數(shù)控機(jī)床熱誤差的產(chǎn)生根源分析及減小熱誤差的方法研究

王　謙

(宿州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽　宿州　234000)

隨著現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)數(shù)控機(jī)床的性能要求越來(lái)越高，數(shù)控機(jī)床正向著高精度、高速度、高可靠性以及智能化、數(shù)字化、綠色環(huán)保等方向發(fā)展。然而制約數(shù)控加工精度提高的因素還有很多，其中最主要的因素便是熱變形誤差。大量研究表明，精密數(shù)控加工最大的誤差源是熱變形誤差，占總誤差的40%-70%左右，特別是近年來(lái)數(shù)控機(jī)床上高速加工的推廣和使用，隨著主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的成倍提高，數(shù)控機(jī)床的熱變形誤差也隨之增大。因此，減小熱變形誤差是使機(jī)床加工精度獲得提升的重要手段和關(guān)鍵技術(shù)。

一、數(shù)控機(jī)床熱誤差的產(chǎn)生根源分析

機(jī)床熱誤差是指在加工過(guò)程中由溫度變化所導(dǎo)致的熱變形誤差，而溫度變化主要是由電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的摩擦以及加工所處環(huán)境溫度等熱源引起的。機(jī)床內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布變化和環(huán)境溫度的變化是造成機(jī)床產(chǎn)生熱誤差的主要原因，而造成溫度變化的根源則在于機(jī)床的熱源。機(jī)床的熱源分為外部熱源和內(nèi)部熱源，機(jī)床的熱誤差受外部熱源和內(nèi)部熱源的共同影響。外部熱源主要是環(huán)境溫度，內(nèi)部熱源主要有驅(qū)動(dòng)電機(jī)、軸承、傳動(dòng)件、液壓系統(tǒng)、切削熱和冷卻液等。研究表明，主軸、導(dǎo)軌等重要部件產(chǎn)生的熱對(duì)機(jī)床熱誤差的影響占的比率最大。

研究表明，數(shù)控機(jī)床熱變形誤差主要受以下因素的影響：

(一)外部熱源和內(nèi)部熱源會(huì)對(duì)熱變形誤差產(chǎn)生交互影響

內(nèi)部熱源主要有：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、機(jī)構(gòu)摩擦、切削熱、冷卻液等，外部熱源主要是環(huán)境溫度。在內(nèi)外熱源的影響中，內(nèi)部熱源的影響較大，外部熱源的影響較小，但是熱誤差受到外部熱源的影響不能略去。為了實(shí)現(xiàn)超精密加工，在精密機(jī)床上通常會(huì)采取隔熱措施，以隔絕外部熱源對(duì)機(jī)床的影響。內(nèi)部熱源和外部熱源會(huì)共同影響到機(jī)床的熱誤差。

(二)熱傳導(dǎo)對(duì)熱變形誤差產(chǎn)生的影響

機(jī)床的熱傳導(dǎo)的形式較復(fù)雜，這是由于機(jī)床結(jié)構(gòu)、零部件材料及環(huán)境等因素的影響，使得機(jī)床各零部件的熱容量和熱慣性都不同，導(dǎo)致在機(jī)床溫度的測(cè)量上表現(xiàn)出一定的時(shí)滯性。

(三)機(jī)床結(jié)構(gòu)對(duì)熱變形誤差的影響

對(duì)于機(jī)床來(lái)講，機(jī)床機(jī)構(gòu)對(duì)熱誤差的影響較大。優(yōu)化機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能使熱誤差從結(jié)構(gòu)上得到抑制。因此精密數(shù)控機(jī)床通常都會(huì)進(jìn)行優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

二、減小熱變形誤差的方法

目前，對(duì)熱變形進(jìn)行控制和對(duì)熱誤差進(jìn)行補(bǔ)償是減小熱變形誤差最行之有效的兩種基本方法。

對(duì)熱變形進(jìn)行控制，一般是通過(guò)提高機(jī)床制造精度、優(yōu)化機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或者控制溫度來(lái)盡可能地消除熱誤差源。這種方法通常從兩個(gè)方面入手：機(jī)床結(jié)構(gòu)和材料改進(jìn)和機(jī)床溫升控制。機(jī)床結(jié)構(gòu)和材料改進(jìn)的常見(jiàn)措施有：機(jī)床采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以使部件均勻受熱；優(yōu)化改進(jìn)傳動(dòng)系統(tǒng)，降低傳動(dòng)齒輪、傳動(dòng)軸等的使用數(shù)量；減小摩擦發(fā)熱，在有運(yùn)動(dòng)摩擦的零件的選用上選擇摩擦系數(shù)低的。機(jī)床溫升控制的常見(jiàn)措施有：采用低能耗的主軸電機(jī)、伺服電機(jī)等，以減少熱量的產(chǎn)生；改善散熱條件，對(duì)發(fā)熱部件進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，增加隔熱措施；對(duì)切削區(qū)域使用高壓、大流量的冷卻系統(tǒng)等。雖然誤差預(yù)防法對(duì)減小熱誤差起著十分積極的效果，但其存在著受現(xiàn)有加工能力的限制、會(huì)造成系統(tǒng)成本的大幅度上升、無(wú)法克服外界環(huán)境干擾等缺點(diǎn)，而且對(duì)熱變形進(jìn)行控制不能完全消除熱誤差，只能將熱誤差進(jìn)行一定程度的降低，以上這些因素使得這種方法在應(yīng)用上有很大的局限性。

熱誤差補(bǔ)償法是通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床熱誤差的測(cè)量、分析、建模等過(guò)程總結(jié)出熱誤差的數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型，根據(jù)檢測(cè)到的溫度值代入預(yù)測(cè)模型從而計(jì)算熱誤差補(bǔ)償值，然后將補(bǔ)償值實(shí)時(shí)地反饋到數(shù)控機(jī)床的伺服控制系統(tǒng)中，改變機(jī)床的實(shí)際坐標(biāo)來(lái)減小機(jī)床熱誤差。熱誤差補(bǔ)償主要依賴于檢測(cè)技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助建模技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，這些技術(shù)為熱誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)施提供了強(qiáng)有力的支持。熱誤差補(bǔ)償法具有補(bǔ)償精度高、開(kāi)發(fā)成本低、適用性強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，是減小熱誤差的未來(lái)主要方向之一。

三、結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代制造業(yè)的飛速發(fā)展對(duì)數(shù)控機(jī)床加工精度的要求越來(lái)越高，而熱誤差是加工總誤差的最大誤差源，而且越是精密機(jī)床，熱誤差占加工總誤差的比例越大。因此，對(duì)機(jī)床熱誤差的控制已經(jīng)成為提高數(shù)控機(jī)床加工精度的一門(mén)關(guān)鍵技術(shù)。在減小機(jī)床熱誤差方面雖然經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者多年的努力已經(jīng)取得了一定的成果，但是這項(xiàng)技術(shù)的提高仍然存在著較多困難，因此我們要在這方面加大投入與研究，這對(duì)于我國(guó)成為數(shù)控強(qiáng)國(guó)來(lái)說(shuō)具有重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。