數(shù)控機(jī)床的熱誤差補(bǔ)償技術(shù)研究

陳偉

摘 要：數(shù)控機(jī)床在加工過程中，各部件由于受到摩擦熱、冷卻液以及環(huán)境溫度等熱源的影響，使溫度升高，產(chǎn)生熱變形，最終使得刀具和工件之間原來相對(duì)正確的位置遭到破壞，從而導(dǎo)致工件的熱誤差，這種誤差是成為精密和超精密加工過程中的主要誤差來源。

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工中心；熱誤差檢測(cè)

自從數(shù)控機(jī)床問世以來，在各行各業(yè)的制造加工過程中得到了廣泛的應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床作為機(jī)械制造裝備業(yè)中重要的生產(chǎn)工具，它的精度指標(biāo)直接決定了整個(gè)制造裝備業(yè)甚至一個(gè)國家的工業(yè)發(fā)展水平。函此，提高數(shù)控機(jī)床的加工精度受到了世界各國研究學(xué)者及工程技術(shù)人員的極大關(guān)注，改善數(shù)控機(jī)床的加工精度已經(jīng)成為了一項(xiàng)迫在眉睫的任務(wù)。

一、國內(nèi)外熱誤差補(bǔ)償技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.國外研究現(xiàn)狀。在國外，從事機(jī)床熱誤差補(bǔ)償技術(shù)比較有影響力的是美國密西根大學(xué)、美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)所、日本的東京大學(xué)、日立精機(jī)、大阪工業(yè)機(jī)床，德國的柏林工業(yè)大學(xué)等。美國密西根大學(xué)與美國SMS公司在1996年共同研制和開發(fā)了集切削力誤差、幾何誤差和熱誤差為一體的誤差補(bǔ)償系統(tǒng)，并將該技術(shù)應(yīng)用在SMS公司的雙主軸數(shù)控機(jī)床上取的了很大的成果；在1997年將熱誤差補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用于美國通用公司多臺(tái)數(shù)控加工中心上，使生產(chǎn)效率和精度提高了一倍；同時(shí)還為美國波音飛機(jī)制造公司的一些加工設(shè)備實(shí)施了誤差補(bǔ)償技術(shù)，應(yīng)用成功的是公司在利用龍門加工中心生產(chǎn)飛機(jī)機(jī)翼過程中利用熱誤差補(bǔ)償技術(shù)，使將加工精度提高了兩倍以上。

2.國內(nèi)研究現(xiàn)狀。由于歷史及我國工業(yè)發(fā)展水平不高的原因，國內(nèi)的機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)起步比較晚。但經(jīng)過近年來國內(nèi)學(xué)者的不斷努力，目前，我們國家在機(jī)床的熱誤差補(bǔ)償方面也取得了很大的成果。國內(nèi)學(xué)者分別從不同角度出發(fā)對(duì)機(jī)床熱誤差補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了大量深入地研究，上海交通大學(xué)的楊建國教授在溫度測(cè)點(diǎn)布置與熱誤差補(bǔ)償兩個(gè)方面均進(jìn)行了深入的研究并取得了比較豐碩的成果。通過對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行熱模態(tài)分析及建模，使以后的研究學(xué)者可以更好地理解數(shù)控機(jī)床的熱變形機(jī)理，同時(shí)為以后在機(jī)床上布置測(cè)溫點(diǎn)以及機(jī)床熱變形的檢測(cè)與補(bǔ)償提供了一定理論依據(jù)。

二、數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償所面臨的主要問題

雖然通過國內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)機(jī)床熱誤差補(bǔ)償技術(shù)的大量研究，機(jī)床熱誤差補(bǔ)償技術(shù)已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但無論是國外還是國內(nèi)，目前為止，還未見高水平的熱誤差補(bǔ)償技術(shù)在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)制造中大批量應(yīng)用。尤其是在我們國內(nèi)，盡管通過許多學(xué)者的研究取得了很大的進(jìn)展，但大部分還僅僅停留在實(shí)驗(yàn)室的范圍內(nèi)，其巨大的經(jīng)濟(jì)效益還沒有發(fā)揮出來。這表明無論是理論還是實(shí)踐，數(shù)控機(jī)床的熱誤差補(bǔ)償技術(shù)都還需要繼續(xù)進(jìn)行深入的研究，尤其將其應(yīng)用于工程實(shí)際，還需要各國學(xué)者與工程技術(shù)人員的不懈努力，才有可能盡早變成現(xiàn)實(shí)。

1. 繁重復(fù)雜的機(jī)床溫度和熱誤差檢測(cè)工作嚴(yán)重阻礙了機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)的推廣。準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、便捷地檢測(cè)并保存機(jī)床運(yùn)行時(shí)的溫度與熱變形數(shù)據(jù)是對(duì)數(shù)控機(jī)床熱誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那疤帷Ｓ捎跈C(jī)床的溫度場(chǎng)分布狀態(tài)是受機(jī)床內(nèi)外很多因素共同作用的結(jié)果，因此其分布情況非常復(fù)雜，為了充分獲取機(jī)床的溫度場(chǎng)的信息，需要在機(jī)床上布置非常多的溫度傳感器。但這樣不僅增加了溫度采集的費(fèi)用和勞動(dòng)量，而且在實(shí)際的生產(chǎn)加工過程中過多的布線可能會(huì)影響機(jī)床的正常運(yùn)行。然而如果布置較少的溫度傳感器，又可能會(huì)導(dǎo)致有用溫度信息的缺失。因此，復(fù)雜的機(jī)床溫度場(chǎng)以及熱誤差的檢測(cè)成為了誤差補(bǔ)償技術(shù)廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要障礙。

2. 所建立補(bǔ)償模型的通用性以及魯棒性比較差、復(fù)雜度較高

如果數(shù)控機(jī)床不是工作在恒溫環(huán)境下，根據(jù)現(xiàn)有的建模方法所得到的機(jī)床熱誤差補(bǔ)償模型隨著季節(jié)以及周圍環(huán)境的變化很難長(zhǎng)期保持原有模型的補(bǔ)償精度，即補(bǔ)償模型的魯棒性不好；另外，根據(jù)建模所得到的熱誤差補(bǔ)償模型即使在同一類型、同一規(guī)格的機(jī)床乃至同一環(huán)境條件下使用，補(bǔ)償模型最終的補(bǔ)償效果差別也會(huì)非常大，使得補(bǔ)償模型通用性差；還有一些模型雖然建模精度較高，但建模所耗時(shí)間較長(zhǎng)，復(fù)雜度高，不能對(duì)機(jī)床進(jìn)行實(shí)時(shí)的熱誤差補(bǔ)償。

三、機(jī)床熱誤差分析及相關(guān)技術(shù)研究

機(jī)床熱誤差是影響機(jī)床加工精度的主要誤差源，正確的熱誤差分析，有利于為實(shí)驗(yàn)提供比較合適的測(cè)溫點(diǎn)位置，為數(shù)學(xué)模型的建立提供比較精確的數(shù)據(jù)，從而找到比較理想的減小熱誤差的方法。

產(chǎn)生熱誤差的主要因素有：（1）熱源對(duì)機(jī)床熱誤差的影響。熱源主要是由內(nèi)部熱源和外部熱源兩部分組成。機(jī)床熱誤差主要是在這兩種熱源共同作用下，導(dǎo)致了機(jī)床熱誤差的產(chǎn)生。（2）機(jī)床構(gòu)造對(duì)機(jī)床熱誤差的影響。機(jī)床構(gòu)造主要影響了機(jī)床的熱容量、熱剛度和散熱性能，從而增加了熱誤差的時(shí)滯和藕合，進(jìn)而增加了機(jī)床熱誤差的復(fù)雜性。（3）機(jī)床零件及連接件對(duì)熱誤差的影響。由于機(jī)床上各部件的結(jié)構(gòu)、形狀、材料各不相同，熱容量和熱慣性也不相同，加之各連接件間結(jié)合面存在的熱阻等，導(dǎo)致機(jī)床熱誤差的變化情況和機(jī)床溫度場(chǎng)有著復(fù)雜的非線性關(guān)系。

四、測(cè)溫點(diǎn)布置及誤差補(bǔ)償建模技術(shù)研究

在數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償技術(shù)中，合理選擇測(cè)溫點(diǎn)的位置及個(gè)數(shù)，是建立測(cè)溫點(diǎn)溫升與熱誤差之間的數(shù)學(xué)模型的關(guān)鍵所在。研究表明利用模糊聚類和相關(guān)分析能有效選擇機(jī)床的測(cè)溫點(diǎn)的位置和個(gè)數(shù)。

對(duì)數(shù)控機(jī)床的熱誤差進(jìn)行建模補(bǔ)償，就是根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)建立機(jī)床熱誤差與機(jī)床溫度場(chǎng)之間的映射函數(shù)模型，然后基于映射函數(shù)模型對(duì)機(jī)床某溫度下的熱變形值進(jìn)行預(yù)測(cè)，并將預(yù)測(cè)值信號(hào)輸入到機(jī)床的控制系統(tǒng)，接著數(shù)控控制系統(tǒng)發(fā)出指令控制機(jī)床各部件進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，從而提高數(shù)控機(jī)床的加工精度。如前所述，數(shù)控機(jī)床的熱誤差受到主軸電機(jī)、主軸前后軸承、齒輪箱二級(jí)齒輪、液壓系統(tǒng)、環(huán)境溫度、加工參數(shù)等多方面的影響。且機(jī)床各構(gòu)件由于結(jié)構(gòu)、材料、尺寸等不同具有不同的熱容量、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等，再加上機(jī)床各構(gòu)件接觸面比較復(fù)雜、熱邊界條件難以準(zhǔn)確確定，使得數(shù)控機(jī)床的熱誤差具有非線性、非平穩(wěn)和多因素交互的特性，熱變形情況極其復(fù)雜且難以精確預(yù)測(cè)。

五、結(jié)語

高速高精度是數(shù)控機(jī)床的重要發(fā)展趨勢(shì)之一，隨著數(shù)控機(jī)床的精度不斷提高，機(jī)床熱變形引起的加工誤差所占的比例越來越高。因此對(duì)數(shù)控機(jī)床熱變形機(jī)理及特性進(jìn)行研究，對(duì)提高機(jī)床精度具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姜輝.FA-32M數(shù)控銑床誤差建模與實(shí)時(shí)補(bǔ)償技術(shù)研究及應(yīng)用[D].上海交通大學(xué)，2009.

[2] 趙海濤.數(shù)控機(jī)床熱誤差模態(tài)分析、測(cè)點(diǎn)布置及建模研究[D].上海交通大學(xué)，2006.