齒輪測量機熱變形的控制方法

楊紅芳，張 了

(1.西安工業(yè)大學 工業(yè)中心，陜西 西安 710021；2.陜西電力科學研究院，陜西 西安 710054)

齒輪測量機熱變形的控制方法

楊紅芳1，張 了2

(1.西安工業(yè)大學 工業(yè)中心，陜西 西安 710021；2.陜西電力科學研究院，陜西 西安 710054)

目前，齒輪測量機主要應(yīng)用在恒溫室內(nèi)，隨著科學技術(shù)的進步和測量需求的不斷提高，將齒輪測量機應(yīng)用到普通生產(chǎn)車間內(nèi)將會成為現(xiàn)代機床發(fā)展的方向。當齒輪測量機應(yīng)用到生產(chǎn)車間內(nèi)時，在眾多影響因素中，環(huán)境溫度變化因素是影響最大的，會對其精度造成不可忽視的影響。本文通過對齒輪測量機機械部件熱變形分析，得出了產(chǎn)生熱變形的主要表現(xiàn)形式，同時結(jié)合現(xiàn)有關(guān)于減少機械機床熱變形的方法和措施，提出了為防止齒輪測量機產(chǎn)生熱變形而采取的有效控制方法。

環(huán)境溫度；齒輪測量機；熱變形；預防；控制

熱變形是普遍存在的現(xiàn)象，也是影響機械精度的重要因數(shù)。隨著科學技術(shù)的發(fā)展以及普通車間對測量要求的增加，將精密機床運用到普通車間已經(jīng)成為現(xiàn)代發(fā)展的需求。根據(jù)相關(guān)資料的統(tǒng)計與分析，目前在常用儀器總誤差中，熱變形所帶來的誤差約占總誤差的1/3，經(jīng)過對其他誤差源修正后，雖然儀器總誤差將顯著減小，但熱變形誤差所占的比例卻上升到總誤差的一半以上(見圖1)。在精密加工中，熱變形誤差對加工精度的影響同樣為人們所重視，熱變形誤差己占總誤差的40%～70%[1-2]。由此可見，重視研究溫度引起熱誤差對機械的影響，深入研究機械熱變形理論與應(yīng)用技術(shù)，可以有效減小與控制熱變形誤差，對精密加工、精密測試和機械設(shè)備的使用都具有重大的意義和良好的應(yīng)用前景。

1 齒輪測量機熱變形的來源

齒輪測量機熱變形的熱源可以分為內(nèi)熱源和外熱源2種：內(nèi)熱源是齒輪測量機自身工作時所產(chǎn)生的熱量，主要包括各軸向運動驅(qū)動電動機的發(fā)熱、導軌之間的摩擦以及其他電驅(qū)動產(chǎn)生；外熱源主要是由環(huán)境溫度影響引起的，主要包括室內(nèi)溫度變化、季節(jié)性變化和晝夜溫差的變化。

圖1 溫度引起誤差同測量到的總誤差關(guān)系

2 齒輪測量機熱變形對精度的影響

齒輪測量機的機械結(jié)構(gòu)[3]參數(shù)主要包括上下頂尖跳動、上下頂尖同軸度、切向(T軸)導軌的直線度、徑向(R軸)導軌的直線度、軸向(Z軸)導軌的直線度、T軸與頂尖連線的垂直度、R軸與頂尖連線的垂直度、T軸與R軸的垂直度、主軸旋轉(zhuǎn)精度以及Z軸與上下頂尖連線的平行度。

當齒輪測量機所受的環(huán)境溫度變化時，從上下頂尖的整體變形圖(見圖2)可以看出，齒輪測量機的各機械部件都向外膨脹，特別是上下頂尖，下頂尖處的變形量要比上頂尖處的變形量較大，同時在立柱與上頂尖連接處的變形量卻較小。引起上述變形的主要原因是由于底座尺寸比較大，其內(nèi)部溫度場由于溫度的升高而使吸收的能量不能很快地傳遞出去，導致了總體的變形量與上頂尖相比就較大一些；而對于上頂尖立柱與上頂尖來說，這些部件的尺寸相對較小，吸收的能量能夠很快擴散出去，這樣引起的變形量與底座相比不大。根據(jù)圖2可知，在X向的變形量只影響齒輪測量機的上下偏移量，對同軸度沒有影響，因而在此不予考慮X向的變形。

圖2 上下頂尖整體變形圖

上下頂尖Y向和Z向的變形圖如圖3和圖4所示。從圖3中可知，上頂尖立柱發(fā)生彎曲而引起了上頂尖在Y向的伸長，從而造成了Y向的變形。根據(jù)對圖3和圖4的分析，造成齒輪測量機同軸度發(fā)生變化的主要原因是來源于上下頂尖在Y向和Z向的變形。

圖3 上下頂尖Y向的變形圖 圖4 上下頂尖Z向的變形圖

齒輪測量機受熱變形的表現(xiàn)形式可以概括為下述幾個方面。

1)線性位移變化。由于熱量擴散后造成齒輪測量機的不同部件在不同方向上的移動，破壞了測量機的安裝調(diào)試精度，同時也造成了工作臺上的位置變化，從而導致測量精度誤差。

2)同軸度變化。對于齒輪測量機來說，由于溫度的變化，齒輪測量機的上頂尖立柱的變形，以及上頂尖的變形量與底座的變形量不同，使上下頂尖的同軸度發(fā)生了變化，而齒輪測量機的上下頂尖是用來固定工件的，當上下頂尖的同軸度發(fā)生了變化，在以后的測量過程中都會有誤差的產(chǎn)生。

3)直線度變化。對于齒輪測量機來說，由于固定各軸的支架內(nèi)部溫度場分布不均勻，引起機械部件的結(jié)構(gòu)部件發(fā)生變形，而由于各軸的支架平面發(fā)生彎曲，使運動部件移動時出現(xiàn)直線度的變化。

總之，齒輪測量機熱變形后會改變工藝系統(tǒng)中各部件的相對位置，破壞了其相對運動的正確性，使測量機本身的精度降低。在現(xiàn)代機械設(shè)計和先進制造技術(shù)中，為保證精度，應(yīng)采取措施防止和控制熱變形，使誤差減少到最低。

3 減少熱變形的方法

根據(jù)上述對齒輪測量機機械部件變形表現(xiàn)形式的分析，為了防止由于溫度變化而導致的精度變化的影響，提出了下述幾個減少熱變形的方法。

1)對于容易變形的部位加保護罩，可以減少熱變形的影響，形成一個局部恒溫空間。M.Donmez等[4]在2007年提出利用壓縮空氣來達到熱平衡的新方法，該方法所需要用到的材料僅為一種廉價的、具有特殊形狀和充滿小縫的硅型管材，當壓縮空氣被注入這種管材時，由于康達效應(yīng)，熱耗會大大增加，從而使空氣被迅速冷卻。本文闡述了在模擬熱源和加工中心環(huán)境的基礎(chǔ)上評估和改進此種方法的試驗流程。試驗結(jié)果顯示，該方法能夠較容易地應(yīng)用于現(xiàn)有的各種機械，并能顯著減少熱累積，是諸多非傳統(tǒng)方法中的一種減少熱效應(yīng)誤差的有效措施。

2)對于容易變形的部位，在不影響使用情況的前提下，采用低膨脹系數(shù)的材料來制造易于發(fā)熱的重要零件，這樣即使溫度變化，所引起的熱變形也很小，對設(shè)備精度的影響不會很大。Ikuo Tanabe等[5]在1986年提出利用與鑄鐵具有近似相同的線膨脹系數(shù)，但具有比較小的熱傳導率的環(huán)氧復合樹脂混凝土，以這種復合結(jié)構(gòu)為例子，在鑄鐵的車床及車頭之間加入環(huán)氧復合樹脂混凝土材料的板材，再研究該種車床的熱變形情況，結(jié)果顯示，主軸中心線和縱向方向之間的平行度變化比普通的完全由鑄鐵構(gòu)成的機床小得多，而兩者之間的相對位移則稍大于普通機床。德國蔡司(Zeiss)公司[6]還研發(fā)了一種CARAT的技術(shù)，即帶涂層、抗時效的鋁合金技術(shù)。它是在無時效的鋁合金基體上，涂覆一層具有耐高溫磨性能的陶瓷，利用它制作測量機的橫梁與主軸，具有高的熱傳導特性，使溫度梯度及由此引起的彎曲變形減小。

3)建立實際熱變形模型，對熱變形誤差進行軟件補償和修正。研究人員主要是利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、熱誤差建模法、多元回歸分析、動態(tài)仿真以及有限元差分方法來提高精度，消弱熱變形。上述方法都經(jīng)過實驗驗證，并且在很大程度上減少了熱變形誤差，提高了精度。楊建國等[7]在2009年結(jié)合以前所提出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以不同結(jié)構(gòu)和訓練算法的反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為例，提出了一種數(shù)控機床熱誤差的最優(yōu)線性組合建模方法，該方法是通過線性和的方式，綜合了基于不同數(shù)學理論所建立的熱誤差模型，建立了最優(yōu)線性組合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。通過在一臺CNC機床的實際加工驗證該建模方法，試驗結(jié)果表明，該方法不僅能夠節(jié)省建模時間，同時大幅提高了所建立模型的預測精度，是一種性價比較高的建模方法。Z. Lin等[8]在2007年分析了關(guān)于加速度軸的熱位移的問題，在以前回歸方法的基礎(chǔ)上，提出了采取復雜多元回歸分析法來建立主軸熱位移模型，在實際高速工藝上，該模型是為了預測每個時間段所引起的主軸熱位移，在沒有補償時，主軸熱位移引起的切削孔深最大誤差值是62 μm，利用主軸位移補償模型后，最大切削孔深最大誤差值是4.62 μm，并且切削深度的平均誤差是1.58 μm；因此，通過主軸熱位移的補償模型，能夠有效提高機床精度。J. Zhu等[9]利用熱誤差建模方法合理地表示了熱變形過程，并在熱模態(tài)分析的基礎(chǔ)上評估了機床的熱變形，提供了深入了解機床熱誤差的現(xiàn)有類型和大小，這有助于確定與熱誤差相關(guān)的機床構(gòu)件，并運用這些知識來決定溫度傳感器的位置。在整個熱變形過程中，由占少數(shù)主導地位的熱模態(tài)表示，然后由適當?shù)臒嵴`差模型推導出描述的特定的熱誤差模型。該熱誤差的合理性通過仿真和試驗進行驗證，在文獻[10]和文獻[11]中，就幾種數(shù)控機床的主軸系統(tǒng)熱特性進行了有限元分析，得到了數(shù)控機床的主軸傳動過程中溫度場的分布以及溫度對主軸變形的影響，為機床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了參考。

綜上所述，方法1和方法2都是在機械部件上進行的修改，主要是材料的替換，這2個方法在機構(gòu)設(shè)計不是很成熟的情況下應(yīng)用比較廣泛，相對機構(gòu)設(shè)計已經(jīng)很成熟的前提下，應(yīng)用方法1和方法2，資金消耗比較大，經(jīng)濟性不是很好。相比而言，方法3易于實現(xiàn)，環(huán)境要求不高，經(jīng)濟性好，但應(yīng)準確獲知設(shè)備或零部件的熱變形規(guī)律，建立數(shù)學模型；因此，根據(jù)目前齒輪測量機的發(fā)展狀況，選擇方法3更實際，更合適。

4 結(jié)語

根據(jù)齒輪測量機熱變形結(jié)果圖，分析了齒輪測量機熱變形的主要表現(xiàn)形式，通過總結(jié)機械及儀器行業(yè)常采用減少熱變形的方法，比較各種方法的優(yōu)缺點，提出了適合齒輪測量機減少熱變形的有效辦法，為進一步分析熱變形方法奠定了基礎(chǔ)。

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責任編輯馬彤

TheControllingMethodofThermalDeformationofGear-measuringMachine

YANG Hongfang1，ZHANG Liao2

(1.Industrial Training Center，Xi′an Technological University，Xi′an 710021，China;2.Shaanxi Electric Power Research Institute, Xi′an 710054, China)

The gear measuring machine is mainly used in thermostatic chamber with technological advancements and measurement requirements. It will be a development direction of machine tools that gear-measuring machine will be used in workshop.When the gear-measuring machine is applied to workshop, environment temperature change is the biggest in all influence factors, which affecting the accuracy of the instrument, and can not be ignored. In this paper, through analyzing the deformation of the gear-measuring machine mechanical parts, and we can obtain form of thermal deformation. At the same time, combining the existing methods and measures about reducing the machine tool thermal deformation, put forward the control method of the thermal deformation of gear-measuring machine.

environment temperature，gear-measuring machine，thermal deformation， controlling，prevention

TH 39

：B

楊紅芳(1984-)，女，助教，主要從事機械及機械電子等方面的研究。

2014-12-04