机床热变形及温度补偿

1、机床热变形及温度补偿黄鹏 20122955机械1205班【车削加工热误差产生及补偿方法】机床热误差主要由马达、轴承、传动件、液压系统、环境温度、冷却液等机床内外热源 引起的机床部件热变形而造成的。机床几何误差来自机床的制造缺陷、机床部件之间的配合误差、机床部件的动、静变位等等。【机床热变形产生的原因及常用控制方法】机床在工作中受到多种热源的影响，热源产生的热量通过各种不同的方式传递给机床，造成床身翘曲、导轨弯曲等 ，即机床热变形，比如：（1）电动机、油泵等机械动力源在执行 能量转换的过程中，由于内部摩擦等因素导致能量损耗并转换成热。这些热量通过传动件、 压力油、空气等传递到机床上；（2）电气箱

2、、各种阀件、液压操纵箱、活塞副等由于频繁启用，都 会有不同程度的发热，并不同程度地将热量传递到机床上；（3）轴承副、齿轮副、导轨副、离合器等运动件在运动时因摩擦而发热，这些热量通过润滑油传递，特别是床身内部的润滑油池，会形成一个很大的热源；（4）在切削中，由于材料形状的变化而产生切削热，这部分热量由切屑和润滑液传递到机床上 ，其中60%以上的热量直接传递给了床身 ；（5）环境因素的影响，如 季节的变化、阳光的照射、取暖装置的启用等，都会使机床各部分受热不均匀而引起变形。热变形对机床加工的影响：线性位移变化、角度变化、部件直线度变化（中凸）。线性变形是指热量扩散造成主轴在不同方向上变形，使主轴回

3、转中心与其配合部件轴线或孔中心的同轴度误差增大，破坏了机床的定位精度，造成工件加工尺寸误差。角度变形是指热变形 引起主轴轴线角度位置变化，造成主轴轴线相对于工作台的平行度或垂直度变化，严重影响工件加工质量。【热变形对精密机床精度的影响研究及控制措施】国内外对热变形的研究大致分为三类：进行热误差建模和补偿；温度控制；热态特性优化设计。目前，对热误差补偿研究，美国密歇根大学Che nJ. S教授等提出了包括几何误差在内的多 达32个误差源的在线测量、 数据处理和误差补偿系统，上海交大提出了鲁棒建模方法。还有很多学者使用神经网络的方法进行热误差补偿。温度控制方面：主轴系统是机床的主要热源产生地以及影

4、响机床加工精度的主要部件。 前苏联在车床上应用了半导体装置自动控制油温；日本池贝铁工所生产的铳镗床上采用了喷雾技术。三菱重工在20世纪80年代研制了电子冷却主轴。 浙江大学和武汉重型机床厂联合 开发了应用于重型机床的热监控系统，来控制机床的热变形。利用辅助人工热源，也可以对机 床热变形进行矫正，如美国莫尔公司的座标磨床、 瑞士豪斯公司的2A3座标镗床等，均采用电 子线路对人工热源实行控制，有效地改变了机床的热变形，提高了加工精度。在热态特性优化设计方面： 依据日本吉田嘉太郎提出的热对称面理论进行结构热对称设计；如浙江大学根据相变材料的特性，提出将相变材料注入到机床基础件中，可在一定范围内消除基

5、础件的热变形。吉林省机电研究设计院利用自准直原理设计新型导轨磨床，这种方法可基本消除由于环境温度变化引起的基础件的热变形。【机床热变形产生机理及控制措施】减少机床热变形的措施：控制机床热变形方向，使机床的热变形方向尽量不要在误差敏 感方向；进行热变形补偿；机床结构优化设计（隔离热源和强制冷却）。减少机床热变形的措施：控制机床热变形方向， 使机床的热变形方向尽量不要在误差敏感方向；进行热变形补偿；机床结构优化设计，改进机床结构、解决热源发热的问题、隔离热源和强制冷却。【减少机床热变形的有效途径】据英国伯明翰大学J.Peclenik教授调查统计表明，在精密加工中，热变形引起的制造误差，占总制造误差

6、的40%70%。各种热源的发热量以及环境温度，都随机械设备的运行情况和时间而变化，又因为机械设备都有一定的热容量，其温升存在一定的滞后。因此,热变形是随时间变化的非恒定现象。机床工作中，主轴、导轨副、齿轮副、液压系统均承受较大负荷，产生大量的摩擦热，这种内部热源虽产生的温差效应小，不会导致机床高温，但却通过热传导造成机床温度场不均匀，它是机床热变形的主要原因。另外，虽然切削热大部分被切削液和切屑带走，但它却是直接造成工件热变形的原因，甚至造成烧伤。同时，它还可以通过切削液和切屑二次传热，影响机床的温度场。 主轴回转中轴承产生的摩擦热会引起机床的热变形。对于切削热，可控制切削用量，对于摩擦热可采

7、用气浮、液压主轴和导轨减小摩擦，同时压力介质还可以带走热量，而且还有均化误差的作用。结构设计方面：合理安排支承的位置，使产生对加工精度有直接影响的热位移的有效部分缩短。热补偿方面：机床一般在热平衡后，热变形不会再增加，才开始工作，由于尺寸、形状和工作特性的不同，达到热平衡的时间也是不同的 ，因此提高热态精度、 缩短 热平衡时间是目前应解决的问题。缩短热平衡时间目前有两种常用方法：一是高速开空车，发出多余热量，使机械迅速越过温度急剧变化期达到热平衡，然后换成工作转速。另一种方法是在机械适当部位设置人工热源 ，在机械启动后一段时间内，人为地供热，促使其迅速达到热平 衡。在解决双端面磨床主轴热伸长问

8、题时，采用了如图所示的补偿机构 ，即在轴承和主轴壳体间增设一个过渡套筒，此套筒和壳体仅在前段接触。当主轴因轴承发热而向前伸长时，套筒 则向后热伸长，并使整个主轴也向后移动，这样自动补偿了主轴的向前热伸长，消除了主轴热变形对加工精度的影响。【数控滚齿机热变形误差分析与补偿新方法】为了对数控滚齿机的热变形误差进行补偿提高齿轮加工精度，利用聚类回归分析方法， 优化选择了热误差补偿过程中的温度测量点，采用最小二乘回归方法建立了热误差模型实 验，结果验证该模型精度高。 提出了一种热误差差动螺旋补偿方法，该方法完全采用外部硬件补偿，能够独立地实现对热变形误差的实时补偿，与其他补偿方法对比，该方法不受限于数

9、控系统的开放性，通用性较强。减小机床热误差的两种方法：误差预防法和误差补偿法。其中滚刀主轴、工件主轴离切削点最近、受热最多、热变形最明显。对齿轮加工精度 影响最大的是径向误差。由于滚齿机床身上各热源的交互作用，在热误差模型中可能会出现变量耦合，从而降低机床热误差模型的精确性和鲁棒性，而且过多的温度传感器布线也对齿轮的加工构成障碍。分类优选最小二乘法结构简单、性能可靠、逼近精度较高，是热变形位移建模领域最为行之有效的建模方法。【热变形对精密机床精度的影响研究及控制措施】本文主要从机床结构设计严格控制制造装配质量热变形补偿和工艺散热四个方面提出 精密机床热变形控制措施。在结构设计时，应设法使热量比

10、较大的部位的热量向热量小的部 位传导和流动，使部件各部位均匀受热。在机床设计阶段应考虑凡是可能从机床分离出去的 热源如电动机液压系统冷却系统润滑系统和电气装置等均应移出，与机床主体结构和主加工区隔离，使之成为独立单元。分离热源。（将电主轴产生热量大的转子与定子分开，用导线或其它连接，隔离热源） 另外，在机床工作区域内各种取暖设备以及阳光的照射，不应使热流的方向朝向机床，以免引起不均匀的热变形。【数控机床的精度与温度】机床加工的工件精度一般是机床精度值的1.5到2倍左右（考虑工序能力系数一般在1.33左右）。控制热变形的措施：主轴部件是主要发热源，所以主轴的前轴承部件都配置冷却水套。采用中空的滚珠丝杠