統(tǒng)的功能完備性。

采用傳感器技術(shù)的目的也在于，在傳感器的測(cè)量循環(huán)中即可獲得機(jī)床設(shè)備的校正數(shù)據(jù)。對(duì)此，設(shè)備操作人員只需開始相應(yīng)的測(cè)量循環(huán)即可，而無(wú)需對(duì)設(shè)備進(jìn)行換裝，因?yàn)樗�需的測(cè)量器械已經(jīng)直接設(shè)置在設(shè)備上了。由此可以顯著降低生產(chǎn)輔助時(shí)間。

此外，即使是在加工過(guò)程當(dāng)中，設(shè)備的定位也可通過(guò)校正模型的連續(xù)計(jì)算得到糾正。這在以前已經(jīng)以主軸溫度補(bǔ)償?shù)姆绞綖槿藗兯�知，但其�?yōu)化潛力仍可通過(guò)采取結(jié)構(gòu)性的監(jiān)視措施來(lái)得以顯著提升。