机床热补偿(DOC)

关于机床热补偿的相关论述

机床热补偿的原因和意义

随着数控机床整机及零部件设计、制造、装配和材料等相关技术的不断进步，几何误差、刀具磨损、伺服等误差在数控机床整体误差中所占的比例逐渐减小。当前热误差是数控机床最大的误差源占机床总误差的40%-70%。要提高加工精度就必须对机床热误差进行有效的补偿在实施补偿热误差前通常先要进行大量的试验研究以获得足够多的温度及热误差数据然后利用各种建模方法如多变量回归分析及神经网络等建立能够准确反应温度变化与热误差间关系的热误差数学模型.

机床热补偿的发展

虽然人们自20世纪40年代就已开始对机床热特性进行研究，但是由于传统机床在精度

和速度上没有现代制造要求的这么高，热问题不严重，且由于机床及其部件类型和负载的多样性、结构的复杂性以及机床温度场和热变形受多种因素的影响，故其研究一般都是针对具体机床，采用实验研究法或数值模拟法，分析机床的各种热源及其对机床温度场的影响，在机床热设计方面就形成了“头疼医头、脚疼医脚”的现象，没有形成系统的理论、方法和分析工具，这显然与当前机床高速高精度发展的要求不相适应。

粗糙集理论是上世纪八十年代初山波兰数学家Pawlak首先提出的一种用于数据分析的数学理论!其主要思想是利用己知的知识或信息来近似不精确的概念或现象自上世纪九十年代以来粗糙集在理论上不断完善在应用上广泛扩展己逐渐成为国际学术界的研究热点之一目前粗糙集理论作为一种新的处理不确定性知识的数学工具"由于其独特的计算优势而得到了较为广泛的应用.

目前最常用的是在数控系统中根据热变形进行热误差补偿。误差补偿的基本定义是人为地造

出一种新的误差去抵消或大大减弱当前成为问题的原始误差，通过分析"统计"归纳及掌握原始误差的特点和规律，建立误差数学模型，尽量使人为造成的误差和原始误差两者的数值相等"方向相反，从而减少加工误差，提高零件尺寸精度!最早的误差补偿是通过硬件实现的!硬件补偿属机械式固定补偿，在机床误差发生变化时要改变补偿量必须重新制作零部件"校正尺或重新调整补偿机构!硬件补偿又有不能解决随机性误差"缺乏柔性的缺点!软件补偿克服了硬件补偿的许多困难和缺点，把补偿技术推向了一个新的阶段!热误差补偿法在一定范围内可提高加工精度，有助于降低设计制造成本。但是，它是一种被动的和事后补偿的法，其补偿围和有效性具有一定的限制。当一个机床的热特性比较差的时候，仅靠事后的热补偿是无法满足加工精度要求的。要提高机床的精度和热性能，必须在设计阶段，从提高机床的热特性、热刚度入手，实现机床的主动热控，从根本上提高机床的热导性。

热量来源

机床热误差主要由马达"轴承"传动件"液压系统"环境温度"冷却液等机床内外热源引起的机床部件热变形而造成的!从原理上可以分为如下几方面

（1）焦尔热激励线圈和偏置线圈在工作时不可避免地要产生焦尔热：

（2）铁损耗交流磁路中存在铁芯损耗，铁芯损耗又分为磁损耗和涡流损耗，这里主要考虑涡流损耗。

（3）摩擦损耗在运动过程中与骨架内壁发生摩擦而产生热量，这部分所占比例较小。（4）切削热

机床热补偿的相关理论、方法及其优缺点

在机床热误差补偿技术研究中，如何获得具有良好精确性和鲁棒性的补偿模型是机床热误差补偿研究主要方向。具体理论方法如下：

粗糙理论其优点是具有很强的定性分析能力即不需要预先给定某些特征或属性的描述如统计学中的概率分布模糊集理论中的隶属度或隶属函数而直接从给定问题的描述集合出发通过不可分辨关系和不可分辨类确定给定问题的近似域从而找出问题的内在规律.

增量式约简算法和非增量式约简算法[1]用以计算得到机床热补偿误差系统的温度测点优化结果.

用非增量式属性约简算法当加入新对象时要重新按照步骤计算一遍而用增量式属性约简算法只需按照步骤做出相应的判断即可得到结果即使计算其计算量也是比较小的相比之下增

量式算法的计算量要远远小于非增量式属性约简算法的计算量.但该算法要求新加入的对象与原来的决策表形成的新决策表是协调的.

基于热误差神经网络预测模型的机床重点热刚度辨识方法热刚度概念的提出统一了传统力学的刚度概念，对于形成统一设计理念与方法具有重要的指导意义。依据热刚度理念，机床结构热平衡设计的主要内容是以结构尺寸为设计变量，以弯曲、扭转等热变形的位移量为目标函数，以提高部件和机床整体的热刚度为目标进行优化设计。

热亲和是指与热友好共处的构思。热亲和”的构思是在尽量减少热量产生的同时

接受热，合理利用热。虽然预测复杂的热变形很困难，但是通过“热变形单纯化”与“温度分布均匀化”的机床构造，进行可预测的规则热位移，并正确地进行热结构平衡补偿控制。热对称对基础件的热对称设计（结构对称设计和热源分布对称设计）是减小有害热变形的有效措施。增加局部厚度，改变筋板布置形式可在减轻床身重量的同时改善床身的结构变形。合理选择立柱结构尺寸参数可提高其热刚度。

热容量平衡设计它是根据机床各部件热容量的不同，对局部热容量大的部件采取一定的措施来控制和减少其温升，使它与热容量较小的部位不致产生较大的温差，尽量达到它们之间的热平衡，从而使机床整体的热变形减少。合理地设计机床散热板有利于平衡部件之间的温度场。

反变形技术，用反变形来抵消热变形的不良影响是一种简单易行的有效方法。

改善材料变形特性如使用花岗岩、陶瓷、混凝土、玻璃钢等新材料也可以减少热变形。

回归分析方法得到了机床温升与时间的方程，用此方程可近似求出机床部件最大温度、机床温升和热平衡时间等机床热态特性评价指标参数。

将实验方法与有限元分析方法相结合，可有效提高数控机床热特性分析精度。如有学者

应用响应面法构造电主轴系统的对流换热系数与测点温度之间的隐性关系，以实验测得的温度与测点温度计算值的误差作为寻优函数，最终优化各对流换热系数。经修正后的边界条件能使得到的温度场结果误差大大减小，与实验相结合的机床有限元仿真能使所建立的模型更加精确。

热网络法是一种基于热电比拟原理的集中参数数值分析方法，又称热阻热容法。相对于有限元法，热网络分析法的优点是物理意义清晰，划分的节点能够反映物理模型。机床热补偿温度变化与热补偿关系的数学建模方法的本质，并能根据物理模型节点温度的变化率确定其温度变化趋势，其网格划分简单，易被工程技术人员掌握。采用热网络计算复杂大系统的传热问题，具有简单可行、边界条件易于处理等优点。尤其是对于包含润滑冷却液、油气混合物、固体结构件等多相传热介质的复杂系统热分析以及薄壁介质问题的处理而言，热网络法要优于有限元法。运用热网络法可以方便、快捷地实现机床系统的热设计，量化分析改变材料类型、结构尺寸和接触状况对机床温度场的影响。采用热网络法对机床热关键部件，如轴系统、立柱、轴承等展开热特性研究是机床热特性分析的又一个重要手段。

建模方法如多变量回归分析及神经网络.

最小二乘相关

1）多元线性回归模型（MRA）；

2）最小二乘支持向量机（LS．SVM）；

3）动态自适应加权最小二乘支持矢量机（WLS．SVM）；

4）在线最小二乘支持向量机（0LS．SVM）；

5）偏最小二乘回归!

神经网络的训练建模（ANN）

1）BP 神经网络；