数控机床的热误差补偿技术研究

陈伟

摘 要：数控机床在加工过程中，各部件由于受到摩擦热、冷却液以及环境温度等热源的影响，使温度升高，产生热变形，最终使得刀具和工件之间原来相对正确的位置遭到破坏，从而导致工件的热误差，这种误差是成为精密和超精密加工过程中的主要误差来源。

关键词：数控加工中心；热误差检测

自从数控机床问世以来，在各行各业的制造加工过程中得到了广泛的应用，数控机床作为机械制造装备业中重要的生产工具，它的精度指标直接决定了整个制造装备业甚至一个国家的工业发展水平。函此，提高数控机床的加工精度受到了世界各国研究学者及工程技术人员的极大关注，改善数控机床的加工精度已经成为了一项迫在眉睫的任务。

一、国内外热误差补偿技术的研究现状

1.国外研究现状。在国外，从事机床热误差补偿技术比较有影响力的是美国密西根大学、美国国家标准和技术所、日本的东京大学、日立精机、大阪工业机床，德国的柏林工业大学等。美国密西根大学与美国SMS公司在1996年共同研制和开发了集切削力误差、几何误差和热误差为一体的误差补偿系统，并将该技术应用在SMS公司的双主轴数控机床上取的了很大的成果；在1997年将热误差补偿技术应用于美国通用公司多台数控加工中心上，使生产效率和精度提高了一倍；同时还为美国波音飞机制造公司的一些加工设备实施了误差补偿技术，应用成功的是公司在利用龙门加工中心生产飞机机翼过程中利用热误差补偿技术，使将加工精度提高了两倍以上。

2.国内研究现状。由于历史及我国工业发展水平不高的原因，国内的机床误差补偿技术起步比较晚。但经过近年来国内学者的不断努力，目前，我们国家在机床的热误差补偿方面也取得了很大的成果。国内学者分别从不同角度出发对机床热误差补偿技术进行了大量深入地研究，上海交通大学的杨建国教授在温度测点布置与热误差补偿两个方面均进行了深入的研究并取得了比较丰硕的成果。通过对数控机床进行热模态分析及建模，使以后的研究学者可以更好地理解数控机床的热变形机理，同时为以后在机床上布置测温点以及机床热变形的检测与补偿提供了一定理论依据。

二、数控机床热误差补偿所面临的主要问题

虽然通过国内外研究学者对机床热误差补偿技术的大量研究，机床热误差补偿技术已经取得了很大的进展，但无论是国外还是国内，目前为止，还未见高水平的热误差补偿技术在实际工业生产制造中大批量应用。尤其是在我们国内，尽管通过许多学者的研究取得了很大的进展，但大部分还仅仅停留在实验室的范围内，其巨大的经济效益还没有发挥出来。这表明无论是理论还是实践，数控机床的热误差补偿技术都还需要继续进行深入的研究，尤其将其应用于工程实际，还需要各国学者与工程技术人员的不懈努力，才有可能尽早变成现实。

1. 繁重复杂的机床温度和热误差检测工作严重阻碍了机床误差补偿技术的推广。准确、实时、便捷地检测并保存机床运行时的温度与热变形数据是对数控机床热误差进行补偿的前提。由于机床的温度场分布状态是受机床内外很多因素共同作用的结果，因此其分布情况非常复杂，为了充分获取机床的温度场的信息，需要在机床上布置非常多的温度传感器。但这样不仅增加了温度采集的费用和劳动量，而且在实际的生产加工过程中过多的布线可能会影响机床的正常运行。然而如果布置较少的温度传感器，又可能会导致有用温度信息的缺失。因此，复杂的机床温度场以及热误差的检测成为了误差补偿技术广泛应用的一个重要障碍。

2. 所建立补偿模型的通用性以及鲁棒性比较差、复杂度较高

如果数控机床不是工作在恒温环境下，根据现有的建模方法所得到的机床热误差补偿模型随着季节以及周圍环境的变化很难长期保持原有模型的补偿精度，即补偿模型的鲁棒性不好；另外，根据建模所得到的热误差补偿模型即使在同一类型、同一规格的机床乃至同一环境条件下使用，补偿模型最终的补偿效果差别也会非常大，使得补偿模型通用性差；还有一些模型虽然建模精度较高，但建模所耗时间较长，复杂度高，不能对机床进行实时的热误差补偿。

三、机床热误差分析及相关技术研究

机床热误差是影响机床加工精度的主要误差源，正确的热误差分析，有利于为实验提供比较合适的测温点位置，为数学模型的建立提供比较精确的数据，从而找到比较理想的减小热误差的方法。

产生热误差的主要因素有：（1）热源对机床热误差的影响。热源主要是由内部热源和外部热源两部分组成。机床热误差主要是在这两种热源共同作用下，导致了机床热误差的产生。（2）机床构造对机床热误差的影响。机床构造主要影响了机床的热容量、热刚度和散热性能，从而增加了热误差的时滞和藕合，进而增加了机床热误差的复杂性。（3）机床零件及连接件对热误差的影响。由于机床上各部件的结构、形状、材料各不相同，热容量和热惯性也不相同，加之各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着复杂的非线性关系。

四、测温点布置及误差补偿建模技术研究

在数控机床热误差补偿技术中，合理选择测温点的位置及个数，是建立测温点温升与热误差之间的数学模型的关键所在。研究表明利用模糊聚类和相关分析能有效选择机床的测温点的位置和个数。

对数控机床的热误差进行建模补偿，就是根据实验测得的数据建立机床热误差与机床温度场之间的映射函数模型，然后基于映射函数模型对机床某温度下的热变形值进行预测，并将预测值信号输入到机床的控制系统，接着数控控制系统发出指令控制机床各部件进行相应的动作，从而提高数控机床的加工精度。如前所述，数控机床的热误差受到主轴电机、主轴前后轴承、齿轮箱二级齿轮、液压系统、环境温度、加工参数等多方面的影响。且机床各构件由于结构、材料、尺寸等不同具有不同的热容量、热膨胀系数、导热系数等，再加上机床各构件接触面比较复杂、热边界条件难以准确确定，使得数控机床的热误差具有非线性、非平稳和多因素交互的特性，热变形情况极其复杂且难以精确预测。

五、结语

高速高精度是数控机床的重要发展趋势之一，随着数控机床的精度不断提高，机床热变形引起的加工误差所占的比例越来越高。因此对数控机床热变形机理及特性进行研究，对提高机床精度具有重要的理论和现实意义。

参考文献：

[1] 姜辉.FA-32M数控铣床误差建模与实时补偿技术研究及应用[D].上海交通大学，2009.

[2] 赵海涛.数控机床热误差模态分析、测点布置及建模研究[D].上海交通大学，2006.