数控机床主轴热变形伪滞后研究及主轴热漂移在机实时补偿

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数控机床主轴热误差的测定及研究

数控机床主轴热误差的测定及研究余乐荣;丁晓红【摘要】针对数控内外圆磨床K-C33的热误差问题,进行了以下工作:(1)把机床电主轴做为分析目标,简单了解了电主轴的结构布置,熟悉了电主轴生热来源和相关解决方法,并对电主轴发热及传热进行了一定的计算,对电主轴热特性进行了一定的分析研究.(2)以实验测得的数据为基础,对实验的4个测点的温度变化进行了详细的分析,并以此来观察温度变化的原因,从而为后续工作提供相关依据.【期刊名称】《农业装备与车辆工程》【年(卷),期】2019(057)004【总页数】4页(P81-84)【关键词】数控机床;电主轴;热误差;主轴散热;电主轴温度【作者】余乐荣;丁晓红【作者单位】200093上海市上海理工大学机械工程学院;200093上海市上海理工大学机械工程学院【正文语种】中文【中图分类】TG581+.10 引言现代制造业正朝着高速高精的方向发展[1]，而制造技术对数控机床的加工精度与可靠性的要求也在不断提高[2]。

研究表明，在进行精密加工时，数控机床产生的误差中占比最大的就是热变形误差[3]，而且热误差所占比例随着机床精度的提高而增大。

对热误差进行精确控制非常重要。

本文针对数控机床主轴热误差进行了一系列的实验测定与数据计算分析，为后续工作提供了相关依据。

1 数控机床主轴热性能分析本文研究对象是数控内外圆磨床K-C33。

在高速高精度加工条件下，电机生热和主轴轴承摩擦热成为机床热误差的主要热源。

数控机床加工中产生的热误差会严重影响数控机床的精度。

数控机床改善热误差主要措施有以下3种：（1）温度控制法，即控制机床的温度。

（2）热误差预防法，即采用一定的措施与手段，在设计制造阶段，考虑热误差的影响因素，尽可能减小热误差。

但是由于处在设计制造阶段，需要提供硬件与相关技术的支持，这一举措不免增加成本，从而降低经济收益。

同时由于有关技术的限制及发展不足，这些手段并不能完全解决热误差的影响，存在着很大的缺陷。

机床热变形误差实时补偿技术(精)

实验研究机床热变形误差实时补偿技术李书和 *a 杨世民张奕群张国雄(天津大学精密仪器与光电子工程学院摘要研究了通过实时补偿热误差提高数控机床加工精度的方法 . 采用一维球列加快和简化了热误差的测量 . 利用多元线性回归方法建立了热误差与温度的数学模型 . 在外部微机的帮助下 , 可在加工过程中实时补偿热误差 . 切削实验表明补偿效果良好 .关键词数控机床 , 热误差 , 补偿分类号 T G 502. 15REAL -TIME COMPENSATION FOR THERMALLY INDUCEDERRORS OF MACHINE TOOLSLi Shuhe Yang Shimin Zhang Yiqun Zhang Guoxiong(Scho ol of P recisio n Inst rument and O pto-electr onics Engineer ing , T ianjin U niv ersit yAbstract T his paper is co ncer ned with enhancing the accuracy o f a machine too l thr ough compen-sating ther mal er ro rs in real time . T he 1-D ball ar r ay is used t o acceler ate and simplify the t hermal err or measurement. T he mo del o f ther mal err or and temper ature field is dev elo ped by multi-v ari-v ant r egr ession analy sis technique.W ith the aid o f an ex ternal PC, t he er ro r can be compensat ed in real tim e. T he cutting test show s that the effect of co mpensatio n is satisfacto ry.Keywords N C machine t oo l , thermal er ro r , err or compensatio n科学技术的发展对数控机床的精度和可靠性提出了越来越高的要求 . 大量研究表明 , 热误差是数控机床最大的误差源 , 占总误差的 40%~70%[1]. 减小热误差可通过三种方法 , 即改进设计、温度控制和误差补偿 . 其中误差补偿是一种方便、经济而有效的方法 [2]. 本文以 JCS-018A 立式型加工中心为对象进行了研究 . 首先通过实验建立热误差与机床上若干点的温升之间的数学模型 , 在加工过程中借助外部微机监测温度 , 根据模型计算热误差 , 利用微机与机床数控系统的通讯技术及机床运动的可控性 , 修改进给量 , 从而实现实时补偿 . 1998年 11月No v. 1998天津大学学报 JOURNAL OF TIANJIN UNIVERSITY 第 31卷第 6期 V o l. 31N o. 6a 本文 1997年 1月 8日收到 . 1997年 5月 7日收到修改稿 .*, ,1测量方法1. 1热误差的测量机床热误差是由于内外热源作用下 , 刀具相对工件产生热位移造成的 . 由于丝杠的热膨胀和立柱的热弯曲 , 热误差不仅取决于温度而且随各轴的位置而变化 . 为了全面快速地测量热误差 , 本文采用了一种一维球列检具 . 一维球列即在一刚度足够的基座上等间隔镗一系列尺寸相同的锥孔 , 在锥孔上粘一系列尺寸相同、球度误差很小的钢球 . 使用在 xy z 三个方向同时瞄准球心的三维测头 , 测量球心的坐标 . 以 z 轴为例说明测量原理 , 如图 1a 所示 , 将一维球列装卡在工作台上 , 调整使其与 z 轴平行 . 将测头固定在主轴箱上 , 在机床未升温状态对各球心坐标进行测量 , 测值作为参考值 . 然后 , 机床以一定方式运转 , 每隔一定时间对各球心坐标测量一次 , 在新状态下的测量值相对参考值的变化反映了机床的热漂移 . 从所测热漂移值可以得到各项热误差.(a 工作台 (b 双测头图 1热误差的测量Fig . 1 Thermal error measurement1 机床坐标系零点的漂移$d (t 1, x 0, y 0, z 0 =[x 0(t i -x 0(0 , y 0(t i -y 0(0 , z 0(t i -z 0(0 ](1 式中 :[x 0(0 , y 0(0 , z 0(0 ]为各球心坐标的参考值 ; [x o (t i , y 0(t i , z 0(t i ]为第 t i 时刻各球心坐标的测量值 .2 机床各轴单位长度的热膨胀k lx (t i =[x 2(t i -x 1(t i -x 2(0 +x 1(0 ]/lk ly (t i =[y 2(t i -y 1(t i -y 2(0 +y 1(0 ]/lk lz (t i =[z 2(t i -z 1(t i -z 2(0 +z 1(0 ]/l(2 3 立柱的倾斜立柱倾斜通过测量两个 Z 平面上坐标值 [x 1(t i , y 1(t i ]和 [x 2(t i , y 2(t i ]来确定 . 立柱在 x 方向的热倾斜 :A x (t i =[x 2(t i -x 1(t i -x 2(0 +x 1(0 ]/l (3・ 811・第 31卷第 6期李书和等 :机床热变形误差实时补偿技术A y (t i =[y 2(t i -y 1(t i -y 2(0 +y 1(0 ]/l4 刀轴的热倾斜刀轴倾斜的测量需要使用双测头 , 如图 1b 所示 . 两个测头之间的距离与一维球列的各球心距相等 , 通过测头 a 、 b 的测量值来确定 .刀轴在 x 方向的热倾斜 :B x (t i =[x b (t i -x a (t i -x b (0 +x a (0 ]/l(4刀轴在 y 方向的热倾斜 :B y (t i =[y b (t i -y a (t i -y b (0 +y a (0 ]/l对上述各误差最大的几项进行补偿就可大幅度提高精度 .1. 2温度的测量根据对热源分布、热量传播、敏感部分等的理论分析和初步实验 , 在床身上比较重要的位置分布 12个热敏电阻 , 测量温度 . 热敏电阻的位置和作用如表 1所示 .表 1热敏电阻的位置和作用Tab . 1 The positions and functions of temperature sensors 热敏电阻T 1T 2, T 11, T 12, T 9T 3, T 7, T 8T 5, T 10T 4T 6位置工作台主轴轴套、主轴箱立柱的上下端 Z 轴滚珠丝杠一维球列检具前后轴承、电机轴承作用参考温度主轴的热变形立柱的热膨胀丝杠的热膨胀检具的热膨胀 1. 3测量策略为辨识机床热特性 , 让机床运行方式接近加工状态 , 在不同的坐标下 , 实验方式有三种 :1 主轴以不同的固定转速转动 ;2 主轴按转速谱转动 ;3 主轴转速模拟实际加工过程 . 2热特性的分析在一典型实验中 (主轴转速 n =800r /min, t =0~210m in; n =0r/m in, t=210~300min 发现 , 主轴前后轴承的磨擦热是机床的最大热源 , 温度变化最为剧烈 , 幅值达 4~5℃ . 而立柱的热容量较大 , 温升比较缓慢 , 在主轴停转后立柱温度仍继续上升 . z 轴滚珠丝杠轴承的温度变化很大 . 主轴箱箱体左右的温度变化不太剧烈 . 床身温度和室温变化缓慢 .在热误差方面 , z 轴零点热漂移最大 , 可达 30L m, x 轴和 y 轴热漂移值较小 , 仅为 5L m . 同时 z 轴热膨胀也最大 , 相对零点 100mm 距离的热膨胀达 3~4L m .分析表明 , 该机床 z 轴热误差最大 . 实际上 z 轴热误差是主轴热膨胀、主轴箱热变形、 z 轴滚珠丝杠热膨胀和立柱热变形等几部分造成的 . 其中丝杠膨胀和立柱的弯曲与 z 轴位置有关 , 如图 2示 .图 3为不同 z 坐标下 (z 1=-50, z 2=-150, z 3=-250, z 4=-350 z 轴热漂移的情况 . 开始阶段几条曲线比较相似 , 随时间的推移而逐渐分离 . 这是由于开始阶段热漂移主要是由与位置无关的主轴热位移造成的 , 变化速度比较快 , 很快达到热平衡 . 此后 , 与位置有关的热・ 812・天津大学学报1998年 11月热漂移的不同.图 2 z 轴热误差的分量图 3不同 z 坐标下的热误差Fig . 2 The components of z -axis Fig . 3 Thermal errors at diff erentthermal error z coordinates3热误差的建模由于 z 轴的热误差最大 , 这里只研究 z 轴热误差的建模 . 图 4和图 5为模型拟合热误差和预测新工作状态下热误差的情况.图 4对一新工作条件下 (800r /m in 图 5对一新工作条件下 (DIN 8602转速谱热误差的拟合情况热误差的预测情况Fig . 4 Fitting result of the thermal error at Fig . 5 Prediction result of the thermal error a new cutting condition (800r /min at a new cutting condition (D IN 8602spectr um3. 1误差合成公式z 轴任一坐标处 z 1的热误差为$z (z 1 =$z (z 0 +k (z 1-z 0 (5 式中 :$z (z 0 为 z 轴零点处的热漂移 ; k 为 z 轴单位长度的热膨胀 . 这里只考虑了这两项最显著的误差 .3. 2多元线性回归模型采用线性回归分析分别建立 z 轴零点热漂移和 z 轴热膨胀与温度的模型 . 模型的形式为 [3]・ 813・第 31卷第 6期李书和等 :机床热变形误差实时补偿技术y d =B 0+B 1x 1+B 2x 2+…… +B m x m +E 式中 :yd 为所要估计的热误差; x 1, … , x m 为机床各测温点的温升值 ; B 0, B 1, … , B m 为模型中的未知参数 ; E 为残余误差 . 模型中的参数用最小二乘法估计 .3. 3热敏感点的选择在建立模型时 , 自变量的选择是一个关键问题 . 如果遗漏了重要的变量 , 回归效果一定不会好 . 自变量过多 , 把对因变量影响不显著的也引入 , 会影响方程的稳定性 , 效果也不会好 . 同时 , 实时监测、计算等的任务量也加大了 . 为从 12个候选温度测点中挑选“ 热敏感点” , 从而建立最优模型 , 采用了逐步线性回归方法 . 回归方程每次选入一个变量 , 每选入一个新的自变量后都重新对构成该方程的每个自变量进行一轮新的偏 F 检验 . 如果发现某个自变量的上述边际贡献不显著 , 不论是前期选入的还是现期选入的 , 都要剔除出回归方程 , 并用剩下的自变量重新拟合回归方程 . 这一过程按上述原则一直进行 , 直到待筛选的全部自变量中根据给定的显著水平没有一个再能被选入或排除出刚构成的回归方程为止 . 这些工作都用大型数学工具软件包 SPSS 来实现 . 最终 , 选出 4个“ 热敏感点” , 即工作台、主轴箱箱体、立柱和主轴轴承 . 由图 4和图 5可见模型拟合热误差和预测一种新工作状态下热误差 , 结果比较准确 .4热误差补偿的执行大多数数控系统不具备热误差实时补偿功能 , 所以要借助于外部微机 . 监测机床上 4个点的温度 , 通过接口板采集机床的坐标位置 , 利用存储在微机中热误差模型计算热误差 . 利用微机与数控 CNC 系统的直接通讯技术 , 将补偿值传送到机床控制器 , 通过改变机床零点的位置来实现实时补偿 .为了验证热误差的补偿效果 , 进行了铣削实验 , 以所铣槽深的变化反映热误差 . JCS -018A 的定位精度为 1L m , 加工的工艺条件为 :主轴转速 1000r /m in , 切削量 0. 1m m , 不使用冷却液 . 在相同的条件下进行了多次实验 . 槽深误差由 7L m 减小到 2L m , 补偿效果达到 70%左右 .5结论研究了 JCS-018A 型加工中心热误差的补偿 . 用一维球列测量机床加工空间内的热误差 , 在机床结构的关键位置上布置热敏电阻测量温度 , 制订了测量策略 , 对机床的热特性进行了分析并利用回归分析确定热误差与 4个敏感点的温度之间的关系 . 通过切削实验 , 验证热误差补偿效果非常明显 .参考文献1 Bryan J. International status of th ermal er ror research. Annals of th e CIRP, 1990; 39(2 :645~6562 Chen J S, Yuan J, Ni J e t al . Real-time com pens ation for time-variant volumetric error on a machining center. ASM E Jour nal of Engineering for Ind ustry ,1993; 114:472~4793, ・ 814・天津大学学报1998年 11月。

数控机床主轴热误差及优化策略研究

摩擦主要出现在滚动体与内外圈之间；小幅滑动摩擦主要电源。在保证数控机床加工水平与功能的前提下，在主轴
是由于内外圈旋转速度高于滚动体速度，使得滚动体与内线前端部位增加散热装置，避免机床内部热量散入到主轴
外圈之间产生小幅滑动；大幅滑动摩擦主要体现在滚动体箱内。在主轴箱前端面设置变速箱以及传动箱，同时在相
结合电动机转动中各个影响因素与实验获得的具体数值，可以得到无量纲效率系数浊s 的表达公式，如下所示：
结合电机运行过程中的速度以及扭矩因素，可以得到电动机运行过程中热量计算公式，如下所示：
上述公式中，Qm 表示为电动机运行过程中产生的实际热量值，p 表示为电动机旋转磁场极对数，n 表示为数控机床主轴旋转速度。
越少，轴承的实际发热量可以用以下公式表示：
与保持架之间、滚动体与挡垫端面；滑动摩擦主要体现在互连接的部件之间增加循环冷却装置。在主轴箱各个侧面
密封部件之间。
设置大功率风扇，确保主轴箱内产生的热量能够迅速散发
轴承在旋转过程中，当摩擦力矩越大、旋转速度越高，出去，从而降低热误差。最后，也要提高冷却设备的工作水
则在单位时间内产生的热量也就越多，反之则产生的热量平，结合并联冷却方法，进一步强化冷却能力。
关键词院数控机床；主轴；热误差
0 引言制造业在我国经济体系中占据了相当大的分量，每年国内生产总值中有大约 4 成是制造业贡献的。由此可见，制造业在促进社会经济稳定发展中发挥了巨大的作用，必须要采取多种措施推动制造业不断发展，目前我国制造业逐步朝向信息化、自动化、智能化方向发展，加工效率、加工精度等实现了较大增长。数控加工是现代制造业中及其重要的一部分，相比较与传统加工方式，数控加工具有更大的优势，不仅加工精度高、加工速度快，同时也能够满足各种复杂、非标的零部件加工需求，引领现代制造业向精密加工方向前进。数控机床加工过程中，会受到自身以及外界环境因素的影响，导致加工精度降低，影响机械加工品质，为了提高数控机床加工效果，必须要降低各种不良因素对数控加工的影响。为此，本文对数控机床主轴热量产生的原因与发热量进行了计算，并提出了降低主轴热误差的优化策略。 1 数控机床主轴热误差产生原因与发热量计算数控机床在运行过程中，主轴位置会产生较大的热量，一般来说热量主要来自于两个方面，分别是外部环境产生的热量以及机床本身产生的热量[1]。其中，外部环境热量通常是自然环境中的热量以及太阳辐射产生的热量，而机床本身产生的热量通常是电能与动能转化产生的热能、切削加工以及摩擦产生的热能等。为了降低外部热量对数控机床运行的影响，可以通过控制外界环境温度来实现，保证加工车间处于恒定的温度值；而机床本身产生的热能中，切削工件以及碎屑会带走一部分热量，必须要控制余下的热量对机床运行的影响，可以通过增加冷却液的方式降低切削热量，保障数控机床稳定运行。除了上述热能产生位置外，电动机在运行过程中会使一部分动能转化为热能、各个相对运动部件之间也会产生较多的摩擦热量，这两个热量成为了影响数控机床温度控制的主要问题[2]。要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要

数控机床热误差实时补偿应用

生产的影响，则需要通过补偿的方式实现。
关键词：数控机床
热误差实时补偿
相对于传统机床而言，数控机床的主要优势体现在加工的精确
点，所以位置标识、误差指标等相关信息同样用于整体误差换算过
３结束语数控机床属于工业生产的基础设备，其发展与改革也将影响到生产的效果，而加工生产的精确性往往是保证工业生产的关键性标识。而误差补偿技术是保证数控机床加工效率以及科学运作１数控机床的误差解析
误差解析也是实现后期误差补偿的基础，唯有提前了解数控机数控机床的热关键点设置一台智能温度传感设备，从而实现以对机床的误差及误差产生的因素，方能保证对机床运作流程进行把控，同时确定误差的特点以及各类误差的联系，也能保证最终误差补偿的科学ｌ生。而在一般条件下，误差解析流程可以涵盖以下两点，其一，误差产生的因素，常见的数控机床主要包含主轴、床身、立柱及旋转轴等几类，而在数控机床运作流程中误差的就会出现。而且数控机床的误差类型多种多样，即如发热变形产生的误差、运行误差、床的温度参数的收集获取，同时将取得温度信息以ＡＲＭ处理器调

数控机床热变形分析研究及自动热补偿技术应用

结果如图 1 与表 1 所示。
3.2 进给速度为 30m/min 的补
偿效果（下午）
在机床中午冷机 2 小时完全冷
却后，先分别测量其在补偿前后的定
位误差，此时室温为 8.3益，丝杆螺母
温度为 8.5益。然后机床以 30m/min
的进给速度热机 30min，分别测量热
机后补偿前后的定位误差，此时室温
为 8.5益，丝杆螺母温度为 27.5益。测
表 1 Z 轴以 4.5m/min 热机时补偿前后结果对比统计渊室温 4益冤
单位：滋m
补偿前（um）
补偿后（um）
Z 轴冷态定位误差
-120.1
8.9
Z 轴热态定位误差
-92.4
13.2
热机时温度变化量/益
7.7益
· 96 ·
内燃机与配件
补偿前后的定位误差，此时室温为
4.1益，丝杆螺母温度为 9.2益。测试
展，关于热变形的研究必将有新的
突破。
参考文献院 [1] 谷继永援控制机床热变形的措施
图 2 Z 轴以 30m/min 热机时补偿前后定位误差曲线对比
探讨[J]援安徽理工大学学报，2005（6）援 [2]陶晓杰，王治森.机床误差补偿方
表 2 Z 轴以 30m/min 热机时补偿前后结果对比统计渊室温 8.3益冤
学，2004.
要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要
作者简介院何晓峰（1984-），男，浙江绍兴人，工程师，本科，研究方向为精密机床设计研究。
尽量小的方式安放等。于机床结构设计采用对称方案，对称的结构形式可以实现机床在不同热源作用下产生的热变形量达到最小，最大限度的保障机床精度。机床结构设计采用对称方案是指在零部件结构设计时，尽量使零部件的热源、散热面积等对称分布，以保持热变形后机床敏感精度的中心位置不变。盂机床在开机工作时，增加必要的热机步骤，使机床导轨、丝杆、电机等发热源充分工作并达到热平衡状态，这对于机床的高精度，高稳定性工作具有现实意义。因为机床由刚开机冷机状态工作到热机稳定状态，虽然时间不长，但是存在局部升温严重造成温差产生，引起热变形。榆机床放置于恒温车间，使机床工作环境温度保持恒定，可以最大限度的降低温差，降低机床热变形。另外，机床的关键部件及发热严重的部件需要增加恒温油冷或水冷，利用设定的恒温流体循环流过主轴轴承、直线电机等热源部位，通过对流热交换，带走热量，降低局部温升，控制热变形。恒温冷却系统的使用已经是现阶段机床主轴降低热变形保证精度的重要手段。虞机床加工产生切屑的合理处理。机床加工时产生的切屑掉落于床上或飞溅于防护上，由于切屑自带热量，大量切屑的堆积将会是一个不可忽视的热源。如何快速有效的将切屑排出机床外，也是机床设计的一个重大课题之一。关于切屑热的处理，还可以通过加大冷却液流量进行冷却优化。不过现在还可以通过采用高速铣削的方式来减少切屑自身的热量，尤其是高精度铝合金薄壁的加工方面已经得到了普遍应用。

机床热误差产生原因分析及常用补偿办法

机床热误差产生原因分析及常用补偿办法一、引言现代制造业对产品精度的要求越来越高，但是机床在加工过程中会受到温度影响，导致热误差的产生。

如果不对热误差进行有效的补偿，将会直接影响产品的加工质量，甚至导致生产事故。

研究机床热误差的产生原因以及常用的补偿办法对于保障产品加工精度具有重要意义。

二、机床热误差的产生原因分析1.机床结构热变形机床在工作过程中会受到外部环境温度变化的影响，导致机床结构材料的热膨胀或收缩，从而引起机床的尺寸变化。

特别是大型数控机床，在长时间的加工过程中，由于机床结构的温升会导致机床的各个部分产生不同程度的热变形，从而引起热误差的产生。

2.主轴热变形机床的主轴在高速加工过程中会受到较大的摩擦力和热量的影响，导致主轴温升，从而引起主轴的热变形。

主轴的热变形会直接影响到工件的加工精度，甚至导致产品质量不合格。

3.润滑油温度机床在工作过程中需要进行润滑，而润滑油的温度会直接影响到机床各个零部件的温度。

当润滑油温度升高时，会导致机床各个部件的温度升高，从而引起热误差的产生。

4.外部环境温度5.加工热量6.其他因素除了上述因素之外，机床的热误差还受到机床结构设计、机床材料特性、润滑方式、切削参数等多方面的影响。

以上这些因素的综合作用，导致了机床热误差的产生，因此在实际生产中，需要采取相应的措施对热误差进行有效的补偿。

三、机床热误差的常用补偿办法1.温度补偿温度补偿是对机床热误差进行校正的有效方法之一。

通过在机床的各个部件上设置温度传感器，实时监测机床的温度变化，并且通过控制系统对温度进行实时补偿，从而减小了机床的热误差。

2.结构优化通过对机床的结构进行优化设计，例如采用热稳定性好的材料、合理设置机床的冷却系统、优化机床的传热结构等，可以有效减小机床热误差的产生。

3.控制系统补偿控制系统补偿是通过对机床数控系统的程序进行调整，以达到对热误差的补偿效果。

例如在机床数控系统中设置热误差的补偿参数，通过对加工程序进行调整，从而达到对热误差进行有效补偿的目的。

数控机床热误差建模及补偿技术探讨报告

很大代价才能达到的精度水平，满足了一定的精度要求，又降低了仪器和设备制造的成本，具有显而易见的经济效益。因此，热变形误差补偿技术以其强大的技术生命力迅速被各国学者、专家所认识，并使之得以迅猛发展和推广。热误差补偿目前有两种方法：温度场补偿法和位移补偿法。温度场补偿法是指在某些关键部位安装一些加热元器件或者在某些构件内加入可流动循环的冷却液，并且对这些温度点进行监测和控制，使温度场的温度得到平衡，使之达到减少或消除热误差的目的。但是不足之处是难以对每个热误差点进行有效的控制。位移补偿法是通过对每个坐标轴附加位移来补偿因为热误差}fU 导致刀具和工件间的偏移误差。这种补偿法是现在使用最多的一种方法。1975 年，口本的 Okushima 公司提出利用温度检测位移补偿法，并将此方法应用于数控加工中心来实现热误差补偿。80 年代中期，柏林工业大学将这种位移补偿法应用在数控机床上，在不同主轴和不同进给速度下试验得出了热误差和特征点之间的关于温度的函数关系，并建立了误差补偿模型，只需要知道特征点的温度用补偿模型就可以得到补偿值，然后经过数控机床的伺服进给系统附加位移来实现补偿。目前，数控机床热误差补偿技术的研究主要体现在以下几个方面：（1）数控机床热误差温度检测点的选择，即温度传感器摆放位置的研究及检测技术的研究；（2）获得建立精确性比较强的数控机床热误差补偿的数学模型的研究；（ 3）数控机床热误差实时补偿技术推广应用的研究。目前国内外学者对这些方面问题做了大量的研究，在温度检测点的选择方面常用的方法有：（1）逐步线性回归方法；（2）热误差模态分析方法；（3）模糊聚类分析方法；（4）灰色系统理论的关联度分析方法。在机床热误差补偿建模方面突破常规建模思路，采用 BY 神经网络和 RBF 神经网络及改进的神经网络等非线性方法，可以更好的解决了数控机床误差补偿的应用问题。

数控车床主轴热变形误差检测及改善措施

收稿日期：2018-04-02基金项目：国家科技重大专项（2013ZX04011-011）作者简介：史安娜（1964 -），女，辽宁沈阳人，教授，硕士，研究方向为先进数控技术及应用。

数控车床主轴热变形误差检测及改善措施Thermal deformation error detectionand improvement measures for spindle of CNC lathe史安娜1，曹富荣1，刘斯妤1，马晓波2SHI An-na 1, CAO Fu-rong 1, LIU Si-yu 1, MA Xiao-bo 2（1.沈阳理工大学机械工程学院，沈阳 110159；2.沈阳机床(集团)有限责任公司，沈阳 110142）摘要：热变形误差是影响高速高精密数控机床加工精度的主要因素，对机床主轴热变形进行检测与研究显得至关重要。

以CAK3665数控车床主轴为研究对象，运用传热学经典理论对主轴系统的热源分布以及传热方式进行了介绍，并通过FLIR红外热像仪测温技术和激光测距技术对主轴温升与车床热变形进行了测量与研究，测得主轴中速连续运转270min时达到稳定温升，温度对主轴轴向的热伸长误差的影响大于主轴径向的热变形误差。

最后，根据测量结果提出减小主轴热变形的措施。

研究工作为车床主轴的进一步改进设计和热变形补偿提供依据。

关键词：数控车床；热变形；红外热像仪；激光测距中图分类号：TH161+.4;TG659 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2019)01-0001-040 引言随着数控机床高精密加工技术的广泛应用，对数控机床加工表面质量、加工精度方面的要求也日益提高，机床的高速化、精密化成为一个不可阻挡的发展趋势。

在精密加工中，热变形误差在高端数控机床误差中占到[1]，越精密的机床，热误差在机床总误差中所占的比重越大，热误差已成为影响机床加工精度的主要误差来源。

主轴作为高精密数控加工中心机床的最重要零部件之一，其热变形是构成机床总热变形的最重要的影响因素，它的性能好坏对机床加工产品的质量、加工精度的影响很大。

数控机床高速主轴温升与热变形实验研究

数控机床高速主轴温升与热变形实验研究张丽秀;李金鹏;李超群;于文达【摘要】Thermal deformation, caused by temperature rise of motorized spindle, is one of the important reasons that affect the machining accuracy of CNC machine tools. In order to study thermal deformation variations of high speed motorized spindle, this paper built a high-speed spindle temperature rise and thermal deformation test experimental platform, and measured the thermal deformation in X, Y, Z-axis direction and temperature rise in different positions of 150MD24Z7.5 spindle, with spindle error analyzer. The results showed that the spindle axis(Z direction) is the maximum amount of thermal deformation. Under the conditions of 4000r/min, 6000r/min, 8000r/min and 10000r/min, axial thermal deformation of the spindle is respective 73.1,79.3,74.5 and 75.1. And the trend of temperature rise at the front of spindle is consistent with thetrend of axial thermal deformation. The experimental results of this paper provide the accurate data which support for the intelligent prediction and active control of the spindle thermal deformation.%电主轴温升引起的热变形是影响数控机床加工精度的重要原因之一.为了研究高速电主轴热变形变化规律,搭建了高速电主轴温升与热变形测试实验平台,采用主轴动态误差分析仪同时测量150MD24Z7.5型电主轴在X、Y、Z轴方向的热变形量及不同位置的温升变化.结果表明,主轴轴向(Z向)的热变形量最大,在转速为4000r/min、6000r/min、8000r/min、10000r/min条件下,主轴的轴向热变形分别达到73.1、79.3、74.5、75.1;且主轴轴端温升趋势与轴向热变形趋势一致.论文的实验结果,为主轴热变形实现智能预测及主动控制提供了准确的数据支撑.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2018(000)001【总页数】4页(P129-132)【关键词】电主轴;温升;热变形;实验【作者】张丽秀;李金鹏;李超群;于文达【作者单位】沈阳建筑大学机械工程学院,辽宁沈阳 110168;高档石材数控加工装备与技术国家地方联合工程实验室,辽宁沈阳 110168;沈阳建筑大学机械工程学院,辽宁沈阳 110168;高档石材数控加工装备与技术国家地方联合工程实验室,辽宁沈阳 110168;沈阳建筑大学机械工程学院,辽宁沈阳 110168;高档石材数控加工装备与技术国家地方联合工程实验室,辽宁沈阳 110168;沈阳建筑大学机械工程学院,辽宁沈阳 110168;高档石材数控加工装备与技术国家地方联合工程实验室,辽宁沈阳 110168【正文语种】中文【中图分类】TH161 引言作为高速数控机床的核心部件，电主轴的性能极大的影响着机床的加工精度[1]。

数控机床热误差实时补偿应用

数控机床热误差实时补偿应用摘要：在工业生产中，数控机床是最常用的生产设备之一，对提高生产效率和产品质量有着重要的影响。

在数控机床使用过程中，受各种因素影响，会造成精度减低，工件变形。

机床热误差是主要原因。

本文主要对机床热误差实时补偿技术进行阐述，以供参考。

关键词：数控机床；热误差；实时补偿引言随着加工制造业的快速发展,对数控机床的要求越来越高,对主传动也提出需要大功率,大扭矩,高转速的要求。

这必然导致主传动的发热量大大增加,从而产生了因发热而导致的误差即所谓的热变形误差,根据我们的实验,该误差是影响机床加工精度的主要来源,如何减少热变形误差是提高机床加工精度重要途径之一。

1数控机床热误差补偿数控机床出现热误差是无法避免的，因为机床在运行中一定会散发热量，对于零部件的加工精度造成一定的影响。

误差补偿就是控制和降低误差的人工手段。

在加工之前人为设置误差，抵消造成热误差的原始数据，两者尽量在大小数值上保持相等，在方向上相反即可。

造成数控机床热变形最主要的原因是机床内部和外部环境中存在的各种各样热源．这些热源主要分为，机床电机转动及液压元件的能力损耗转化的热量，机床切削过程中产生的切削热，机床内部各运动部件的摩擦生热，周围环境的温度变化和热辐射等．要控制或降低数控机床热变形引起的误差，必须得对各类热源的强度、机床温度场的分布和机床热变形位移进行分析．据此，相关学者分析认为数控机床的热变形机理为:在机床工作过程中热源从各个部位产生了热量，不同程度影响了加工的精度;在给定条件下，有内外热源产生的热量传给机床各个部位，产生温升，使得相应的零部件产生热变形，并且机床在加工过程中刀具与工件之间产生了相对位移，继而使加工精度下降。

2数控机床热误差原因及误差补偿原理2.1热误差原因数控机床发生热变形误差主要存在于主传动中，主传动主要包括主轴箱、立柱、进给构件、工作台等。

根据主传动的结构分析建立X，Y，Z空间坐标体系，可以发现当主轴的转速连续增高时，主轴箱的齿轮和轴承之间就会产生热量，打破机床内部的热平衡，并使主轴延Z轴向下伸长，形成进给误差。

数控机床热误差实时补偿研究

数控机床的加工精度。
关键词：ＲＴＸ；热误差；灰色关联；实时补偿；ＲＢＦ神经网络中图分类号：ＴＨ１６；ＴＧ６５９文献标识码：Ａ文章编号：１００１ — ３９９７（２０１３） ห้องสมุดไป่ตู้ ９ — ００５３ — ０３
ｒｕｎｎｉｎｇｉｎｗｉｎｄｏｗｓｎｏｎ－ｒｅａｌ－ｔｉｅｍｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．ａｎｄｆｅｅｄｂｃｋａｐｕｌｓｅｓｉｍｉｔｔｉａｏｎｆｏｒｔｈｅｒｍｌａｅ丌＿０ｒｃｏｍｐｅｓａｎｔｉｏｎｓｉｒｕｎｎｉｎｇｉｎＲＴＸｒｅａｌ－ｔｉｅｍｅｎｖｉｒｏｎｅｎｍｔ．ａｎｄｈｔｅｎｕｍｂｅｒｆｏｅｑｕｉｖｌｅａｎｔｐｕｓｌｅｓｕｓｅｄｆｏｒｄｔａａｅｘｃｈｎｇａｉｎｇｉｎｔｈｅｓｈａｒｅｄｍｅｍｏｒｙ，ｔｈｅ
ＴｈｅＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＣＮＣＴｈｅｒｍａｌＥｒｒｏｒＲｅａｌＴｉｍｅＣｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ
ＣＨＥＮＳｏｎｇ一．ＷＡＮＧＹｏｎｇ－ｑｉｎｇ ’ （１．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＰｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄＮｏｎ－ＴｒａｄｉｔｉｏｎａｌＭａｃｈｉｎｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＭｉｎｉｓｔｙｒｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ

数控机床热误差的智能补偿方式及应用

数控机床热误差的智能补偿方式及应用木
任小洪周天鹏林健乐英高－徐卫东
动（四川理工学院自动化与电子信息学院，贡６３０） ’ 自４００（四川长征机床集团，贡６３０）白４００
：Ｉｔｌｇｎｏｅｎａｉｎｍｅｈｄｎｓａｐｉａｉｎｏｈｍａｅｌｅｔｍｐｓｔｔｏｓａｄｉｐｌｔｆｅｒｌｎｉｃｏｔｃｏｔ
和机床电气部分组成。加工中心在向和ｙ向使用双驱结构，机床向（左右）滑座运动置于墙体上，ｙ向（上下）主轴箱在滑板上
运动。为了分析机床的温度引起的加工误差，ＨＭＣ０Ａ立式在Ｓ０
加工中心的Ｙ轴安装了８个温度传感器：分别测量左右电机座
温度、左右轴承座温度、左右光栅温度、工作台温度、环境温度。
（电机座温度）、和机床的坐标，隐含层有九个神经元，左、输
左光栅尺温度由（５ —０）变化，工作台温度由（４－６）２．３．。５４砰一２．２．。５５变化，为环境温度由（４－０１。２．３．）９变化。
出层有一个神经元对应机床因热变形产生的误差。神经网络机床
；ｔａａｅｔｈａｈｎｎｐｅｉｏ，ｓｅｔｌ０ａｈｎｏｔｒｄｃｅｍｅｒａｉｐｒＩｈｃｔｅｍｉｉｇｒｃｓｎＳｉｉｅｓｎｉ＿ｒｃｉｅｔｌｏｅｕｅｈｒａｄｏｍｏｅｒ．ｎｔｆｃｉＯｔｓａ厂ｍｏｔｌｆｔｎｏ》ｔｅｓｄｒｅａｅｅｔａｃｈｎｎｅｔｈｔｙｏｔｅｘｓｖｒｃｌｕｆｈｉｍａｉｉｇｃｎｒＨＭＣ０Ａ，ｅｍｔｏｆｒｍａｕｉｅｍａｅｒｒａｅＳ０ｔｅｈｄｏｓｒｇｔｒｌｒｓｈｅｎｈｏｗ

高速数控机床电主轴热误差机理分析与建模研究

高速数控机床电主轴热误差机理分析与建模研究一、本文概述Overview of this article随着制造业的快速发展，高速数控机床在精密加工领域的应用越来越广泛。

然而，高速数控机床在高速运转过程中，电主轴会产生大量热量，导致热误差问题，严重影响加工精度和效率。

因此，研究高速数控机床电主轴的热误差机理及建模方法，对于提高机床加工精度和稳定性具有重要的理论和实际意义。

With the rapid development of the manufacturing industry, the application of high-speed CNC machine tools in the field of precision machining is becoming increasingly widespread. However, during high-speed operation of CNC machine tools, the electric spindle generates a large amount of heat, leading to thermal error problems and seriously affecting machining accuracy and efficiency. Therefore, studying the thermal error mechanism and modeling method of high-speed CNC machine tool electric spindle has important theoretical and practical significance for improving the machining accuracy andstability of machine tools.本文首先概述了高速数控机床电主轴热误差问题的背景和研究意义，然后介绍了国内外在该领域的研究现状和发展趋势。

数控机床的热稳定性与热误差补偿技术

数控机床的热稳定性与热误差补偿技术随着工业自动化的发展，数控机床在制造业中扮演着重要的角色。

然而，数控机床的热稳定性和热误差一直是制约其精度和稳定性的重要因素。

本文将探讨数控机床的热稳定性问题以及热误差补偿技术的应用。

首先，数控机床的热稳定性是指机床在工作过程中受到热变形和热膨胀等因素的影响，导致工件加工精度下降。

这是因为数控机床在加工过程中会产生大量的热量，而机床的各个部件又具有不同的热膨胀系数。

当机床受热后，不同部件的热膨胀程度不同，从而导致机床的几何形状发生变化，进而影响工件的加工精度。

为了解决数控机床的热稳定性问题，热误差补偿技术应运而生。

热误差补偿技术是通过测量机床在工作过程中的温度分布，然后根据测量结果对机床进行热误差补偿，以提高机床的加工精度和稳定性。

热误差补偿技术主要包括温度传感器的选择和安装、温度测量与分析、热误差模型的建立和热误差补偿算法的设计等方面。

在选择和安装温度传感器时，需要考虑传感器的精度、响应速度、稳定性等因素。

常用的温度传感器有热电偶和热敏电阻等。

热电偶具有响应速度快、测量范围广等优点，但其精度受到环境温度和电磁干扰的影响较大；而热敏电阻则具有精度高、稳定性好等优点，但其响应速度相对较慢。

因此，在选择温度传感器时需要根据具体的应用场景进行综合考虑。

温度测量与分析是热误差补偿技术的重要环节。

通过合理的温度测量与分析，可以获取机床在工作过程中的温度分布情况，为后续的热误差补偿提供准确的数据支持。

在温度测量方面，可以采用红外测温仪、热像仪等非接触式测温设备，以避免对机床结构的影响。

在温度分析方面，可以借助计算机仿真软件对机床的温度分布进行模拟和分析，以揭示机床的热稳定性问题。

热误差模型的建立是热误差补偿技术的核心内容。

热误差模型是通过对机床的温度分布数据进行处理和分析，建立机床的热变形和热膨胀等热误差的数学模型。

热误差模型的建立需要考虑机床的结构特点、材料特性以及温度变化等因素。

数控车削中心热误差的优化模型及在线补偿

数控车削中心热误差的优化模型及在线补偿吴昊，张洪涛，郭迁建，王修山，杨建国，上海交通大学机械工程学院摘要热误差是影响精加工中工件误差的最大因素。

误差补偿技术可以有效的减少热误差的产生。

误差补偿的关键在于准确的误差模型。

机床的热误差可以看作是一系列热物差的叠加。

在本文中，基于热误差模型的分析选取了五个关键的温度测量点。

在这五个温度测量点基础上提出的热误差模型采用了遗传算法反向传播神经网络(GA-BPN)。

GA-BPN理论提高了预测数控车削中心加工中热变形的准确度并降低了其计算成本。

在提出了以上模型的基础之上，我们又开发了热误差在线补偿系统。

并且通过实验去验证此补偿系统的正确性。

实验的结果表明在完成误差补偿之后工件直径的物差减少了大约27-10μm。

关键词：热误差，优化模型，遗传算法，人工神经网络，NC机床工具数控车削中心热误差的优化模型及在线补偿 11 引言机床的系统误差是工件产生误差的重要原因。

热误差在众多的机床误差来源中为最突出的部分，精加工中工件误差的多达70%都是由其引起的（Weck et al., 1995）。

研究人员发现了许多的方法去减少热误差，包括：对称性的设计结构，将热源和机床主体分离，安装冷却装置等等。

然而，上面提到的方法所涉及的制造成本通常很高。

而且，在加工中存在着许多无法单纯靠设计技术便克服的物理方面上的限制。

结果便是在最近几年，误差补偿技术由于其较高的性价比，在用来提高机器精度方面受到了很高程度的重视。

误差补偿的关键在于建立一个正确的误差补偿模型。

机床的热误差源自于机床结构中不均匀的温度所引起的非线性且随时间变化的热变形。

温度的变化受到热源的位置，热源的强度和热阻力系数以及机床的系统配置影响。

因此，热误差模型通常是在下面的模型下获得的：一种与机床温度测量装置的热误差相关的非线性的经验性的模型。

在最近几年，机床的温度分布已经能通过一些经验模型成功近似的得到，这些模型包括: 多元回归分析技术(阳等侵入,人工神经网络的类型灰色系统理论,遗传算法,刚体运动学,或几个不同建模方法的联合。

数控机床热误差测点优化模型预测与实时补偿的研究

第６期
２０１３年６月
组合机床与自动化加工技术
ＭｏｄｕｌａｒＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆ＡｕｔｏｍａｔｉｃＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅ
ＮＯ．６
Ｊｎｎ．２０１３
ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＤａｌｉａｎＬｉａｏｎｉｎｇ，１１６０２４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｅｎｔｅｒ，Ｕｎｉｖｅｒ —
中图分类号：ＴＰ３９３．１
文献标识码：Ａ
ＳｔｕｄｙｏｎＣＮＣＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌＴｈｅｒｍａｌＥｒｒｏｒＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＰｏｉｎｔ
ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＭｏｄｅｌＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎａｎｄＲｅａｌ－ｔｉｍｅＣｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ
ｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＬｉａｏｎｉｎｇ，ＡｎｓｈａｎＬｉａｏｎｉｎｇ１１４０５１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｔｈｅｒｍａｌｅｒｒｏｒｇｅｎｅｒａｔｅｄｂｙｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｅｆｌｄｓｅｒｉｏｕｓｌｙａｆｆｅｃｔｍａｃｈｉｎｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｗｏｒｋｐｉｅｃｅｉｎｔｈｅＣＮＣｍａｃｈｉｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，Ｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｄｅｔｅｃｔａｎｄｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｅｒｒｏｒ．Ｇｒａｙｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｉｌｆｔｅｒｏｕｔｔｈｅｃｒｉｔｉｃａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｐｏｉｎｔｓａｓｐａｒａｍｅｔ — ｒｉｃｆｏｒｔｈｅｒｍａｌｅｒｒｏｒｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌ，Ｍｕｌｔｉｐｌｅｌｉｎｅａｒｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌａｃｃｕｒａｔｅｌｙａｎｄｅｆｆｉ —

数控机床热变形实时补偿

数控机床热变形实时补偿制造技术的发展对的精度和可靠性提出了越来越高的要求。

大量研究表明：在精密加工中,由机床热变形所引起的制造误差占总误差的40%～70%[1]。

减少机床热误差通常有以下3种方法: 改进机床的结构设计；控制机床重要部件的温升，如进行有效的冷却和散热；建立温度变量与热变形之间的数学模型，用软件预报误差，用NC进行补偿，以减少或消除由热变形引起的机床位移[2]。

热变形误差补偿技术一般采用事后补偿，通过各种检测手段对数控加工时产生的误差进行直接或间接的测量，然后根据已经建立的误差补偿模型进行误差补偿计算[3]，将计算结果反馈给数控系统，使控制器发出相应的控制误差补偿指令以补偿相应的热误差。

本课题以GMC4000H/2y轴为研究对象，首先通过实验建立热误差与机体上若干点的温升之间的数学模型，在加工过程中借助外部设备监控温度，根据所建数学模型计算热误差，利用PLC补偿模块功能以及机床运动的可控性，修改机床运动进给量，从而实现实时补偿。

测量试验1 热误差的测量热误差是影响机床精度最主要的因素之一，机床热误差是由机床工作时复杂的温度场造成机床各部件变形引起的，它是随时间变化的非恒定误差。

热误差补偿的研究始于20世纪50年代，但其总体发展是不能令人满意的，究其原因，在于误差辨识即热误差建模。

要提高精度，必须解决“如何选择最佳的温度测点和如何建立鲁棒性强的热误差模型”的问题，两者相辅相成，缺一不可[4]。

1.1 试验设备及仪器试验样机为GMC4000H/2；8个温度传感器、1台双频干涉仪、若干电缆线等。

1.2 温度测点的选择数控机床的热误差大小取决于温度的变化、各零部件的热膨胀系数和机床的总体结构，从根本上说取决于温度变化。

温度变化越大，热变形越剧烈，从而也可能产生大的热误差。

欲研究热误差的产生和变化规律，进而减小、消除和控制热误差，必须从温度变化入手。

在机床运行时，由于各种材料的膨胀系数不同, 各部分在径向和轴向产生的热变形也不尽相同[5], 最容易受到热变形影响的机床部件是主轴和滚珠丝杠等，因此在本试验中将表1中8处最容易受到热变形影响的关键部件作为温度测量点。