數控機床的熱誤差補償技術研究

陳偉

摘 要：數控機床在加工過程中，各部件由于受到摩擦熱、冷卻液以及環境溫度等熱源的影響，使溫度升高，產生熱變形，最終使得刀具和工件之間原來相對正確的位置遭到破壞，從而導致工件的熱誤差，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。

關鍵詞：數控加工中心；熱誤差檢測

自從數控機床問世以來，在各行各業的制造加工過程中得到了廣泛的應用，數控機床作為機械制造裝備業中重要的生產工具，它的精度指標直接決定了整個制造裝備業甚至一個國家的工業發展水平。函此，提高數控機床的加工精度受到了世界各國研究學者及工程技術人員的極大關注，改善數控機床的加工精度已經成為了一項迫在眉睫的任務。

一、國內外熱誤差補償技術的研究現狀

1.國外研究現狀。在國外，從事機床熱誤差補償技術比較有影響力的是美國密西根大學、美國國家標準和技術所、日本的東京大學、日立精機、大阪工業機床，德國的柏林工業大學等。美國密西根大學與美國SMS公司在1996年共同研制和開發了集切削力誤差、幾何誤差和熱誤差為一體的誤差補償系統，并將該技術應用在SMS公司的雙主軸數控機床上取的了很大的成果；在1997年將熱誤差補償技術應用于美國通用公司多臺數控加工中心上，使生產效率和精度提高了一倍；同時還為美國波音飛機制造公司的一些加工設備實施了誤差補償技術，應用成功的是公司在利用龍門加工中心生產飛機機翼過程中利用熱誤差補償技術，使將加工精度提高了兩倍以上。

2.國內研究現狀。由于歷史及我國工業發展水平不高的原因，國內的機床誤差補償技術起步比較晚。但經過近年來國內學者的不斷努力，目前，我們國家在機床的熱誤差補償方面也取得了很大的成果。國內學者分別從不同角度出發對機床熱誤差補償技術進行了大量深入地研究，上海交通大學的楊建國教授在溫度測點布置與熱誤差補償兩個方面均進行了深入的研究并取得了比較豐碩的成果。通過對數控機床進行熱模態分析及建模，使以后的研究學者可以更好地理解數控機床的熱變形機理，同時為以后在機床上布置測溫點以及機床熱變形的檢測與補償提供了一定理論依據。

二、數控機床熱誤差補償所面臨的主要問題

雖然通過國內外研究學者對機床熱誤差補償技術的大量研究，機床熱誤差補償技術已經取得了很大的進展，但無論是國外還是國內，目前為止，還未見高水平的熱誤差補償技術在實際工業生產制造中大批量應用。尤其是在我們國內，盡管通過許多學者的研究取得了很大的進展，但大部分還僅僅停留在實驗室的范圍內，其巨大的經濟效益還沒有發揮出來。這表明無論是理論還是實踐，數控機床的熱誤差補償技術都還需要繼續進行深入的研究，尤其將其應用于工程實際，還需要各國學者與工程技術人員的不懈努力，才有可能盡早變成現實。

1. 繁重復雜的機床溫度和熱誤差檢測工作嚴重阻礙了機床誤差補償技術的推廣。準確、實時、便捷地檢測并保存機床運行時的溫度與熱變形數據是對數控機床熱誤差進行補償的前提。由于機床的溫度場分布狀態是受機床內外很多因素共同作用的結果，因此其分布情況非常復雜，為了充分獲取機床的溫度場的信息，需要在機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用和勞動量，而且在實際的生產加工過程中過多的布線可能會影響機床的正常運行。然而如果布置較少的溫度傳感器，又可能會導致有用溫度信息的缺失。因此，復雜的機床溫度場以及熱誤差的檢測成為了誤差補償技術廣泛應用的一個重要障礙。

2. 所建立補償模型的通用性以及魯棒性比較差、復雜度較高

如果數控機床不是工作在恒溫環境下，根據現有的建模方法所得到的機床熱誤差補償模型隨著季節以及周圍環境的變化很難長期保持原有模型的補償精度，即補償模型的魯棒性不好；另外，根據建模所得到的熱誤差補償模型即使在同一類型、同一規格的機床乃至同一環境條件下使用，補償模型最終的補償效果差別也會非常大，使得補償模型通用性差；還有一些模型雖然建模精度較高，但建模所耗時間較長，復雜度高，不能對機床進行實時的熱誤差補償。

三、機床熱誤差分析及相關技術研究

機床熱誤差是影響機床加工精度的主要誤差源，正確的熱誤差分析，有利于為實驗提供比較合適的測溫點位置，為數學模型的建立提供比較精確的數據，從而找到比較理想的減小熱誤差的方法。

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

四、測溫點布置及誤差補償建模技術研究

在數控機床熱誤差補償技術中，合理選擇測溫點的位置及個數，是建立測溫點溫升與熱誤差之間的數學模型的關鍵所在。研究表明利用模糊聚類和相關分析能有效選擇機床的測溫點的位置和個數。

對數控機床的熱誤差進行建模補償，就是根據實驗測得的數據建立機床熱誤差與機床溫度場之間的映射函數模型，然后基于映射函數模型對機床某溫度下的熱變形值進行預測，并將預測值信號輸入到機床的控制系統，接著數控控制系統發出指令控制機床各部件進行相應的動作，從而提高數控機床的加工精度。如前所述，數控機床的熱誤差受到主軸電機、主軸前后軸承、齒輪箱二級齒輪、液壓系統、環境溫度、加工參數等多方面的影響。且機床各構件由于結構、材料、尺寸等不同具有不同的熱容量、熱膨脹系數、導熱系數等，再加上機床各構件接觸面比較復雜、熱邊界條件難以準確確定，使得數控機床的熱誤差具有非線性、非平穩和多因素交互的特性，熱變形情況極其復雜且難以精確預測。

五、結語

高速高精度是數控機床的重要發展趨勢之一，隨著數控機床的精度不斷提高，機床熱變形引起的加工誤差所占的比例越來越高。因此對數控機床熱變形機理及特性進行研究，對提高機床精度具有重要的理論和現實意義。

參考文獻：

[1] 姜輝.FA-32M數控銑床誤差建模與實時補償技術研究及應用[D].上海交通大學，2009.

[2] 趙海濤.數控機床熱誤差模態分析、測點布置及建模研究[D].上海交通大學，2006.