对于数控机床热误差建模的初步认识.doc

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1、对于数控机床热误差建模的初步认识伴随着科技发展和社会进步，人类对机械制造技术提出了更新和更高的要求，计算机数字控制技术(ComputerNumericalControl)随之高速发展，数控机床的性能日趋完善，其应用领域也日益扩大，它的广泛应用给机械制造业的生产方式、产业结构、管理方式带来深刻的变化。数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，现代CAD/CAM、FMS、CIMS等也都是以数控技术为基础。因此数控技术水平的高低已成为衡量一个国家工业自动化的重要标志。二十一世纪数控机床的发展趋势是：高速

2、化、高精度化、柔性化化、智能化、开放化、并联驱动化、网络化、绿色化。高效、高速、高精度是二十一世纪制造业的基本需求。但是，产品更新的速度越来越快，在实际加工中遇到的复杂零件越来越多，加工难度越来越大，精度要求也越来越高。这就使得现在装备制造业要不断地满足新的需求，朝着柔性化、高速化和高精度化发展。现代工业的不断发展，使得现代制造业对机械产品的质量要求也越来越高，机械零件的精度取决于机床的加工精度。而热误差则是影响机床精度最重要的因素之一。机床内部和外部的热源对机床的热干扰导致机床产生热变形，从而产生热误差。机

3、床的误差主要有几何误差、热误差和切削力误差，其中热误差占机床总误差量的40％—70％左右，而对于超精密机床而言，高的甚至达到89％。热误差对高精度机械产品的尺寸精度影响较大，进而也会影响产品加工过程质量、生产效率和成本。随着机床制造技术的发展，几何误差已得到较好的解决，热误差成为影响机床加工精度的最主要因素，也是难以解决的问题。目前，学术界和工业界正努力寻求可靠、实用的方法来评估热误差，进而减小并避免热误差。1、数控机床热误差产生的原因研究表明，机床热误差的情况复杂，具有多变量、长时滞、非线性、强耦合的特点。

4、热误差的产生因素多，形式多样，具体变现为：(1)机床热误差受内外部热源的共同影响。机床的内外部热源共同导致了热误差的产生。然而，相对来说，外部环境对机床热误差的产生影响较小，而内部热源对机床热误差产生的影响较大。内部热源主要是各种发热元件，包括：电动机、润滑液、摩擦运动副和切削热等。其中，摩擦运动副如齿轮、轴承对热误差的产生影响较大。(2)机床表面的热表现形式复杂。由于机床上零部件的材料、形状、结构各不相同，各自的热容量和热惯性也不相同，再加上连接件间结合面存在的热阻等，导致机床热误差的变化情况和机床温度场有

5、着复杂的非线性关系。(3)机床的布局和结构对机床热误差有较大影响。机床的布局和结构主要影响了机床的热容量、热刚度和散热特性，从而增加了热误差的时滞和耦合，进而增加了机床热误差的复杂性。随着加工中心各部件自身精度的提高，以及直线电机驱动取代传统伺服电机加滚珠丝杠驱动，影响其加工精度的主要误差元素不再是部件自身几何精度误差、装配误差、滚珠丝杠误差、导轨直线度、垂直度误差等几何误差元素。而实际电主轴热漂移误差、直线导轨热变形误差、旋转轴安装定位误差、直线电机边缘效应，以及驱动电机、高温切屑等复杂热源作用下工作台、立

6、柱、床身等产生的热变形导致的热误差元素。随着加工中心自身精度和刚度的不断提高，由高速驱动元件发热引起的热误差元素将成为影响加工精度最大的最主要的误差元素。2、减少数控机床热误差的主要方式根据数控机床热误差产生的原因和其表现性质，减少机床热误差的措施有两种技术方法：误差防止法和误差补偿法。误差防止法是试图通过设计和制造途径消除或减小可能的误差源。误差防止法是“硬技术”，它虽然能减少原始误差，但靠提高机床制造和安装精度来满足高速发展的需要有着很大的局限性。首先，在加工精度要求很高时采用这种方法，将会使生产成本显著

7、增加，甚至超过了减少加工误差所能带来的效益：其次，在仅仅用误差防止技术来提高机床的加工精度时，当精度达到一定的要求水平以后，在提高就会变得十分困难。常用的误差防止法有：(1)改进机床的结构设计；(2)强制冷却，控制机床温升；(3)设置辅助热源，均衡机床温度场；(4)控制环境温度；(5)控制机床的发热量和热源。而误差补偿技术是人为地造出一种新的误差去抵消当前成为问题的原始误差，以达到减少加工误差，提高零件的加工精度。误差补偿所投入的费用与提高机床本身精度或购买高精度机床相比较，价格要低得多。与误差防止法相比，误

8、差补偿法为“软技术"，它用很小的代价便可获得“硬技术"难以达到的精度水平，因而误差补偿技术以强大的技术生命力迅速被各国学者、专家所认识，并使之得以迅速发展和推广。误差补偿技术在使用过程中，需要确立以下三个主要步骤：首先，实现机床温度场温度测点的优化辨识和测量；其次，建立精确的机床误差计算数学模型；最后，依据数学模型实现对机床误差的控制。目前，建立精确的机床误差计算数学模型是现代精密工程中实现误差补偿