（测试计量技术及仪器专业论文）数控机床热误差测试技术研究.pdf

k 、l 咿 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大 学硕士学位论文质量要求 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席： 委员： 导师： 棚磕彳胁考廖咿 椎龠怩观亢p 纠舨台肥姒矿、 坍阴蟛 刻刍嘏 到徽 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得 金巴王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名舀逸修签字嗍7 辨细跏 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金旦曼王些去堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金a 巴王些 搜可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 锊么谚 锗边防 签字日期：加，年驴月刁日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 船胛易；墨 签字日期：，年4 月功日 电话： 邮编： 数控机床热误差测试技术研究 摘要 在现代制造技术中，机床及其部件的热变形已成为影响加工精度的重要因 素之一。通过对机床热误差的测试研究，掌握机床热变形规律，是实现热误差 补偿，提高加工精度的重要前提和保障。 本文以c l 2 0 a 卧式数控车床为主要研究对象，首先对机床主要热源及热 变形特性作了分析，其次，在此基础上定量计算和推导了机床相关重要部件的 热变形误差对加工精度的影响，并建立了相应的理论模型。 最后，针对c l 2 0 a 卧式数控车床具体情况，利用模糊聚类分析法对该机 床的温度测点进行了优选；基于三点测试法，设计了一套的机床热误差测试系 统，并对机床作了热变形测试实验，分析了实验现象。 本文通过实验研究得出：一是该型号机床主轴箱部位的温升明显大于其它 部件，且主轴前轴承部位温升最高，这说明，其最主要发热源为主轴箱，而主 轴箱前后轴承温升不均是造成其径向热变形的重要因素之一；二是机床运行5 0 分钟后基本达到热平衡状态，其主轴轴向热变形最大，明显大于其径向热变形， 而且早于其径向达到热平衡；三是当机床达到热平衡以后，其部分部件的温度 还会由于热惯性继续上升，但趋于平缓，而热态精度不会再下降。 关键词：数控机床；温度敏感点；模糊聚类；热误差测试 口 r e s e a r c ho ft h e r m a le r r o rd e t e c t i o no nc n c m a c h i n et o o l a bs t r a c t i nm o d e mm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , t h et h e r m a ld e f o r m a t i o no fm a c h i n e t o o l sa n dt h e i rc o m p o n e n t sh a sb e c o m eam a i ni m p e d i m e n tt oi m p r o v e m e n to f m a c h i n i n ga c c u r a c y v i at h e t e s t s t u d y , t h el a wo fm a c h i n et o o l t h e r m a l d e f o r m a t i o nc a nb ea c h i e v e d ，w h i c hi sa ni m p o r t a n tp r e r e q u i s i t ea n ds e c u r i t yf o r a c h i e v i n gt h e r m a lc o m p e n s a t i o na n di m p r o v i n gm a c h i n i n ga c c u r a c y i nt h i sp a p e r , c l 一2 0 ah o r i z o n t a lc n cl a t h ei st h em a i no b j e c to fs t u d y f i r s t l y , t h em a jo rs o u r c e so fh e a ta n dt h e r m a ld e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fm a c h i n et o o l a r ea n a l y z e d ，a n ds e c o n d l y , q u a n t i t a t i v ec a l c u l a t i o na n d d e d u c t i o nr e l a t e dt o i m p o r t a n tp a r t so ft h em a c h i n et o o lt h e r m a ld e f o r m a t i o ne r r o r sa r ef i n i s h e da n da t t h es a m et i m et h ec o r r e s p o n d i n gt h e o r e t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e d f i n a l l y , a c c o r d i n g t oc l - 2 0 ah o r i z o n t a lc n cl a t h e s t r u c t u r e ，t h e t e m p e r a t u r em e a s u r i n gp o i n to fa r eo p t i m i z e db yt h eu s eo ff u z z yc l u s t e r i n g a n a l y s i sm e t h o d ；t h e n ，b a s e do nt h r e e p o i n tt e s t ，at e s ts y s t e mo fm a c h i n et o o l t h e r m a le r r o ri s d e s i g n e d ，a n d as e r i e sd e t e c t i o n e x p e r i m e n t s f o rt h e r m a l d e f o r i l l a t i o na r ef o l l o w e d s e v e r a lr e s u l t sc a nb ec o n c l u d e da sf o l l o w e d ：f i r s t ，t h et e m p e r a t u r er i s eo ft h e s p i n d l ew a ss i g n i f i c a n t l yg r e a t e rt h a nt h eo t h e rp a r t s ，t e m p e r a t u r er i s eo ft h ef r o n t b e a r i n gi st h eb i g g e s t ，w h i c hs h o w st h a tt h em a i nh e a ts o u r c ei st h es p i n d l e t h e u n e v e nt e m p e r a t u r er i s eo ft h ef r o n ta n dr e a rb e a r i n go ns p i n d l eb o xr e s u l t st h e r m a l d e f o r m a t i o no ft h er a d i a l ；s e c o n d l y , a b o u t5 0m i n u t e sa r en e e d e db e f o r et h e m a c h i n et o o lr e a c hi tt h e r m a le q u i l i b r i u m ；t h i r d l y , a f t e rt h e r m a le q u i l i b r i u m ，t h e t e m p e r a t u r eo fs o m ec o m p o n e n t ss t i l lr i s e ，b u tw i t hg r a d u a lr a t e ，w h i c hm e a n s t h et e m p e r a t u r er i s ew i l ln ol o n g e ri n f l u e n c em a c h i n et o o lt h e r m a la c c u r a c y k e y w o r d s ：c n cm a c h i n et o o l ；t e m p e r a t u r e - s e n s i t i v ep o i n t ；f u z z yc l u s t e r i n g ； t h e r m a le r r o rm e a s u r e m e n t 蠢 致谢 本论文是导师胡鹏浩教授指导下完成的。胡老师尽力给我提供了良好的实 验条件和实践机会，并一直给予生活上的关怀，在此表示衷心感谢。 同时，感谢合肥工业大学仪器科学与光电工程学院的苗恩铭副教授、张勇 副教授、于长伟老师、王鑫同学、颜焱同学、吴承伟师弟等科技楼3 1 6 室所有同 学给予的指导和帮助。 总之，感谢所有在我成长道路上帮助过我的人，并祝福他们! 薛海涛 2 0 11 年4 月1 0 日 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 机床热误差研究的历史及现状1 1 2 1 机床热误差的研究历史1 1 2 2 国内外机床热误差的研究现状3 1 2 3 机床热误差测试研究的存在的问题4 1 3 课题研究的背景和意义5 1 3 1 课题背景一5 1 3 2 课题的研究意义5 1 4 课题的来源和论文的主要内容6 第二章机床热误差来源及热特性分析7 2 1 数控机床误差分析7 2 1 1 机床加工误差来源7 2 1 2 机床热误差元素分析8 2 2 机床的热学特性分析8 2 2 1 机床的发热来源8 2 2 2 机床的热平衡时间和热态几何精度9 2 3 机床热变形的定性分析：1 0 2 3 1 车床的热变形1o 2 3 2 坐标镗床的热变形1 1 2 3 3 磨床的热变形1 1 2 4 机床热变形的控制与防止1 2 2 5c l 2 0 a 卧式数控车床的热特性分析1 4 2 6 本章小结1 5 第三章数控机床热变形对形位加工精度的影响研究1 6 3 1 数控机床的热变形成因分析一1 6 3 2 机床热源种类1 6 3 3 机床主轴热变形对工件加工的影响分析1 7 3 3 1 工件加工精度与主轴热变形之间的关系描述一1 8 3 3 2 机床热变形引起的主轴偏离1 8 3 3 3 误差敏感方向19 3 3 4 机床主轴轴线偏离导致工件加工轮廓误差的数学描述一2 0 3 4 本章小结2 3 第四章数控机床热变形测量中温度测点的选取研究2 4 4 1 引言2 4 4 2 温度传感器的布置2 4 4 2 1 温度敏感点理论2 4 4 2 2 测温点的选取原则2 5 4 3 温度传感器布置点的优化方法2 5 4 4 模糊聚类分析法2 6 4 4 1 数据的标准化2 7 4 4 2 建立模糊相似矩阵2 7 4 4 3 模糊聚类2 8 4 4 4 确定最优截集水平3 0 4 5 温度传感器优化布置3 1 4 5 1 实验测温系统温度传感器的布置3 l 4 5 2 模糊聚类分析法在温度传感器布置的应用3 3 4 6 本章小结3 5 第五章测试实验及数据分析3 6 5 1 常见机床热变形测试方法3 6 5 1 1 双球轨法3 6 5 1 2 激光干涉仪测量法3 9 5 1 3 平面正交光栅测量法4 0 5 1 4 三种测量方法特点比较4 1 5 2 基于三点测量法的机床热变形测试系统4 2 5 2 1 实验测试系统4 2 5 2 2 实验设备4 5 5 2 3 实验过程4 6 5 2 4 温度和热误差数据检测软件系统4 6 5 3 温度和热误差测试数据及曲线分析4 7 5 4 本章小结5 0 第六章总结与展望5 1 6 1 总结j 51 6 2 展望51 参考文献5 2 攻读硕士学位期间发表的论文5 5 附录实验数据：5 6 插图清单 图1 1 机床热变形机理2 图2 1 机床热变形动态过程8 图2 2导致数控热变形的热源9 图2 3卧式车床热变形示意图1 0 图2 4坐标镗床热变形示意图1 1 图2 5外圆磨床热变形示意图1 2 图2 - 6均衡立柱前后壁温度1 3 图2 7c l 2 0 a 卧式数控车床1 4 图3 1热源对机床的热变形影响1 6 图3 2机床热变形示意图1 8 图3 3主轴的水平偏移引起工件的径向尺寸误差1 9 图3 4主轴的垂直方向上的倾斜引起工件的径向尺寸误差2 0 图3 5 单叶双曲面2 0 图3 6主轴热偏移引起的工件加工形位误差特征_ 2 l 图3 7双曲线：2 l 图3 8主轴热变形导致刀具与工件相的对位置示意图2 0 图4 1求模糊等价关系流程框图2 9 图4 2c l 2 0 a 数控车床温度传感器布置示意图3 2 图4 3主轴前端的温度传感器3 2 图4 4 刀架上的温度传感器3 2 图4 5x 向电机上的温度传感器3 2 图4 6机床床身的温度传感器3 2 图4 7主轴前、中、后部的温度传感器3 3 图4 8z 向丝杠轴承座的温度传感器3 3 图4 9温度敏感点优化流程图3 4 图5 1球杆仪3 6 图5 2 球杆仪结构示意图3 7 图5 3球杆仪热误差检测原理示意图3 8 图5 4双频激光干涉仪测量原理图3 9 图5 5激光干涉仪检测示意图4 0 图5 - 6激光干涉仪测试机床热误差系统框图4 0 图5 7k g m 检测系统示意图4 1 图5 8位移传感器的安装示意图4 2 图5 - 9位移传感器夹持示意图4 3 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 15 图5 1 6 图5 1 7 图5 18 图5 1 9 位移传感器的安装实物图4 3 c l 2 0 a 数控车床温度传感器布置示意图4 4 c l 2 0 a 数控车床热误差测试系统框图4 4 c l 2 0 a 数控车床热误差实验现场4 5 实验数据采样流程框图4 6 实验数据采样主界面4 7 测温点优选前温度变化曲线图4 8 测温点优选前机床热变形变化曲线图4 8 测温点优选后温度变化曲线图4 9 测温点优选后机床热变形变化曲线图4 9 表格清单 表1 1常用的几种热误差测量方法4 表2 1数控机床各误差源的比重7 表4 1机床热误差表2 4 表4 2测温点优选前各温度测点的温度值5 6 表5 1测温点优选前主轴各向热变形量5 8 表5 2测温点优选后实验数据5 9 第一章绪论 1 1 引言 随着经济的发展和科技的进步，社会对产品质量的要求越来越高，在这种 情况下对机床的加工精度和加工能力就有了新的要求，随着对数控机床精度要 求的提高，其热变形误差问题日益凸显出来，成为制约机床精度的主要障碍之 一。据阿亨工业大学布鲁明分析，现代机床加工中，热误差有时可占加工误差 的5 0 ；而英国伯明翰大学的皮克林尼克的调查报告更是表明，在精密加工中， 由热变形引起的误差可以占到全部误差的4 0 7 0 乜1 。 人们对机械工业中传热和热变形问题的认识，是一个渐进的过程。最先引 起人们注意的，是热变形对零件加工精度的影响。由于零件的冷缩，其重要尺 寸在刚加工好时的测量值比冷却后的测量值大。后来，人们又发现，在不同室 温下测量同一零件，也会出现尺寸偏差，而零件材料的膨胀系数越大，这种偏 差越为明显。再者，由于测量仪器本身也存在热变形情况。这就对精密测量提 出了在恒温下操作的要求口1 。但是，关于机床热变形的研究，则相对较晚。近 二十年来，数控机床的热误差问题一直是个研究热点，国内外均有重要的研究 成果问世，其中在如何减小热误差问题上大家一致认为：仅仅采用改进机床结 构设计和进行温度控制等措施，成本高且效果也不理想，而通过对热误差进行 建模，以对其进行补偿，则最为经济有效h ，。 1 2 机床热误差研究的历史及现状 随着科学技术的迅猛发展，被称为“工业母机”的机床日益向高速、高效、 高精度和自动化方向发展，并广泛应用于航天技术、微电子工程、光学与光电 子工程、精密工程等各个需要精密加工技术的领域哺1 。因此，通过研究数控机 床热变形的特性和规律，提高数控机床的加工精度成为快速提高机械加工技术 水平的迫切需要，有着很好的发展前景。 1 2 1 机床热误差的研究历史 2 0 世纪3 0 年代，瑞士人最早发现了机床热变形现象，并分析得出机床热 变形是影响定位精度的主要因素。至此，各国一些学者开始对各种机床的热变 形进行研究，但主要是进行一些分散性的分析，侧重于对个别机床作一些实用 性的改进1 。 实际上，国际上对机床热变形的理论研究真正始于2 0 世纪6 0 年代。研究 人员主要是对各类机床开展系统的试验研究，并陆续发表了一些有关机床热变 形理论方面的文章，初步建立起了若干理论。这些理论主要是基于热工学理论 知识来探索研究机床由于受热变形而带来的工件加工误差问题，并初步建立起 了机床温度场与热变形之间的定性关系。但是，这些理论由于采用种种简化条 件，显得十分粗糙哺。 7 0 年代初，机床热变形理论研究进入了新的阶段。由于计算机等分析工具 以及远红外热像仪和激光全息照相等新技术的出现，以及其有效地应用于机床 的热变形测试研究中，机床热变形研究进入了定量分析的新阶段。有限差分法 和有限元法在机床基础件的瞬态、稳态温度场和热变形计算中的应用，为采用 热误差补偿技术防止和控制机床热变形提供了理论依据h 1 。主要代表有：1 9 6 9 年，德国学者s p u r 和f i s h e s 的机床热特性研究中描述热源与加工精度之 间的内在联系，并表达了机床的热变形机理。之后，日本学者垣野义昭在1 9 7 7 年，详细地表述了热变形的机理( 如图卜1 所示) ，他认为，在一定条件下，内、 外热源产生的热量传递到机床各部位，使之产生温升，导致相关零部件发生变 形，进而使工件与刀具之间产生相对位移偏差，最终致使加工精度下降阳1 。2 0 0 2 年，日本的大隈公司提出了“热亲和”( t h e r m o f r i e n d l yc o n c e p t ) 的概念， 它是在尽可能抑制热量发生的同时，对于不可避免产生的热量是采取接受的考 虑方法。这样，即使不用大型空调装置来控制整个设备或车间内的温度，也能 在通常的大气温度范围内保持高的加工精度。这种新的构思，为解决机床加工 热误差问题提供了新的方法一，。 图1 - 1 机床热变形机理 2 1 2 2 机床热误差的研究现状 国外，关于机床热误差研究比较有影响的研究机构有：美国的密西根大学、 n i s t 、辛辛那提大学、日本的东京大学、大隈公司、德国的阿亨大学以及柏林 工业大学1 0 3 等。 1 9 9 6 年，美国密西根大学与s m s 公司共同研制开发了综合误差补偿系统， 该系统综合补偿了热误差、几何误差和切削力误差等误差项，并应用在s m s 公 司生产的双主轴数控车床上，取得了很好的效果1 。美国密西根大学还为提供 了美国波音飞机公司的波音飞机机翼的巨大龙门加工中心几何和热误差的综合 补偿，并将加工精度提高了1 0 倍。 倪军教授等对热误差的测试及补偿技术进行了深入的研究，而且在温度测 点布局及敏感点辨识和热误差补偿建模方法方面发表了大量研究论文，提出的 热误差动态建模，将系统辨识理论应用于建立机床在线预测的动态热误差模型， 提高了热误差补偿模型的精确性和鲁棒性n 别。 a c o k a f o r 和y a l c i n m e r t e k i n 运用刚体运动学和小角度误差假设的理 论，建立了机床的运动几何误差模型，该模型以各项误差分量为变量，采用了 综合表达式表示机床的空间误差，他们还详细阐述了利用激光干涉仪测量位置 误差和转角误差的原理和具体方法n 3 1 4 】。 k r u l e w i c he ta 1 使用高斯积分法对机床温度场进行分析。他以测温点作 为高斯积分点，用温度传感器测量机床的温度分布，通过这种方法建立的热误 差补偿模型可以有效减小机床主轴热误差n5 1 。但是，高斯积分法获得的模型是 一个简单的理论线性模型，具有很大的局限性。 l oc h i h h a o 等人利用热误差实时补偿的方法对车削中心进行了研究，提出 了柔性误差测量方法和优化温度选择过程，解决了按特定的坐标确定元件误差 和从大量温度传感器中做部分选择的难题n 6 1 。 国内对机床热误差的研究起步较晚，但发展较快，主要从事机床热误差测 试补偿技术有浙江大学、上海交通大学、北京机床研究所、天津大学等n 7 1 。 对机床热变形深入地进行研究相对较早的是浙江大学，并获得了许多积极 的成果。该校提出的热敏感点理论，为机床温度测点的选取以及热误差建模提 供了理论依据n 引。该校根据热误差变化规律的模糊非线性特性，提出了机床热 误差f u z z y 前馈补偿控制策略，并基于这种策略设计了前馈补偿控制器，仿真 效果令人满意。 上海交通大学的杨建国教授通过对c n c 车削中心的热模态分析和研究，对 机床上的温度传感器分布进行优化，并提出了热误差鲁棒性建模的新方法，有 效地减少了温度测量噪声引起的检测误差，大大增强了热误差数学模型对环境 温度变化的适应性n 引。该校还利用神经网络法对车削中心的温度测点进行了优 化，取得了满意的效果陋们。 3 天津大学针对一台j c s 0 1 8 a 型加工中心进行了热误差方面的研究。研究 人员基于神经网络理论建立了热变形与各个测温点温度变化之间的关系，并对 该加工中心进行了热误差补偿，取得了良好的效果晗。该校的刘又午基于多体 理论的误差分析理论和方法，建立了三坐标加工中心的热误差模型，结合 m a k i n o 加工中心进行了几何误差和热误差参数辨识和试验验证，取得了满意 的补偿效果他羽。 华中科技大学用计算机技术开发机床主轴温升和热变形在线检测及显示系 统【23 1 ，从而实现机床主轴热变形试验及各测点的温度、热变形的在线检测和数 据处理。该校在1 9 9 5 年提出的基于神经网络理论对机床热误差关键点进行辨识 的方法，为机床温度最佳测量点及控制源位置的选择，提供了新的思路及实现 方法2 利。 总的来讲，在国外，美国、日本、德国己经将数控机床热误差的检测和补 偿技术应用到工业生产中，对其广泛应用具有十分重要的意义。而在国内，由 于我们对数控机床热误差相关研究起步比较晚，因此，与国外先进水平相比， 存在着很大地差距，但也正在从实验室研究阶段向工业应用迈进。但是，无论 是国外还是国内，机床热误差测试及补偿技术还没有达到大规模商业化的程度， 这表明热误差测试及补偿理论和技术的研究开发空间还很大。 1 2 3 机床热误差测试研究的存在的问题 国内外学者对机床热误差测试及补偿技术经过了长时间大量的研究，取得 了可喜得成就，使得机床热误差研究整体水平有了很大的提高。但是，数控机 床热误差的研究成果仍然大多停留在实验室阶段，无法达到工业应用的要求， 很少应用于商业生产中。热误差检测方案的不完善就是造成该现象的原因主要 之一： 表1 - 1常用的几种热误差测量方法心钉 测量方法 测量的主要难点 激光球杆仪球杆长度的读取 平面正交光栅法路径选取 中心球的定位 三自由度球探针 路径的选墩 坐标系的变换 齐次变换矩阵 矩阵的求解 首先，是检测方案的选定。机床热误差的研究经过近一个世纪的发展，研 究人员开发出了许多热误差的检测方法，有单项测量的，也有综合测量的；有 4 接触式的，也有非接触式的。但是，它们总是有各自的实施难点，而这些难点 正是造成热误差检测准确性的重要因素。如表1 - 1 所示，目前，研究人员常用 的几种热误差的测量方法。 其次，是温度检测点的优化布置。机床产生热变形与其热激励源紧密相关， 温度测点的选择关系到该点所测温度信号能否准确表达机床的温度场分布，进 而能影响到机床热误差的检测精度。浙江大学提出的热敏感点理论，定量分析 了机床复杂的热系统。该理论指出，机床表面某些点的温度变化对机床热变形 起到非常重要的作用，这些点就是机床的热敏感点，也就是机床热误差测试及 补偿中的温度测点及控制点，这为机床热误差研究提供了一定的理论基础n 引。 但是，该理论目前还无法彻底解决最少测温点数和测点温度与热误差的线性问 题。 还有，就是热误差检测的高精度和实时性。机床温度变化缓慢，热误差也 小( 微米量级) ，因此，要识别出缓慢变化的温度和微小的热误差，检测系统 就要求具有很高的检测精度，同时，为了能够准确及时地检测到某一时间点的 变化值，实验要求检测系统要具有较快的响应速度和采集速度。 1 3 课题研究的背景和意义 1 3 1 课题背景 机床行业是一个国家制造业的基石。我国的数控机床与基础制造装备经过 2 0 年的发展，成为了世界上最大的数控机床生产国。但是，我国数控机床的研 发制造依然存在很大不足：开发理念落后，自主开发能力弱，功能部件发展滞 后，产品自动化水平低，可靠性、精度保持性差等，这都使得我国生产的高速 精密数控机床，尤其是高端数控机床依旧无法摆脱对国外产品的依赖。为此， 我们必须尽快将先进的设计理念应用到高档数控机床开发中，尽早开发出结构 合理、精度高、自动化水平高、可靠性好的精密数控机床。 1 3 2 课题的研究意义 近年来，为了使我国的基础制造业紧跟甚至赶超发达国家，国家中长期科 学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 确定“高档数控机床与基础制造装 备”重大专项为国家1 6 项科技重大专项之一，其中重要的一点就是提高国产数 控机床的加工精度及精度稳定性，着重提高我国的高档数控机床的自主发展能 力。作为“高档数控机床与基础制造装备重大专项的子项目，本课题的研究 目的就是为了提高我国在高档数控机床与基础制造装备领域中，部分产品及其 关键部件的自主开发能力，并为我国数控机床行业建立起完整的数控机床及其 功能部件研发和配套体系提供一定的技术支撑。 5 1 4 课题的来源和论文的主要内容 本课题源于“高档数控机床与基础制造装备 重大专项的子课题“高速精 密数控机床动态综合补偿技术”，项目编号为2 0 0 9 z x 0 4 0 1 4 - 0 2 3 - 0 2 。而本课题 主要是针对机床及关键部件温度敏感点的辨识，并对其进行热误差测试，从而 为提高数控机床的加工精度进行的误差补偿提供重要依据。 主要内容包括： ( 1 ) 分析介绍数控机床发生热变形的原因、热学特性以及几种典型机床的 热变形； ( 2 ) 以c l 一2 0 a 卧式数控车床为主要研究对象，通过分析其结构以及发热 源，得出其热变形的趋势和规律； ( 3 ) 设计有针对性的测量方法，选择测量仪器，并通过模糊聚类的方法优 选出了温度传感器的测量位置； ( 4 ) 通过实验测量获取c l 一2 0 a 卧式数控车床的实际温度变化数据和热变 形引起主轴热偏移量，并分析处理这些数据，从而为接下来的误差补偿提供重 要依据。 6 第二章机床热误差来源及热特性分析 2 1 数控机床误差分析 数控机床的加工精度是指工件在加工以后的实际几何参数( 尺寸、几何形 状和表面相互位置) 与理想零件的几何参数相符合的程度。由于机床各种误差 的影响，刀具与工件之间存在着相对位移误差。因此，为了减少这一误差，提 高机床的加工精度，必须分析研究影响机床加工精度的各个误差因素。 2 1 1 机床加工误差来源 数控机床主要由床身、主轴系统、导轨副、丝杠副以及各种支承件组成。 由于设计、安装、运转以及热变形等原因，机床各部件或多或少会具有一定的 自身误差和相互误差。这些都最终表现为机床的加工误差。影响工件加工精度 的误差因素有： ( 1 ) 几何误差：包括机床、夹具、刀具的制造误差和磨损以及安装误差， 机床传动链的静态和动态误差等； ( 2 ) 力效应造成的误差：工艺系统刚度不足等因素引起的弹性及塑性变形 造成的误差，工件的夹紧误差，离心力与传动力引起的误差以及残余应力引起 的误差； ( 3 ) 热误差：包括机床、刀具以及工件热变形引起的误差。 此外还有：方法误差( 又称原理误差) ，主要是由于加工时采用了近似的加 工运动方式或形状近似的刀具轮廓而产生的加工误差；测量误差等。 美国的e k k 1i n e 对机床的主要误差源做过深入的研究，并把这些误差进 行了归类：机床本身的误差、加工误差、检测误差，具体分类与权重如表2 - 1 所示。 表2 1数控机床各误差源的比重 几何误差 2 2 机床误差 5 0 9 6 热误差 2 8 刀具误差 1 3 5 加工过程 夹具误差 7 5 误差 3 5 工件热误差 6 5 操作误差 7 5 检测误差 1 5 7 2 1 2 机床热误差元素分析 从表2 1 ，可以看得出数控机床的主要误差元素有几何误差、力误差和热误 差。几何误差主要来自机床自身的制造缺陷、各部件之间的配合误差以及它们 的动静变位等，它只与刀具和工件之间的相互位置有关。力误差分为半静态力 误差和动态力误差两大类，主要是机床传动部件的非刚性引起的，前者主要是 因为工件或机床运动部件自身重力或预紧力变形而引起，而后者主要是由切削 力和惯性力因素等引起的。热误差则是由于机床运转时复杂温度场引起各部位 变形而造成的误差，主要是由于机床系统开机后其内外热源综合作用，使其达 到热平衡这段时间内的不稳定状态导致机床加工精度下降的动态过程。如图2 - 1 所示，机床热源的发热引起其部件温度上升，而温升必然造成机床部件的变形， 从而破坏各部件的原始相互位置，进而导致了加工精度的下降心引。 结 各 构 部 执 发 热特几 件 热 性何 相加工 源 边界形 对 精度 量 位 下降 条件 状 改 置 变 变 化 图2 - 1 机床热变形动态过程 热变形引起的误差可分为：与位置无关的热误差，如机床各部件的热漂移； 与位置相关的热误差，如机床温度场的变化引起丝杠节距的改变，从而产生的 定位误差；机床的不均匀受热也会引起导轨的变形，产生的直线度误差和角运 动误差；同时，机床的热变形还会引起机床坐标轴之间的垂直度改变而引起的 随机床温度场而变化的垂直度误差。 总之，机床热源随加工条件及时间变化，且机床各部分都具有一定的热容， 使得热变形是随着时间变化的非恒定现象。 2 2 机床的热学特性分析 机床在加工过程中，通常把机床空转时的温升、热平衡时间以及热态几何 精度这三个机床热学特性作为衡量机床质量的重要指标阳1 。 2 2 1 机床的发热来源 机床的热变形现象是由于其运行过程中出现的各种热源所引起的。而要研 究机床热变形，必须先要知道这些情况：热源的位置、单位时间内的发热量和 作用的持续时间。确定热源的分布位置和持续作用时间相对容易，但要准确获 8 得其发热量就比较困难了。随着科学的发展，研究人员不断研究出各种方法来 推算热源的发热量以及其变动情况，但仍待进一步研究。导致机床热变形的原 因大致分为内部热源( 又称工作热源) 和外部热源( 环境热源) ，如图2 - 2 所示。 图2 2导致数控热变形的热源 机床的工作性能，是指其运行规律、传动精度以及工作的稳定性等，而加 工精度是指零件在加工后所得到的尺寸精度、形状精度、相互位置精度。影响 这些精度和性能的因素很多，主要是受力变形和受热变形。而进行精加工时， 受力变形的影响一般处于次要地位，热变形的影响则显得十分突出。在机床运 行的情况下，热源产生的热量传给机床各部件，使之产生温升，从而引起各部 件的热膨胀。机床各部件的结构、材料、结构以及边界条件的不同，会引起它 们的弯曲、扭曲和拉伸等各种变形，从而导致机床的工作性能变差和加工精度 降低。 2 2 2 机床的热平衡时间和热态几何精度 机床在工作运行的过程中受各种热源的影响，并以传热的方式使其各个部 位产生温升，与此同时，传给它的热量又向周围的空间散失。当传入的热量与 散失的热量大致相等时，便达到了所谓的热平衡状态。在此状态下因热变形引 起的热误差也会达到相对稳定的值，这就可以采取各种适当的方法予以消除或 补偿。因此，研究机床的热平衡具有实际意义。对于普通机床，如车床主要热 源主轴前轴承的温升通常不大于4 0 。c ，磨床的温升也一般不超过1 5 2 5 。c ，它 们的热平衡时间也就在4 6 小时。也有一些机床通过采取各种措施减少和排除 9 发热量，可以使热平衡时间控制在2 小时左右。而大型精密机床，由于尺寸大、 热容量大、导热慢，平衡时间会很长，比如某大型号龙门刨，热平衡时间可达 1 2 小时2 引。 所谓机床的热态几何精度，就是指其在热平衡状态下的几何精度。在机床 运转开始至其达到热平衡状态的这段时间内，机床的几何精度是变化不定的。 机床达到热平衡状态所使用的时间与所达到的热态几何精度其性能及加工精度 有着相当大的影响3 。而从工件加工精度这个角度来讲，人们总是期望机床本 身的几何精度稳定不变，至少在机床工作开始不久便能达到某一稳定不变的精 度。由于机床的达到热平衡所花时间和热态几何精度与机床传热有着密切的联 系，因此，缩短机床达到热平衡所花时间和提高精密机床热态几何精度是目前 高档数控研究领域相当重要的课题。 2 3 机床热变形的定性分析 机床各部件之间不同的传热情况使整个机床系统形成了一个复杂的温度 场。由这些温度场作用而产生的热应力、热应变又使的材料的物理特性、部件 的形状以及支承的链接状态发生改变，从而引起了机床的热变形。 2 3 1 车床的热变形 图2 - 3卧式车床热变形示意图 影响车床热特性的主要热源是安置在床头的主轴箱，它多引起箱体、床身 在垂直面内( 如图2 - 3 所示) 和水平面内的变形和翘曲，从而造成主轴的偏移 和倾斜，并且在垂直面内的倾斜量要比水平面内的偏移量大的多。由于各种车 床结构不相同，它们的发热量也有差异，达到热平衡的时间也不同，其位移的 数值差别较大，垂直方向上的倾斜量最大值可达1 5 0 2 0 0 9 m 。有的经过结构上 的改进及润滑条件的改善，也能使其垂直倾斜量下降9 0 a m 左右。车床主轴的 水平偏移量一般在1 0 1 8 所之间。但是，当主轴箱在床身上的定位点放在接近 1 0 于主轴的中心线下方位置时，主轴的水平偏移量可下降到6 所以内，主轴箱采 用左右对称设计时也可减少主轴在水平方向上的偏移量。 对于精密车床来讲，控制其主轴在水平方向上热偏移，也是提高机床动态 几何精度的重要措施。至于六角车床和数控车床，其主轴的热偏移，无论是在 垂直方向上还是在水平方向上都应加以控制，因为它们不仅在水平方向上装有 刀具，而且在垂直方向以及其它方向上也有可能安装了刀具。 2 3 2 坐标镗床的热变形 与上述车床一样，影响坐标镗床热变形的主要热源也是主轴箱。对于单柱 立式镗床，主轴箱的发热使箱体和立柱产生变形的表现形式也是主轴的热偏移 和热倾斜，如图2 4 所示。主轴在横向( x 轴向) 和纵向( y 轴向) 的热位移是 由主轴箱的热变形引起的，在x 轴向的热倾斜也是由此引起的。而y 轴向的热 倾斜则是由立柱的热变形引起的。由于坐标镗床是高精度机床，它的轴线定位 精度要求很高，一般可达2 5 肌，主轴轴线相对于工作台的倾斜度一般也要求 在5 秒之内。这就要求严格控制机床的热变形。 图2 - 4坐标镗床热变形示意图 对于双柱立式坐标镗床，它的主要热变形发生在主轴箱、溜板以及横梁上， 立柱则没有温度升高和热变形。横梁到达热平衡前后的温差很小，但是由于其 长度大，它的热变形引起的主轴热偏移却是影响加工精度的主要因素，而主轴 箱热变形的影响反而处于相对次要的位置。 2 3 3 磨床的热变形 磨床通常都装备有液压传动系统并配置有高速磨头，其发生热变形的主要 热源为砂轮主轴轴承摩擦发热以及液压系统发热。砂轮主轴轴承的发热使得主 轴轴线上移并使砂轮架向被加工工件方向偏移。如果主轴的前后轴承发热不同， 就会导致不同的温升，从而造成不同的热变形，这就使得主轴侧母线出现热倾 斜。液压系统的发热则会使机床床身各部位有不同的温升，从而导致床身的弯 曲和前倾。 砂轮 图2 5外圆磨床热变形示意图 如图2 5 所示，在热变形的影响下，外圆磨床的砂轮轴心线与工件轴心线 之间的距离会发生一定程度的变化而可能出现平行度误差。例如，某外圆磨床 空转5 小时后，由于砂轮架热变形与进给丝杠热变形的综合作用，使得砂轮轴 心线