机床热误差分析与检测方法研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 5.44MB 68 页 15积分

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摘要

机床热误差已成为影响高精密机床加工精度的重要因素之一。机床主轴热变

形和进给系统中导轨热变形是机床热误差的主要来源，很多国内外研究机构在机

床热误差补偿方面进行了大量研究。由于受到机床多因素的影响，机床各部件热

误差检测的有效性是制约该补偿技术发展的重要原因。

本文以此为研究背景，在对机床主轴热变形和导轨热变形大量实验测量分析

基础上，针对实验中遇到各种检测问题提出了有效解决方法，文中主要解决问题

有： (1)提出了有效判定测点位置方法来解决实际测量中主轴被测芯棒的径向跳

动问题；(2)提出了对非标准环境温度下热误差测量结果的修正方法；(3)提出了

一种结合有限元理论的导轨热误差确定方法。

首先以 LabVIEW 环境为平台设计开发了一套机床温度与位移数据采集系

统，通过对该测量系统多次实验调试及参数设定可使其在多种工况条件下准确测

量被测物体的变形量及温度值。

根据 ISO 230 国际标准分别对机床主轴和导轨热误差测量及评定方法进行

研究整理，在解决被测主轴径向跳动问题上文中采用一种基于距离信息测度方法

进行测点位置判定测量，并通过实验验证了该方法的有效性。

对数控机床电主轴工作原理进行分析，实验测量了机床电主轴随周围环境温

度变化时的热误差变化情况，提出了一种基于非标准环境温度 20℃的热误差修

正方法来消除环境温度变化对热误差测量结果的影响。并对不同冷却方式的机床

电主轴热态特性进行实验测量分析，通过双坐标光栅测量实验检验了主轴热误差

对主轴加工轨迹的影响。

最后在机床导轨有限元分析的基础上，使用正交试验设计方法分析各参数因

素的影响水平，选出影响导轨热变形较大的边界条件。然后将数值模拟技术和实

际测量实验相结合，利用实验测量数据修正有限元分析边界条件，从而得到较为

准确的导轨有限元计算结果。

关键词：数控机床；主轴热误差；导轨热误差；有限元分析；热误差

检测方法

ABSTRACT

Machine tool thermal error has been one of important factors that effect

machining precision. The spindle thermal deformation and guide thermal deformation

is the main source of machine tool thermal error, and many research organizations

have done a lot of work on thermal error compensation. As a result of multiple factors,

how effective measurement thermal error becomes one of important problems that

restricts the development of compensation technology.

Based on this background, large numbers of experiments have been done on the

thermal deformation of spindle and guide, and some methods are proposed to solve

various problems in experiment. The subject problems that the article solved are as

follows : (1) proposed a new method to solve tested body radial run-out ; (2) proposed

a new method to correct the thermal error results measured under nonstandard

ambient temperature;(3) proposed a new method to determine the guide thermal error.

First of all, the paper develops a new machine tool thermal error measurement

system based on the labVIEW platform. Both the deformation and temperature of the

tested body could be measured accurately by this measurement system.

According to ISO 230, the thermal error measurement method of the spindle and

guide is studied and a information measure method is proposed to solve the spindle

tested body run-out problem. Its feasibility is proved.

After analyzing the working principle of electro-spindle, the variations of the

spindle thermal error with the ambient temperature is measured. The paper raises a

method to correct the thermal error results measured under nonstandard ambient

temperature. The thermal characteristics of two different types of cooling

electro-spindles are compared by experiment measurement. The processing path

which is affected by thermal error is tested by the two-coordinate grating experiment.

Finally, based on the thermal error of the machine tool guide calculated by FEM,

it’s convenient to apply the orthogonal experimental design to analyze the effect

degree of each factor and select the boundary conditions that effect guide thermal

deformation significantly. By combining numerical simulation technique with

experiment measurement, more accurate results calculated by FEM can be got by

using experiment results to correct the finite element boundary conditions.

Key Words: CNC, spindle thermal error, guide thermal error, the

finite element ansys, the measuring method

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论......................................................................................................... 1

§1.1 课题的背景及意义................................................................................ 1

§1.2 机床热误差分析与检测方法国内外研究现状.................................... 2

§1.2.1 机床主轴热误差研究现状.......................................................... 2

§1.2.1 机床导轨热误差研究现状.......................................................... 2

§1.3 本文研究内容及论文结构................................................................... 3

第二章机床热误差检测系统设计..................................................................... 5

§2.1 机床热误差测量系统设计................................................................... 5

§2.1.1 机床热误差测量系统硬件组成.................................................. 5

§2.1.2 机床热误差测量系统软件设计.................................................. 7

§2.2 热误差测量系统调试及传感器标定.................................................. 11

§2.2.1 系统调试.................................................................................... 11

§2.2.2 传感器的标定........................................................................... 12

§2.3 本章小结.............................................................................................. 14

第三章机床热误差测量方法研究................................................................... 15

§3.1 机床热误差测量方法......................................................................... 15

§3.1.1 机床检测条件........................................................................... 15

§3.1.2 机床主轴热误差测量方法........................................................ 15

§3.1.3 机床导轨热误差测量方法....................................................... 18

§3.1.4 实验测量结果表示................................................................... 20

§3.2 主轴测点位置判定方法..................................................................... 22

§3.2.1 测点位置判定方法.................................................................... 23

§3.2.2 实验分析.................................................................................... 23

§3.3 本章小结.............................................................................................. 25

第四章机床主轴热误差检测与分析............................................................... 26

§4.1 机床电主轴原理分析.......................................................................... 26

§4.1.1 电主轴结构............................................................................... 26

§4.1.2 电主轴热源............................................................................... 27

§4.1.3 电主轴润滑冷却....................................................................... 27

§4.2 机床电主轴热特性分析测试研究..................................................... 29

§4.2.1 环境温度变化对机床热误差测量的影响................................ 29

§4.2.2 不同润滑方式的电主轴热特性测试分析................................ 32

§4.2.3 电主轴热误差计算与检测........................................................ 35

§4.3 本章小结.............................................................................................. 39

第五章机床导轨热误差有限元分析与检测................................................... 40

§5.1 机床导轨有限元热分析原理............................................................. 40

§5.1.1 热传递基本方式........................................................................ 40

§5.1.2 边界条件与初始条件................................................................ 41

§5.1.3 ANSYS 分析热载荷 .................................................................. 42

§5.2 机床导轨有限元分析......................................................................... 43

§5.2.1 导轨有限元建模及热流密度计算............................................ 43

§5.2.2 导轨有限元边界条件的确定.................................................... 44

§5.2.3 导轨温度及热变形场耦合分析计算........................................ 45

§5.3 基于正交试验机床导轨有限元分析.................................................. 46

§5.3.1 正交试验方案分析.................................................................... 47

§5.3.2 正交试验计算及结果................................................................ 48

§5.3.3 正交试验结果分析................................................................... 51

§5.4 机床导轨热误差确定方法................................................................. 51

§5.4.1 响应面近似模型....................................................................... 51

§5.4.2 导轨热误差实验测量................................................................ 53

§5.4.3 计算机床导轨热误差响应面模型............................................ 55

§5.4.4 机床导轨热误差有限元计算.................................................... 57

§5.5 本章小结............................................................................................. 58

第六章结论与展望........................................................................................... 60

§6.1 总结..................................................................................................... 60

§6.2 展望..................................................................................................... 60

参考文献............................................................................................................. 62

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果................................. 65

致谢................................................................................................................. 66

第一章绪论

§1.1 课题的背景及意义

随着现代制造业对机械产品的质量要求越来越高，提高机床的加工精度就显

得尤为重要。高精度、高质量和高生产率一直是国内外先进制造技术追求的目标，

制约该项技术发展的主要因素是机床加工过程中所产生各项误差对加工精度的

影响[1]。如在高速加工过程中，机床会受到摩擦热、切削热、外部环境温度变化、

热辐射等热源以及热源分布不均匀的影响，会导致机床各部分温度发生不均匀的

变化，这使工件和刀具产生相对位移而引起加工误差。目前研究表明，在精密加

工中，机床热误差主要来自于主轴热变形和进给系统中滚珠丝杠和导轨的热变

形，其各部件热变形所导致的加工误差占到总误差的 40%～70%[2-3]。

随着机床制造业的发展，机床热误差已经成为影响精密加工精度的主要因

素。目前，很多国内外院校和研究机构对整台机床及各部件的热特性和热误差进

行了大量研究，减小机床热变误差的研究方法大致分为三类:(1)进行热误差建模

与补偿; (2)温度控制；(3)热态特性优化设计。随着现代计算机软、硬件技术的

发展，对机床各部件的热误差进行分析检测及软件补偿技术越来越受到人们重

视。

机床热误差补偿技术研究已经经历了很长一段时间，但其补偿技术大部分仍

停留在实验室范围内，没有批量应用到数控机床上。机床热特性有效准确检测是

制约该技术发展的一个重要原因，如机床的热特性取决于环境温度、机床工况（主

轴转速和进给速度等），冷却液、加工周期等因素，且机床热误差呈现非线性及

交互作用[4]。因此，本课题对机床各部件（主轴和进给系统等）热误差进行大量

分析与实验研究及针对各种检测问题提出了解决方法，为以后机床热误差补偿技

术发展提供了实验依据和理论基础。其意义具体体现在：

1、以微型计算机为平台，结合现代有限元理论分析和检测方法，为今后机

床各部件热误差检测分析研究提供一个可靠的实验平台。

2、分析了机床各部件的热误差成因，并对机床不同部件的热变形规律进行

了大量测量实验，为今后热误差补偿技术研究发展提供了有效实验测量

数据。

3、针对实验中的测量问题提出了不同的检测办法，为提高机床热误差检测

精度提供了更多可选择方法。

机床热误差分析与检测方法研究

§1.2 机床热误差分析与检测方法国内外研究现状

§1.2.1 机床主轴热误差研究现状

在国外，日本的 Moriwaki 等通过实验研究了超精密机床的空气主轴系统热

特性，得出了热变形与主轴转速和环境温度之间的传递函数，并通过热变形补偿

方法减小了机床的热误差[5]。美国的 Veldhuis.S.C.等人在对一台五轴加工中心进

行研究时，采用人工神经网络方法，选择最相关的热电偶信号进行建模，该模型

沿Z轴方向的预测精度可以达到水平误差 0.020mm 和角误差为 0.002 度[6]。美国

密歇根大学的 S.Yang 等运用小脑模型连接控制器 (CMAC)神经网络建立了机床

热误差模型[4]。韩国的 Kim Sun-Min 等研究了主轴轴承的装配公差和主轴支撑结

构的热变形对高速主轴系统热特性的影响[7]。韩国的 Choi Jin-Kyung 等用有限元

方法对主轴轴承系统进行了热特性研究[8]。德国柏林工业大学借助有限元计算机

床部件及整机的温度场和变形场，结合微机控制进行数控机床误差的实时补偿。

在国内，很多学者也对主轴系统的热特性进行了卓有成效的研究。其中上海

交通大学杨建国等采用基于聚类分析基本原理的变量选择方法，通过分析各变量

之间的相关性，并使用一定的聚合方法将变量进行聚类，取得了很好的效果[9]。

浙江大学的蒋兴奇等以传热学、滚动轴承摩擦学和动力学理论为基础，7005C/P4

轴承为例，建立了考虑摩擦热和预紧方式影响的主轴轴承动力学模型，研究了轴

承的热特性，并进行了实验验证[10]。南京东南大学的郭策等人利用有限元法对某

型高速高精度数控车床主轴系统进行了热特性理论建模与分析。结果表明，当主

轴转速为 8000r/min 时，系统经 3小时达到热平衡，其最高温升位于前轴承内圈

处。通过对主轴箱体散热筋板的合理布局和优化设计，有效降低了主轴头部的径

向跳动和端跳动误差，优化效果非常明显[11,12]。

§1.2.1 机床导轨热误差研究现状

导轨热变形分析方面，随着ANSYS软件在热分析工程应用中得到了较为广

泛的发展和应用，使用有限元方法对导轨热变形进行变形特征分析提供了很大方

便。由于机床进给系统特点实际测量实验很难直接测出机床导轨实际热变形量，

所以目前大多导轨热变形研究都是在对导轨热边界条件进行分析的基础上，应用

有限元分析方法建立了一类机床导轨的有限元热变形分析模型进行热误差分析

计算，为机床综合热误差补偿提供参考。

当前机床导轨热变形研究方法有：韩国的Won Soo Yun等人使用有限元方法

对机床导轨进行建模分析，研究了机床导轨在各垂直方向和角度方向上的变形

第一章绪论

量，通过激光干涉仪实验测量结果与理论分析结果比较分析得出该机床导轨产生

的热误差占到总热误差的22.7%[13]。Sun-Kyu Lee等人研究了在不同载荷和不同速

度下的导轨热变形情况，通过实时测量工作台变形分析研究了导轨热变形对进给

运动造成的影响[14]。国内也有很多学者对机床导轨热特性进行了研究，如华中科

技大学的郭学祥等人对导轨热边界条件进行分析研究基础上,应用有限元分析方

法,建立了一类机床导轨的有限元热变形分析模型,针对不同边界条件下进行了

导轨热变形计算，分析了影响导轨热变形和温度场的主要因素[15]。华中科技大学

的夏军勇根据ISO230-2和ISO230-3对机床进给系统做了大量实验研究，分析了不

同载荷、速度下的进给系统热变形与各测点温度之间关系，依据最小二乘法对进

给系统的热态特性进行建模分析，通过在DM4600磨床实验验证了该模型的有效

性[16-17]。

§1.3 本文研究内容及论文结构

本文首先建立了一套完整的机床热误差检测系统，然后根据 ISO 230 国际标

准分别对机床主轴和进给系统热误差研究整理了一种实用的测量方法，最后分别

对机床主轴和进给系统的热误差进行了大量实验测量和方法研究。文中主要解决

问题有：1）提出了有效判定测点位置方法来解决实际测量中主轴被测芯棒的径

向跳动问题；2）提出了对非标准环境温度下热误差测量结果的修正方法；3）提

出了一种结合有限元理论的导轨热误差确定方法。

第一章、阐述本论文的研究背景及重要意义，详细介绍了国内外机床热误差

补偿的研究概况，概述本文的研究内容结构。

第二章、在机床各部件热误差研究分析中，实验测量数据的准确性和可靠性

对正确分析机床热误差变化规律及建立有效热误差补偿模型有着重要作用。本章

选用高精度 PT100 温度传感器和电容式位移传感器，以 LabVIEW 环境为平台设

计开发了一套机床温度与位移数据采集系统，通过对该测量系统多次实验调试及

参数设定可使其在多种工况条件下准确测量被测物体的变形量及温度值。

第三章、机床热误差测量主要包括主轴热误差和导轨热误差测量。对于不同

机床的热误差测量应保证各种实验条件、测量过程及实验数据处理等建立在统一

标准上进行。本章根据 ISO 230 国际标准分别对机床主轴和导轨热误差评定及测

量方法进行研究整理。在解决被测主轴径向跳动问题上本文采用一种基于距离信

息测度方法进行测点位置判定测量，并通过实验验证了该方法的有效性。

第四章、本章首先分析了数控机床电主轴的工作原理，实际测量了机床电主

轴随周围环境温度变化时的热误差变化情况，提出了一种基于标准环境温度 20℃

的热误差修正方法来消除环境温度变化对热误差测量结果的影响。然后对不同冷

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摘要：

摘要机床热误差已成为影响高精密机床加工精度的重要因素之一。机床主轴热变形和进给系统中导轨热变形是机床热误差的主要来源，很多国内外研究机构在机床热误差补偿方面进行了大量研究。由于受到机床多因素的影响，机床各部件热误差检测的有效性是制约该补偿技术发展的重要原因。本文以此为研究背景，在对机床主轴热变形和导轨热变形大量实验测量分析基础上，针对实验中遇到各种检测问题提出了有效解决方法，文中主要解决问题有：(1)提出了有效判定测点位置方法来解决实际测量中主轴被测芯棒的径向跳动问题；(2)提出了对非标准环境温度下热误差测量结果的修正方法；(3)提出了一种结合有限元理论的导轨热误差确定方法。首先以LabVIE...

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