机床热补偿分析

1、关于机床热补偿的相关论述机床热补偿的原因和意义随着数控机床整机及零部件设计、制造、装配和材料等相关技术的不断进步，几何误差、刀具磨损、伺服等误差在数控机床整体误差中所占的比例逐渐减小。当前热误差是数控机床最大的误差源占机床总误差的40%-70%。要提高加工精度就必须对机床热误差进行有效的补偿在实施补偿热误差前通常先要进行大量的试验研究以获得足够多的温度及热误差数据然后利用各种建模方法如多变量回归分析及神经网络等建立能够准确反应温度变化与热误差间关系的热误差数学模型.机床热补偿的发展虽然人们自20世纪40年代就已开始对机床热特性进行研究，但是由于传统机床在精度和速度上没有现代制造要求的这么高，热问题不严重，且由于机床及其部件类型和负载的多样性、结构的复杂性以及机床温度场和热变形受多种因素的影响，故其研究一般都是针对具体机床，采用实验研究法或数值模拟法，分析机床的各种热源及其对机床温度场的影响，在机床热设计方面就形成了“头疼医头、脚疼医脚”的现象，没有形成系统的理论、方法和分析工具，这显然与当前机床高速高精度发展的要求不相适应。粗糙集理论是上世纪八十年代初山波兰数学家Pawlak首先提出的

2、一种用于数据分析的数学理论!其主要思想是利用己知的知识或信息来近似不精确的概念或现象自上世纪九十年代以来粗糙集在理论上不断完善在应用上广泛扩展己逐渐成为国际学术界的研究热点之一目前粗糙集理论作为一种新的处理不确定性知识的数学工具由于其独特的计算优势而得到了较为广泛的应用.目前最常用的是在数控系统中根据热变形进行热误差补偿。误差补偿的基本定义是人为地造出一种新的误差去抵消或大大减弱当前成为问题的原始误差，通过分析统计归纳及掌握原始误差的特点和规律，建立误差数学模型，尽量使人为造成的误差和原始误差两者的数值相等方向相反，从而减少加工误差，提高零件尺寸精度!最早的误差补偿是通过硬件实现的!硬件补偿属机械式固定补偿，在机床误差发生变化时要改变补偿量必须重新制作零部件校正尺或重新调整补偿机构!硬件补偿又有不能解决随机性误差缺乏柔性的缺点! 软件补偿克服了硬件补偿的许多困难和缺点，把补偿技术推向了一个新的阶段!热误差补偿法在一定范围内可提高加工精度，有助于降低设计制造成本。但是，它是一种被动的和事后补偿的法，其补偿围和有效性具有一定的限制。当一个机床的热特性比较差的时候，仅靠事后的热补偿是无法满足

3、加工精度要求的。要提高机床的精度和热性能，必须在设计阶段，从提高机床的热特性、热刚度入手，实现机床的主动热控，从根本上提高机床的热导性。热量来源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!从原理上可以分为如下几方面（1）焦尔热 激励线圈和偏置线圈在工作时不可避免地要产生焦尔热：（2）铁损耗 交流磁路中存在铁芯损耗，铁芯损耗又分为磁损耗和涡流损耗，这里主要考虑涡流损耗。（3）摩擦损耗 在运动过程中与骨架内壁发生摩擦而产生热量，这部分所占比例较小。（4）切削热机床热补偿的相关理论、方法及其优缺点在机床热误差补偿技术研究中，如何获得具有良好精确性和鲁棒性的补偿模型是机床热误差补偿研究主要方向。具体理论方法如下：粗糙理论其优点是具有很强的定性分析能力即不需要预先给定某些特征或属性的描述如统计学中的概率分布模糊集理论中的隶属度或隶属函数而直接从给定问题的描述集合出发通过不可分辨关系和不可分辨类确定给定问题的近似域从而找出问题的内在规律.增量式约简算法 和非增量式约简算法1 用以计算得到机床热补偿误差系统的温度测点优化结果.用非增量式属性约简算法

4、当加入新对象时要重新按照步骤计算一遍而用增量式属性约简算法只需按照步骤做出相应的判断即可得到结果即使计算其计算量也是比较小的相比之下增量式算法的计算量要远远小于非增量式属性约简算法的计算量.但该算法要求新加入的对象与原来的决策表形成的新决策表是协调的.基于热误差神经网络预测模型的机床重点热刚度辨识方法 热刚度概念的提出统一了传统力学的刚度概念，对于形成统一设计理念与方法具有重要的指导意义。依据热刚度理念，机床结构热平衡设计的主要内容是以结构尺寸为设计变量，以弯曲、扭转等热变形的位移量为目标函数，以提高部件和机床整体的热刚度为目标进行优化设计。热亲和 是指与热友好共处的构思。热亲和”的构思是在尽量减少热量产生的同时接受热，合理利用热。虽然预测复杂的热变形很困难，但是通过“热变形单纯化”与“温度分布均匀化”的机床构造，进行可预测的规则热位移，并正确地进行热结构平衡补偿控制。热对称 对基础件的热对称设计（结构对称设计和热源分布对称设计）是减小有害热变形的有效措施。增加局部厚度，改变筋板布置形式可在减轻床身重量的同时改善床身的结构变形。合理选择立柱结构尺寸参数可提高其热刚度。热容量平衡设计它是

5、根据机床各部件热容量的不同，对局部热容量大的部件采取一定的措施来控制和减少其温升，使它与热容量较小的部位不致产生较大的温差，尽量达到它们之间的热平衡，从而使机床整体的热变形减少。合理地设计机床散热板有利于平衡部件之间的温度场。反变形技术，用反变形来抵消热变形的不良影响是一种简单易行的有效方法。改善材料变形特性如使用花岗岩、陶瓷、混凝土、玻璃钢等新材料也可以减少热变形。回归分析方法得到了机床温升与时间的方程，用此方程可近似求出机床部件最大温度、机床温升和热平衡时间等机床热态特性评价指标参数。将实验方法与有限元分析方法相结合，可有效提高数控机床热特性分析精度。如有学者应用响应面法构造电主轴系统的对流换热系数与测点温度之间的隐性关系，以实验测得的温度与测点温度计算值的误差作为寻优函数，最终优化各对流换热系数。经修正后的边界条件能使得到的温度场结果误差大大减小，与实验相结合的机床有限元仿真能使所建立的模型更加精确。热网络法 是一种基于热电比拟原理的集中参数数值分析方法，又称热阻热容法。相对于有限元法，热网络分析法的优点是物理意义清晰，划分的节点能够反映物理模型。机床热补偿温度变化与热补偿关系的

6、数学建模方法的本质，并能根据物理模型节点温度的变化率确定其温度变化趋势，其网格划分简单，易被工程技术人员掌握。采用热网络计算复杂大系统的传热问题，具有简单可行、边界条件易于处理等优点。尤其是对于包含润滑冷却液、油气混合物、固体结构件等多相传热介质的复杂系统热分析以及薄壁介质问题的处理而言，热网络法要优于有限元法。运用热网络法可以方便、快捷地实现机床系统的热设计，量化分析改变材料类型、结构尺寸和接触状况对机床温度场的影响。采用热网络法对机床热关键部件，如轴系统、立柱、轴承等展开热特性研究是机床热特性分析的又一个重要手段。建模方法如多变量回归分析及神经网络.最小二乘相关1）多元线性回归模型（MRA）；2）最小二乘支持向量机（LSSVM）；3）动态自适应加权最小二乘支持矢量机（WLSSVM）；4）在线最小二乘支持向量机（0LSSVM）；5）偏最小二乘回归!神经网络的训练建模（ANN）1）BP 神经网络；2）人体免疫系统 RBF（AIRBF）网络；3）贝叶斯网络；4）最优线性组合神经网络；5）模糊神经网络；6）小脑模型连接控制器（CMAC）神经网络!3.3 系统辨识理论1）灰色系统理论建模；2

7、）灰色系统理论建立了 GM（1，4）及 GM（0，4）模型；3）改进灰色系统的智能预测模型；4）多体系统（MBS）误差建模!3.4 遗传算法（GA）3.5 分段修正系数法3.6 时序分析建模3.7 混合预测模型（综合了时序分析建模和灰色系统理论建模的优点）3.8 平滑自回归模型（ARMA）3.9 温度变量分组优化建模为了完成机床 - 工件系统的热误差补偿，本研究基于数控编程软件反向补偿原理，设计了数控机床热误差补偿系统，实现刀具的偏移，及刀具与工件之间在运动的逆方向上偏移 1 个大小与误差接近的数值!补偿系统实施方案如图 2 所示!机床热补偿中温度数据采集的对象及其使用的工具和方法机床各种内部热源的发热量及环境温度均随具体的加工情况时间而变化，同时机床有一定的热容量，其温升必然存在时滞现象，所以根本上说，机床热变形是随时间变化的非恒定现象!研究对象一台HMC800AI立式三轴加工机床.八个测温点左右电机座温度(T1T2)左右轴承座温度(T3T4)环境温度T5左右光栅温度(T6T7)环境温度T5工作台温度T8.使用工具为采用无纸记录仪和激光干涉仪采集.检测时随时更改激光干涉仪的环境参数设

8、置以保证检测准确性从而得到的数据表为了减小机床热变形对加工精度和精度稳定性的影响，需要从设计、制造和使用等方面进行综合分析与优化。减少机床热误差的主要方法有两种：一是在设计阶段提高机床的热特性二是在运行阶段对机床进行热误差补偿。实验研究方法一般用红外热像仪、热电偶、激光干涉仪和微位移传感器等精密测量仪器，进行机床空运转综合试验、分离热源试验和磨削试验确定主要热源，并测量各内热源作用下机床各部件的温升、温度场变化、热变形和达到热平衡的时间。因为机床热误差并不是仅仅和机床某一点的温度变化呈线性对应关系，而是受到各热源的综合作用，并和机床的整体温度变化有关，因此，必须在机床上布置多个测点，并通过数据处理分析找到和热变形相关性好的重要测点，即热关键点如何选择最少的传感器和最佳测量位置，并能最大程度地和机床的热变形误差相对应呢？通常采用两种实验方法来确定机床的热关键点，一是根据实验数据计算热变形量与各测量位置温度变化之间的相关系数，去掉相关系数小的点；二是分析温度变化曲线，剔除提供重复信息和处于不敏感位置的测温点。机床各发热部件从开始工作到达到热平衡是一个温升过程，热学理论一般将该温升过程用指数

9、函数描述。对实验数据的处理内容及方法对实验数据处理的主要目的是通过数据的处理找出问题的内在规律进而得到机床热补偿误差系统的温度测点优化结果.1)提取条件属性2)采用了等间隔划分法为了兼顾最终得出的极小决策算法的范化性与预测的准确性在对属性值进行离散化时采用了粗集理论中的局部离散化方法中的一种等间隔划分法3)得到决策表 经过预处理之后便得到了粗糙集的模型及决策表4)对上述决策表进行约简得到该决策表的核值从而也可得到极小决策算法通过核值或者极小决策算法得到机床热补偿误差系统的温度测点优化结果热补偿的方法与应用机床热设计的核心目标是最大限度地控制温升，减小热变形，为部件级、组件级和系统级提供良好的热环境，保证它们在一定的热环境下，按预定的要求可靠地工作。机床热设计一般分为两大类，一类是机床结构的热平衡与优化设计技术，另一类是机床高效冷却技术。热补偿措施有很多，如热膨胀抵消法柔性支撑结构补偿法相变温控法以及组合热补偿法等，这些补偿方法对材料特性要求很高。还有一种基于软件的向上的补偿方法【2】，它的基本原理是采用试验的方法测取不同温度下的热应变和不同电流下的磁应变，然后制作表嵌入单片机软件，根据单片机测取温。冷却系统的研究与设计先进的冷却系统是提高机床热精度的一个重要手段。冷却系统的设计主要包括高效的冷却结构设计、高效冷却介质的选择和自适应的冷却控制系统。一般由于机床的发热源处在不同的部位，是一个不均衡体，因此，都是根据不同的工作状态，对主要发热的关键零部件进行冷却。现阶段轴承冷却方法有3种方式。1）带有冷却室、冷却水道的轴承座。2）设计低温轴承结构。轴承保持架的导向区被精

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