機床熱補償分析

1、關(guān)于機床熱補償?shù)南嚓P(guān)論述機床熱補償?shù)脑蚝鸵饬x隨著數(shù)控機床整機及零部件設計、制造、裝配和材料等相關(guān)技術(shù)的不斷進步，幾何誤差、刀具磨損、伺服等誤差在數(shù)控機床整體誤差中所占的比例逐漸減小。當前熱誤差是數(shù)控機床最大的誤差源占機床總誤差的40%-70%。要提高加工精度就必須對機床熱誤差進行有效的補償在實施補償熱誤差前通常先要進行大量的試驗研究以獲得足夠多的溫度及熱誤差數(shù)據(jù)然后利用各種建模方法如多變量回歸分析及神經(jīng)網(wǎng)絡等建立能夠準確反應溫度變化與熱誤差間關(guān)系的熱誤差數(shù)學模型.機床熱補償?shù)陌l(fā)展雖然人們自20世紀40年代就已開始對機床熱特性進行研究，但是由于傳統(tǒng)機床在精度和速度上沒有現(xiàn)代制造要求的這么高，熱

2、問題不嚴重，且由于機床及其部件類型和負載的多樣性、結(jié)構(gòu)的復雜性以及機床溫度場和熱變形受多種因素的影響，故其研究一般都是針對具體機床，采用實驗研究法或數(shù)值模擬法，分析機床的各種熱源及其對機床溫度場的影響，在機床熱設計方面就形成了“頭疼醫(yī)頭、腳疼醫(yī)腳”的現(xiàn)象，沒有形成系統(tǒng)的理論、方法和分析工具，這顯然與當前機床高速高精度發(fā)展的要求不相適應。粗糙集理論是上世紀八十年代初山波蘭數(shù)學家Pawlak首先提出的一種用于數(shù)據(jù)分析的數(shù)學理論!其主要思想是利用己知的知識或信息來近似不精確的概念或現(xiàn)象自上世紀九十年代以來粗糙集在理論上不斷完善在應用上廣泛擴展己逐漸成為國際學術(shù)界的研究熱點之一目前粗糙集理論作為一種新

3、的處理不確定性知識的數(shù)學工具"由于其獨特的計算優(yōu)勢而得到了較為廣泛的應用.目前最常用的是在數(shù)控系統(tǒng)中根據(jù)熱變形進行熱誤差補償。誤差補償?shù)幕径x是人為地造出一種新的誤差去抵消或大大減弱當前成為問題的原始誤差，通過分析"統(tǒng)計"歸納及掌握原始誤差的特點和規(guī)律，建立誤差數(shù)學模型，盡量使人為造成的誤差和原始誤差兩者的數(shù)值相等"方向相反，從而減少加工誤差，提高零件尺寸精度!最早的誤差補償是通過硬件實現(xiàn)的!硬件補償屬機械式固定補償，在機床誤差發(fā)生變化時要改變補償量必須重新制作零部件"校正尺或重新調(diào)整補償機構(gòu)!硬件補償又有不能解決隨機性誤差"缺乏柔

4、性的缺點! 軟件補償克服了硬件補償?shù)脑S多困難和缺點，把補償技術(shù)推向了一個新的階段!熱誤差補償法在一定范圍內(nèi)可提高加工精度，有助于降低設計制造成本。但是，它是一種被動的和事后補償?shù)姆ǎ溲a償圍和有效性具有一定的限制。當一個機床的熱特性比較差的時候，僅靠事后的熱補償是無法滿足加工精度要求的。要提高機床的精度和熱性能，必須在設計階段，從提高機床的熱特性、熱剛度入手，實現(xiàn)機床的主動熱控，從根本上提高機床的熱導性。熱量來源機床熱誤差主要由馬達"軸承"傳動件"液壓系統(tǒng)"環(huán)境溫度"冷卻液等機床內(nèi)外熱源引起的機床部件熱變形而造成的!從原理上可以分為如下幾方面（

5、1）焦爾熱 激勵線圈和偏置線圈在工作時不可避免地要產(chǎn)生焦爾熱：（2）鐵損耗 交流磁路中存在鐵芯損耗，鐵芯損耗又分為磁損耗和渦流損耗，這里主要考慮渦流損耗。（3）摩擦損耗 在運動過程中與骨架內(nèi)壁發(fā)生摩擦而產(chǎn)生熱量，這部分所占比例較小。（4）切削熱機床熱補償?shù)南嚓P(guān)理論、方法及其優(yōu)缺點在機床熱誤差補償技術(shù)研究中，如何獲得具有良好精確性和魯棒性的補償模型是機床熱誤差補償研究主要方向。具體理論方法如下：粗糙理論其優(yōu)點是具有很強的定性分析能力即不需要預先給定某些特征或?qū)傩缘拿枋鋈缃y(tǒng)計學中的概率分布模糊集理論中的隸屬度或隸屬函數(shù)而直接從給定問題的描述集合出發(fā)通過不可分辨關(guān)系和不可分辨類確定給定問題的近似域從

6、而找出問題的內(nèi)在規(guī)律.增量式約簡算法 和非增量式約簡算法1 用以計算得到機床熱補償誤差系統(tǒng)的溫度測點優(yōu)化結(jié)果.用非增量式屬性約簡算法當加入新對象時要重新按照步驟計算一遍而用增量式屬性約簡算法只需按照步驟做出相應的判斷即可得到結(jié)果即使計算其計算量也是比較小的相比之下增量式算法的計算量要遠遠小于非增量式屬性約簡算法的計算量.但該算法要求新加入的對象與原來的決策表形成的新決策表是協(xié)調(diào)的.基于熱誤差神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型的機床重點熱剛度辨識方法 熱剛度概念的提出統(tǒng)一了傳統(tǒng)力學的剛度概念，對于形成統(tǒng)一設計理念與方法具有重要的指導意義。依據(jù)熱剛度理念，機床結(jié)構(gòu)熱平衡設計的主要內(nèi)容是以結(jié)構(gòu)尺寸為設計變量，以彎曲、

7、扭轉(zhuǎn)等熱變形的位移量為目標函數(shù)，以提高部件和機床整體的熱剛度為目標進行優(yōu)化設計。熱親和 是指與熱友好共處的構(gòu)思。熱親和”的構(gòu)思是在盡量減少熱量產(chǎn)生的同時接受熱，合理利用熱。雖然預測復雜的熱變形很困難，但是通過“熱變形單純化”與“溫度分布均勻化”的機床構(gòu)造，進行可預測的規(guī)則熱位移，并正確地進行熱結(jié)構(gòu)平衡補償控制。熱對稱 對基礎(chǔ)件的熱對稱設計（結(jié)構(gòu)對稱設計和熱源分布對稱設計）是減小有害熱變形的有效措施。增加局部厚度，改變筋板布置形式可在減輕床身重量的同時改善床身的結(jié)構(gòu)變形。合理選擇立柱結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)可提高其熱剛度。熱容量平衡設計它是根據(jù)機床各部件熱容量的不同，對局部熱容量大的部件采取一定的措施來控制

8、和減少其溫升，使它與熱容量較小的部位不致產(chǎn)生較大的溫差，盡量達到它們之間的熱平衡，從而使機床整體的熱變形減少。合理地設計機床散熱板有利于平衡部件之間的溫度場。反變形技術(shù)，用反變形來抵消熱變形的不良影響是一種簡單易行的有效方法。改善材料變形特性如使用花崗巖、陶瓷、混凝土、玻璃鋼等新材料也可以減少熱變形?；貧w分析方法得到了機床溫升與時間的方程，用此方程可近似求出機床部件最大溫度、機床溫升和熱平衡時間等機床熱態(tài)特性評價指標參數(shù)。將實驗方法與有限元分析方法相結(jié)合，可有效提高數(shù)控機床熱特性分析精度。如有學者應用響應面法構(gòu)造電主軸系統(tǒng)的對流換熱系數(shù)與測點溫度之間的隱性關(guān)系，以實驗測得的溫度與測點溫度計算值

9、的誤差作為尋優(yōu)函數(shù)，最終優(yōu)化各對流換熱系數(shù)。經(jīng)修正后的邊界條件能使得到的溫度場結(jié)果誤差大大減小，與實驗相結(jié)合的機床有限元仿真能使所建立的模型更加精確。熱網(wǎng)絡法 是一種基于熱電比擬原理的集中參數(shù)數(shù)值分析方法，又稱熱阻熱容法。相對于有限元法，熱網(wǎng)絡分析法的優(yōu)點是物理意義清晰，劃分的節(jié)點能夠反映物理模型。機床熱補償溫度變化與熱補償關(guān)系的數(shù)學建模方法的本質(zhì)，并能根據(jù)物理模型節(jié)點溫度的變化率確定其溫度變化趨勢，其網(wǎng)格劃分簡單，易被工程技術(shù)人員掌握。采用熱網(wǎng)絡計算復雜大系統(tǒng)的傳熱問題，具有簡單可行、邊界條件易于處理等優(yōu)點。尤其是對于包含潤滑冷卻液、油氣混合物、固體結(jié)構(gòu)件等多相傳熱介質(zhì)的復雜系統(tǒng)熱分析以及薄

10、壁介質(zhì)問題的處理而言，熱網(wǎng)絡法要優(yōu)于有限元法。運用熱網(wǎng)絡法可以方便、快捷地實現(xiàn)機床系統(tǒng)的熱設計，量化分析改變材料類型、結(jié)構(gòu)尺寸和接觸狀況對機床溫度場的影響。采用熱網(wǎng)絡法對機床熱關(guān)鍵部件，如軸系統(tǒng)、立柱、軸承等展開熱特性研究是機床熱特性分析的又一個重要手段。建模方法如多變量回歸分析及神經(jīng)網(wǎng)絡.最小二乘相關(guān)1）多元線性回歸模型（MRA）；2）最小二乘支持向量機（LSSVM）；3）動態(tài)自適應加權(quán)最小二乘支持矢量機（WLSSVM）；4）在線最小二乘支持向量機（0LSSVM）；5）偏最小二乘回歸!神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練建模（ANN）1）BP 神經(jīng)網(wǎng)絡；2）人體免疫系統(tǒng) RBF（AIRBF）網(wǎng)絡；3）貝葉斯網(wǎng)絡；

11、4）最優(yōu)線性組合神經(jīng)網(wǎng)絡；5）模糊神經(jīng)網(wǎng)絡；6）小腦模型連接控制器（CMAC）神經(jīng)網(wǎng)絡!3.3 系統(tǒng)辨識理論1）灰色系統(tǒng)理論建模；2）灰色系統(tǒng)理論建立了 GM（1，4）及 GM（0，4）模型；3）改進灰色系統(tǒng)的智能預測模型；4）多體系統(tǒng)（MBS）誤差建模!3.4 遺傳算法（GA）3.5 分段修正系數(shù)法3.6 時序分析建模3.7 混合預測模型（綜合了時序分析建模和灰色系統(tǒng)理論建模的優(yōu)點）3.8 平滑自回歸模型（ARMA）3.9 溫度變量分組優(yōu)化建模為了完成機床 - 工件系統(tǒng)的熱誤差補償，本研究基于數(shù)控編程軟件反向補償原理，設計了數(shù)控機床熱誤差補償系統(tǒng)，實現(xiàn)刀具的偏移，及刀具與工件之間在運動的逆方

12、向上偏移 1 個大小與誤差接近的數(shù)值!補償系統(tǒng)實施方案如圖 2 所示!機床熱補償中溫度數(shù)據(jù)采集的對象及其使用的工具和方法機床各種內(nèi)部熱源的發(fā)熱量及環(huán)境溫度均隨具體的加工情況"時間而變化，同時機床有一定的熱容量，其溫升必然存在時滯現(xiàn)象，所以根本上說，機床熱變形是隨時間變化的非恒定現(xiàn)象!研究對象一臺HMC800AI立式三軸加工機床.八個測溫點左右電機座溫度(T1T2)左右軸承座溫度(T3T4)環(huán)境溫度T5左右光柵溫度(T6T7)環(huán)境溫度T5工作臺溫度T8.使用工具為采用無紙記錄儀和激光干涉儀采集.檢測時隨時更改激光干涉儀的環(huán)境參數(shù)設置以保證檢測準確性從而得到的數(shù)據(jù)表為了減小機床熱變形對加

13、工精度和精度穩(wěn)定性的影響，需要從設計、制造和使用等方面進行綜合分析與優(yōu)化。減少機床熱誤差的主要方法有兩種：一是在設計階段提高機床的熱特性二是在運行階段對機床進行熱誤差補償。實驗研究方法一般用紅外熱像儀、熱電偶、激光干涉儀和微位移傳感器等精密測量儀器，進行機床空運轉(zhuǎn)綜合試驗、分離熱源試驗和磨削試驗確定主要熱源，并測量各內(nèi)熱源作用下機床各部件的溫升、溫度場變化、熱變形和達到熱平衡的時間。因為機床熱誤差并不是僅僅和機床某一點的溫度變化呈線性對應關(guān)系，而是受到各熱源的綜合作用，并和機床的整體溫度變化有關(guān)，因此，必須在機床上布置多個測點，并通過數(shù)據(jù)處理分析找到和熱變形相關(guān)性好的重要測點，即熱關(guān)鍵點如何選

14、擇最少的傳感器和最佳測量位置，并能最大程度地和機床的熱變形誤差相對應呢？通常采用兩種實驗方法來確定機床的熱關(guān)鍵點，一是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算熱變形量與各測量位置溫度變化之間的相關(guān)系數(shù)，去掉相關(guān)系數(shù)小的點；二是分析溫度變化曲線，剔除提供重復信息和處于不敏感位置的測溫點。機床各發(fā)熱部件從開始工作到達到熱平衡是一個溫升過程，熱學理論一般將該溫升過程用指數(shù)函數(shù)描述。對實驗數(shù)據(jù)的處理內(nèi)容及方法對實驗數(shù)據(jù)處理的主要目的是通過數(shù)據(jù)的處理找出問題的內(nèi)在規(guī)律進而得到機床熱補償誤差系統(tǒng)的溫度測點優(yōu)化結(jié)果.1)提取條件屬性2)采用了等間隔劃分法為了兼顧最終得出的極小決策算法的范化性與預測的準確性在對屬性值進行離散化時采用

15、了粗集理論中的局部離散化方法中的一種等間隔劃分法3)得到?jīng)Q策表 經(jīng)過預處理之后便得到了粗糙集的模型及決策表4)對上述決策表進行約簡得到該決策表的核值從而也可得到極小決策算法通過核值或者極小決策算法得到機床熱補償誤差系統(tǒng)的溫度測點優(yōu)化結(jié)果熱補償?shù)姆椒ㄅc應用機床熱設計的核心目標是最大限度地控制溫升，減小熱變形，為部件級、組件級和系統(tǒng)級提供良好的熱環(huán)境，保證它們在一定的熱環(huán)境下，按預定的要求可靠地工作。機床熱設計一般分為兩大類，一類是機床結(jié)構(gòu)的熱平衡與優(yōu)化設計技術(shù)，另一類是機床高效冷卻技術(shù)。熱補償措施有很多，如熱膨脹抵消法柔性支撐結(jié)構(gòu)補償法相變溫控法以及組合熱補償法等，這些補償方法對材料特性要求很高

16、。還有一種基于軟件的向上的補償方法【2】，它的基本原理是采用試驗的方法測取不同溫度下的熱應變和不同電流下的磁應變，然后制作表嵌入單片機軟件，根據(jù)單片機測取溫。冷卻系統(tǒng)的研究與設計先進的冷卻系統(tǒng)是提高機床熱精度的一個重要手段。冷卻系統(tǒng)的設計主要包括高效的冷卻結(jié)構(gòu)設計、高效冷卻介質(zhì)的選擇和自適應的冷卻控制系統(tǒng)。一般由于機床的發(fā)熱源處在不同的部位，是一個不均衡體，因此，都是根據(jù)不同的工作狀態(tài)，對主要發(fā)熱的關(guān)鍵零部件進行冷卻?，F(xiàn)階段軸承冷卻方法有3種方式。1）帶有冷卻室、冷卻水道的軸承座。2）設計低溫軸承結(jié)構(gòu)。軸承保持架的導向區(qū)被精確地定位在離心力對潤滑劑作用最大的地方，保證重要摩擦接觸區(qū)域有可靠的潤

17、滑劑供應。3）改善冷卻油注入方式。將油從均勻分布的管道和噴油口噴出，通過提高流速和油的利用率讓冷卻油充分到達轉(zhuǎn)子，形成均勻的油膜，從而降低軸承溫度，提高軸承壽命。在刀具冷卻技術(shù)方面，目前提出了先進的帶冷卻液通道的刀具。在冷卻液方面，水基液的冷卻效果良好。針對不同冷卻液有很多研究人員通過實驗改良冷卻液成分，以期得到更佳的冷卻效果。冷卻液的滲透性和加注方位與流量是影響冷卻液冷。冷卻效果的兩個關(guān)鍵因素。國內(nèi)外研究了采用超聲波處理等技術(shù)提高冷卻液滲透性來提高冷卻效果。為了使用最少的冷卻液實現(xiàn)最佳的冷卻效果，研究了加注方位和流量的影響對流冷卻系統(tǒng) 對結(jié)構(gòu)較大或難以用潤滑劑冷卻的部位如主軸采用對流冷卻系統(tǒng)

18、，冷卻子系統(tǒng)的原理是在熱源處增加一個空腔，空腔上部設置一個進水口，下部設置一個出水口，進水口和出水口與外部水路相連，利用水的高比熱特性帶走系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量。缺點是效率低，無法帶走熱源中心處的熱量。外部冷卻子系統(tǒng)如圖 5系統(tǒng)包括水箱水泵進水口出水口泵驅(qū)動電路單片機以及其它外圍電路組成。進給系統(tǒng)冷卻技術(shù) 滾珠絲杠為細長件，溫升會降低絲杠的軸向剛度并造成絲杠熱伸長，影響定位精度。從設計方面改善滾珠絲杠的熱特性主要采用3種方式1）將絲杠預拉伸，預拉伸量可略大于熱伸長量，以提高絲杠的軸向剛度和減小絲杠啟動和停止瞬間彈性變形。2）加大散熱的強制冷卻的結(jié)構(gòu)設計，如空心絲杠、螺母冷卻結(jié)構(gòu)和支撐軸承的冷卻結(jié)構(gòu)。3）選擇合適黏度指數(shù)的潤滑油及充分供油以減小摩擦力矩。關(guān)于機床熱補償與冷卻的小結(jié)與展望高速切削過程是一個復雜的動態(tài)過程，包含彈塑性變形、大變形和高應變率以及很高的切削溫度和復雜的摩擦條件。以彈塑性大變形分析為基礎(chǔ)，采用熱-應力耦合分析和熱彈塑性分析等