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尤其當環(huán)境條件發(fā)生快速變化時，加工作業(yè)就會面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。通常需要投入費用高昂的空調設備，使得難以控制的熱膨脹得到有效控制。

IPT Fraunhof公司與項目合作單位SHW Werkzeugmaschinen和SHW Bearbeitungstechnik公司一起選擇了另外一種方法：通過采用一種新型的測量技術，可以在生產過程中測定出設備的變形量，由此可以預防加工錯誤的發(fā)生，并可以節(jié)省可觀的空調運行成本。這是因為設備不再受到周圍環(huán)境溫度的影響從而保持精確加工。Epsis研究項目對該技術方案在大型機床設備上的應用潛力進行了更加深入的探索。

圖1 在SHW-UFZ6型機床設備上對大型工件進行校準

溫度影響機床設備

大約有75%的部件加工誤差是由于溫度波動而導致的。尤其是大型機床設備擁有較大的杠桿臂，在受到此類影響時容易發(fā)生嚴重的變形。一種常規(guī)的解決途徑是維持一種恒定的溫度水平，因為溫度保持穩(wěn)定，設備即可避免變形。

但是，這種方法唯有在空調和設備均處于24?h不間斷開機的狀況下方為有效,否則又會需要很長時間，才能重新達到穩(wěn)定狀態(tài)。此外，設備的調溫往往會與巨大的能耗相關聯。

因此，Fraunhofer-IPT和SHW在Epsis(能源效益與集成傳感技術而獲得的精度)研究項目上的目標便是無需繁瑣的調溫技術，即可穩(wěn)定機床設備的工作精度。

傳感器取代昂貴的空調技術

通過一種內置傳感器的系統(tǒng)，可以對機床設備的變形情況進行連續(xù)的監(jiān)視。借助于一種數學模型，可以計算出設備的定位誤差。而有了已知的誤差數值，即可通過控制系統(tǒng)對設備的定位進行糾正。由于設備的變形情況得到連續(xù)的監(jiān)視和預計算，因此設備自身無需調溫即可保持很高的加工精度。由此可以省去空調措施并省下相應費用。

這種技術方案是否奏效，一個前提條件便是傳感器在應用上必須達到很高的測量精度才行。對此，Fraunhofer-IPT公司在其試驗臺上進行了大量的試驗。傳感器的功能和測量精度可以在各種不同條件下接受驗證。例如，可以通過所使用的傳感器的溫度穩(wěn)定性來對設備的受熱變形狀況進行高精測定。同時，也可對設備因機械載荷的變形(例如重力)進行可靠的測定。

但是，僅僅依靠變形測量這一種途徑是不足以對工件的誤差進行糾正的。為了獲得設備變形對部件精度誤差所帶來的影響程度，數學模型的工作也必須達到高精度和無差錯。這可以在檢驗臺上針對各種不同的載荷情況進行模擬演示。從試驗的結果中可以得出如下結論：高達95%的因設備機架彎曲而在工件上出現的誤差可以由該系統(tǒng)測得和計算。由此可以看出，在大型設備上使用該系統(tǒng)可以獲得良好的結果。也可以設想在所有有較大變形危險的部件上安裝傳感器系統(tǒng)。相對于大型機床的整體成本而言，該系統(tǒng)的費用很低，因此這種投入是很有意義的。

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

圖2 SHW UniForce 6型可更換銑頭機床通過采用多個主軸頭對一個設備部件進行加工

外部環(huán)境對測量系統(tǒng)無影響

在大件加工的常規(guī)條件下，最初試驗也已表明，外部因素(如振動或油霧等)不會給測量結果帶來不良影響。因此，新的測量系統(tǒng)非常結實，很適合用于工業(yè)場所。

在經歷了試驗階段和對傳感器在機身上應用的優(yōu)化舉措之后，現在應該對該系統(tǒng)進行擴展并使之完全應用于機床設備之上。這就意味著設備上的活動元件(如設備機架)也將由傳感器系統(tǒng)進行監(jiān)控。在此需要指出的是，該測量系統(tǒng)可以在現有的機床設備上進行加裝，費用并不高。對此，在傳感器技術的研發(fā)過程中，也開發(fā)出了一種標準構件組合系統(tǒng)。借助于這種標準構件組合系統(tǒng)，在短短的幾個步驟之內即可開發(fā)出一臺具體的機床設備所需的傳感器。

目前，機床設備的改造正在由項目合作伙伴SHW Bearbeitungstechnik公司進行實施。緊接著還需進行后續(xù)的驗證測量實驗，以證明該系統(tǒng)的功能完備性。

采用傳感器技術的目的也在于，在傳感器的測量循環(huán)中即可獲得機床設備的校正數據。對此，設備操作人員只需開始相應的測量循環(huán)即可，而無需對設備進行換裝，因為所需的測量器械已經直接設置在設備上了。由此可以顯著降低生產輔助時間。

此外，即使是在加工過程當中，設備的定位也可通過校正模型的連續(xù)計算得到糾正。這在以前已經以主軸溫度補償的方式為人們所知，但其優(yōu)化潛力仍可通過采取結構性的監(jiān)視措施來得以顯著提升。