CN101804581A - 一种机床热变形自动补偿的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机床热变形自动补偿的实现方法其包括如下步骤：1)建立机床三维CAD模型；2)实测机床温度场；3)建立机床热特性有限元模型；4)计算、修正有限元温度场模型；5)实测机床热变形量；6)确定温度传感器个数和位置；7)计算、修正机床有限元热变形模型；8)机床热补偿有限元虚拟分析；本方法一方面，对机床的有限元温度场和热变形模型进行修正，使所建机床有限元模型能够较真实地反映机床热变形的实际情况，从而补偿精度高，稳定性好；另一方面，本方法对机床的多次热补偿试验过程都由计算机虚拟分析完成，缩短了开发周期，减少了开发费用。

Description

一种机床热变形自动补偿的实现方法

技术领域

本发明涉及机床制造相关技术领域，确切地说涉及一种机床热变形自动补偿的实现方法。

背景技术

随着机床制造技术向高速、高精的方向发展，热变形自动补偿技术作为提高数控机床动态精度和稳定性的重要手段，得到了越来越多的的应用，实现方法也呈现出多样化。由于温度自动检测和加热(或冷却)补偿的方法具有显著的效果和经济性，因此在机床上是应用得较普遍的一种热补偿方法。

该方法是在机床的某些导致其产生热变形的敏感位置上，设置温度传感器，在另一些相关位置上设置加热元件(或对发热部件采取冷却措施)，由热补偿控制装置自动完成机床的热变形补偿工作。当机床在使用时，该补偿控制装置通过温度传感器自动检测温度，经处理后，由控制装置发出控制信号，控制加热(或冷却)元件对机床相应部位加热(或冷却)，使机床处于一个相对稳定的热平衡状态，从而达到提高机床工作(动态)精度的目的。采用上述方法完成对机床的热变形补偿，实施起来比较困难的是如何合理地确定机床上的温度检测点、补偿点和补偿方式(加热、散热或强制冷却)。

比较传统的实施方法是：首先通过机床热变形试验，得到机床热变形随温升变化的特性曲线，并通过分析特性曲线，或复杂的相关性计算，找出3～5个温度敏感点。然后根据温度敏感点分析、计算，得到机床的热变形数学模型。最后根据模型确定补偿方案，研制热补偿控制装置，进行实际效果验证。由于机床热变形产生机理的复杂性，上述过程一般需要反复进行多次才能完成。因此，用传统方法完成对机床热变形自动补偿功能的开发，周期长，效率低，已不能适应现代机床制造发展的需要。

申请公开号为CN1868666A，申请公开日为2006年11月29日的中国专利文献公开了一种数控机床主传动***的热变形补偿方法，包括以下步骤：A)确定数控机床主传动***的数个关键发热源；B)采集数个关键发热源处的温度变量和与其对应的、机床主轴在至少一个正交方向上的热变形量；C)对所采集的温度变量和热变形量进行处理，得到关键发热源处温度变化与机床主轴热变形之间的数学模型，并输入机床的数控***；D)采集数个关键发热源处的温度值并输入机床的数控***；E)数控***根据输入的各温度值算出机床主轴的热变形量，并驱动传动部件对主传动***产生的热变形进行实时补偿。该方法所使用的附属部件少、能进行动态的实时补偿，具有补偿后精度高、稳定性好和经济适用的优点。

但是上述方法，一方面，对得到的数学模型没有进行多次修正，不能真实地反映机床热变形的实际情况，从而热补偿的精度低，稳定性不好；另外，该方法的开发周期长，效率低，不能适应现代机床制造发展的需要。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种机床热变形自动补偿的实现方法。本方法一方面，利用实测的机床温度场和热变形数据，对机床的有限元温度场和热变形模型进行修正，使所建机床有限元模型能够较真实地反映机床热变形的实际情况，从而补偿精度高，稳定性好；另一方面，本方法对机床的多次热补偿试验过程都由计算机虚拟分析完成，缩短了开发周期，减少了开发费用。

本发明是通过采用下述技术方案实现的：

一种机床热变形自动补偿的实现方法其特征在于包括如下步骤：

1)建立机床三维CAD模型；

2)实测机床温度场；

3)建立机床热特性有限元模型；

4)计算、修正有限元温度场模型；

5)实测机床热变形量；

6)确定温度传感器个数和位置；

7)计算、修正机床有限元热变形模型；

8)机床热补偿有限元虚拟分析；

9)研制热补偿控制装置，验证实际效果，实现机床的热变形自动补偿。

所述建立机床三维CAD模型，是根据机床零件设计图，利用Solidedge等三维设计软件，建立机床各部件的三维CAD零件模型，并装配成机床部件的整体CAD模型，然后再将各部件的整体CAD模型，装配成机床的整体CAD模型。

所述实测机床温度场，是利用热成像仪在机床达到正常工作时的热稳态时，在机床的正面、左侧面、右侧面和后面等多个方向，测试机床底座、床身、立柱、主轴箱、主轴等各部件的温度场分布图，并以JPG(或其他)图形文件格式保存。

所述建立机床热特性有限元模型，是通过Solidedge等三维建模软件与ANSYS等有限元分析软件的接口，将经过必要简化后的机床三维CAD零部件几何模型，传到有限元分析软件中，并转化为CAE零部件数字模型，划分网格，然后将材料属性赋到网格单元上，得到机床的热特性有限元模型。

所述计算、修正机床有限元温度场模型，首先是根据机床结构和热源，确定热量传递方式和边界条件，分析、计算换热系数；然后利用ANSYS等分析软件，对热特性有限元模型添加载荷和边界条件后，计算出机床的温度场分布，得到有限元温度场模型，并按照实测温度场进行修正；修正方法是根据实际测得的机床温度场分布图，利用ANSYS分析手段，对边界条件即换热系数进行修正，然后重新计算(理论)温度场模型，直到二者(即：理论温度场和实测温度场)基本一致。

所述实测机床热变形量，首先是通过对机床(包括床身、立柱、工作台、主轴箱、主轴等)在正常工作时的温度场分布及温升变化情况进行分析，并在各个温度变化较大的部位设置温度测量点；在设置测温点时，对明显没有实际意义的测试点不予考虑；然后在机床主轴上夹持测试芯棒，用5个高精度非接触式位移传感器(测量仪)分X向2个、Y向2个、Z向1个，测量机床在工作中主轴轴心相对工作台的热偏移量；测量从机床冷态开始，每间隔10～30分钟测量一次数据，直到机床主轴热变形稳定为止。

所述确定温度传感器个数和位置，是从机床的热源入手，并在实测机床热变形数据的基础上，分析各温度测点的温度变化曲线，剔除提供重复信息和处于不敏感位置的温度传感器，最终确定出若干个(一般为3～5个)反映机床热变形的温度传感器和位置。

所述计算、修正机床有限元热变形模型，是根据修正后的机床有限元温度场，利用ANSYS等分析软件分析计算机床主轴相对工作台的热偏移量，并根据实测得到的机床主轴相对工作台的热变形数据，对机床有限元模型参数进行修正，使其计算得到的机床主轴相对工作台的热变形与实际测得的热变形基本一致。

所述机床热补偿虚拟分析，是根据结构的热对称、热平衡原理，在经过修正后的机床有限元模型的基础上，从减小和平衡机床温度场的角度进行分析，采用虚拟方式对模型进行局部加热、局部冷却、增加散热筋板等多种方法的试验，尽量使其温度场相对主轴对称，减小机床的温度变化梯度，直到使机床主轴相对工作台的热变形达到最小化为止。

所述研制热补偿控制装置，验证实际效果，是根据上述机床热补偿虚拟分析得到的方法，研制热补偿控制装置，然后进行实际效果验证，实现对机床的热变形自动补偿；

所述热补偿控制装置包括加热装置和冷却装置两个部分，加热装置部分包括：检测机床温度的温度传感器、与温度传感器连接并接收温度传感器传回来的温度信号，以及发出控制信号控制加热元件对机床相应部位进行加热的热补偿控制板，和与热补偿控制板连接，并接收所述控制信号对机床相应部分进行加热的发热元件如：电热管等；

冷却装置部分包括：对机床进行冷却的冷却元件如：风机、油冷管以及与油冷管相连的自动控温型油冷机等。

所述热补偿控制装置包含的两个部分，根据实际需要同时或单独设置。

本发明的有益效果表现在：

由于本发明采用1)至9)个步骤形成的技术方案，与现有技术相比，一方面，本方法对机床的有限元温度场和热变形模型进行了修正，使所建机床有限元模型能够较真实地反映机床主轴相对工作台热变形的实际情况，从而补偿精度高，稳定性好，为应用有限元分析技术对机床热变形进行虚拟补偿研究打下了良好基础；另一方面，由于本方法利用计算机对机床热补偿进行虚拟分析试验，与传统的热补偿实现方法相比，由于将在机床上反复进行的热补偿试验的过程，由计算机虚拟分析来完成，因此，可有效地缩短机床热补偿功能的开发周期，减少了开发费用。

需要特别指出的是，由于本方法采用4)计算、修正有限元温度场模型；和7)计算、修正机床有限元热变形模型；与公开号为CN1868666A专利文献所代表的现有技术相比，能使所建机床有限元模型能够更加真实地反映机床热变形的实际情况，从而使热补偿的精度更高，稳定性更好；另外，由于本方法采用8)机床热补偿有限元虚拟分析；与公开号为CN1868666A专利文献所代表的现有技术相比，将在机床上反复进行的热补偿试验的过程，由计算机虚拟分析来完成，因此，可进一步地缩短机床热补偿功能的开发周期，减少开发费用。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1为本发明的工作流程图

图2为本发明的热补偿控制装置的结构示意图

具体实施方式

实施例1

一种机床热变形自动补偿的实现方法，采用了基于热成像仪、高精度位置测量仪、温度测量仪和有限元分析技术相结合的先进技术方案。其实施过程分为：建立机床的有限元模型；机床实际温度场和热变形检测；机床温度场和热变形的有限元模型修正；机床热补偿有限元虚拟分析；研制热补偿控制装置及实际效果验证等5个阶段。其包括下述步骤：

1)建立机床三维CAD模型；

2)实测机床温度场；

3)建立机床热特性有限元模型；

4)计算、修正有限元温度场模型；

5)实测机床热变形量；

6)确定温度传感器个数和位置；

7)计算、修正机床有限元热变形模型；

8)机床热补偿有限元虚拟分析；

9)研制热补偿控制装置，验证实际效果，实现机床的热变形自动补偿。

实施例2

在实施例1的基础上，其中所说的建立机床三维CAD模型，是根据机床零件设计图，利用Solidedge等三维设计软件，建立机床各部件的三维CAD零件模型，并装配成机床部件的整体CAD模型，然后再将各部件的整体CAD模型，装配成机床的整体CAD模型。实测机床温度场，是利用热成像仪在机床达到正常工作时的热稳态时，在机床的正面、左侧面、右侧面和后面等多个方向，测试机床底座、床身、立柱、主轴箱、主轴等各部件的温度场分布图，并以JPG(或其他)图形文件格式保存。建立机床热特性有限元模型，是通过Solidedge等三维建模软件与ANSYS等有限元分析软件的接口，将经过必要简化后的机床三维CAD零部件几何模型，传到有限元分析软件中，并转化为CAE零部件数字模型，划分网格，然后将材料属性赋到网格单元上，得到机床的热特性有限元模型。计算、修正机床有限元温度场模型，首先是根据机床结构和热源，确定热量传递方式和边界条件，分析、计算换热系数；然后利用ANSYS等分析软件，对热特性有限元模型添加载荷和边界条件后，计算出机床的温度场分布，得到有限元温度场模型，并按照实测温度场进行修正；修正方法是根据热成像仪实际测得的机床温度场分布图，利用ANSYS分析手段，对边界条件即换热系数进行修正，然后重新计算(理论)温度场模型，直到二者(即：理论温度场和实测温度场)基本一致。所述实测机床热变形量，首先是通过对机床(包括床身、立柱、工作台、主轴箱、主轴等)在正常工作时的温度场分布及温升变化情况进行分析，并在各个温度变化较大的部位设置温度测量点；在设置测温点时，对明显没有实际意义的测试点不予考虑；然后在机床主轴上夹持测试芯棒，用5个高精度非接触式位移传感器(测量仪)分X向2个、Y向2个、Z向1个，测量机床在工作中主轴轴心相对工作台的热偏移量；测量从机床冷态开始，每间隔10～30分钟测量一次数据，直到主轴热变形稳定为止。所述确定温度传感器个数和位置，是从机床的热源入手，并在实测机床热变形数据的基础上，分析各温度测点的温度变化曲线，剔除提供重复信息和处于不敏感位置的温度传感器，最终确定出若干个(一般为3～5个)反映机床热变形的温度传感器和位置。计算、修正机床有限元热变形模型，是根据修正后的机床有限元温度场，利用ANSYS等分析软件分析计算机床的热变形，并根据实测得到的机床热变形数据，对机床有限元模型参数进行修正，使其计算得到的机床热变形与实际测得的热变形基本一致。机床热补偿虚拟分析，是根据结构的热对称、热平衡原理，在经过修正后的机床有限元模型的基础上，从减小和平衡机床温度场的角度进行分析，采用虚拟方式对模型进行局部加热、局部冷却、增加散热筋板等多种方法的试验，尽量使其温度场相对主轴对称，减小机床的温度变化梯度，直到使机床的热变形达到最小化为止。研制热补偿控制装置，验证实际效果，是根据上述机床热补偿虚拟分析得到的方法，研制热补偿控制装置，然后进行实际效果验证，实现对机床的热变形自动补偿；热补偿控制装置包括加热装置和冷却装置两个部分，加热装置部分包括：检测机床温度的温度传感器、与温度传感器连接并接收温度传感器传回来的温度信号，以及发出控制信号控制加热元件对机床相应部位进行加热的热补偿控制板，和与热补偿控制板连接，并接收所述控制信号对机床相应部分进行加热的发热元件如：电热管等；冷却装置部分包括：对机床进行冷却的冷却元件如：风机、油冷管以及与油冷管相连的自动控温型油冷机等。热补偿控制装置包含的两个部分，根据实际需要同时或单独设置。

本发明不限于上述实施例，在本发明的构思范围内，本领域的普通技术人员还可对上述实施例做一些显而易见的改变，但这些改变均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机床热变形自动补偿的实现方法其特征在于包括如下步骤：

1)建立机床三维CAD模型；

2)实测机床温度场；

3)建立机床热特性有限元模型；

4)计算、修正有限元温度场模型；

5)实测机床热变形量；

6)确定温度传感器个数和位置；

7)计算、修正机床有限元热变形模型；

8)机床热补偿有限元虚拟分析；

9)研制热补偿控制装置，验证实际效果，实现机床的热变形自动补偿。

2.根据权利要求1所述的一种机床热变形自动补偿的实现方法，其特征在于：所述建立机床三维CAD模型，是根据机床零件设计图，利用Solidedge三维设计软件，建立机床各部件的三维CAD零件模型，并装配成机床部件的整体CAD模型，然后再将各部件的整体CAD模型，装配成机床的整体CAD模型。

3.根据权利要求2所述的一种机床热变形自动补偿的实现方法，其特征在于：所述实测机床温度场，是利用热成像仪在机床达到正常工作时的热稳态时，在机床的正面、左侧面、右侧面和后面多个方向，测试机床底座、床身、立柱、主轴箱、主轴各部件的温度场分布图，并保存。

4.根据权利要求3所述的一种机床热变形自动补偿的实现方法，其特征在于：所述建立机床热特性有限元模型，是通过Solidedge三维建模软件与ANSYS有限元分析软件的接口，将机床三维CAD零部件几何模型，传到有限元分析软件中，并转化为CAE零部件数字模型，划分网格，然后将材料属性赋到网格单元上，得到机床的热特性有限元模型。

5.根据权利要求4所述的一种机床热变形自动补偿的实现方法，其特征在于：所述计算、修正机床有限元温度场模型，首先是根据机床结构和热源，确定热量传递方式和边界条件，分析、计算换热系数；然后利用ANSYS分析软件，对热特性有限元模型添加载荷和边界条件后，计算出机床的温度场分布，得到有限元温度场模型，并按照实测温度场进行修正；修正方法是根据实际测得的机床温度场分布图，利用ANSYS分析手段，对边界条件即换热系数进行修正，然后重新计算理论温度场模型，直到理论温度场和实测温度场基本一致。

6.根据权利要求5所述的一种机床热变形自动补偿的实现方法，其特征在于：所述实测机床热变形量，首先是通过对机床在正常工作时的温度场分布及温升变化情况进行分析，并在各个温度变化较大的部位设置温度测量点；在设置测温点时，对明显没有实际意义的测试点不予考虑；然后在机床主轴上夹持测试芯棒，用5个高精度非接触式位移传感器分X向2个、Y向2个、Z向1个，测量机床在工作中主轴轴心相对工作台的热偏移量；测量从机床冷态开始，每间隔10～30分钟测量一次数据，直到主轴热变形稳定为止。

7.根据权利要求6所述的一种机床热变形自动补偿的实现方法，其特征在于：所述确定温度传感器个数和位置，是从机床的热源入手，并在实测机床热变形数据的基础上，分析各温度测点的温度变化曲线，剔除提供重复信息和处于不敏感位置的温度传感器，最终确定出若干个反映机床热变形的温度传感器和位置。

8.根据权利要求7所述的一种机床热变形自动补偿的实现方法，其特征在于：所述计算、修正机床有限元热变形模型，是根据修正后的机床有限元温度场，利用ANSYS分析软件分析计算机床的热变形，并根据实测得到的机床热变形数据，对机床有限元模型参数进行修正，使其计算得到的机床热变形与实际测得的热变形基本一致。

9.根据权利要求8所述的一种机床热变形自动补偿的实现方法，其特征在于：所述机床热补偿虚拟分析，是根据结构的热对称、热平衡原理，在经过修正后的机床有限元模型的基础上，从减小和平衡机床温度场的角度进行分析，采用虚拟方式对模型进行局部加热、局部冷却、增加散热筋板多种方法的试验，尽量使其温度场相对主轴对称，减小机床的温度变化梯度，直到使机床的热变形达到最小化为止。

10.根据权利要求9所述的一种机床热变形自动补偿的实现方法，其特征在于：所述研制热补偿控制装置，验证实际效果，是根据步骤8)中机床热补偿虚拟分析得到的方法，研制热补偿控制装置，然后进行实际效果验证，实现对机床的热变形自动补偿；

所述热补偿控制装置包括加热装置和冷却装置两个部分，加热装置部分包括：检测机床温度的温度传感器、与温度传感器连接并接收温度传感器传回来的温度信号，以及发出控制信号控制加热元件对机床相应部位进行加热的热补偿控制板，和与热补偿控制板连接，并接收所述控制信号对机床相应部分进行加热的发热元件；

冷却装置部分包括：对机床进行冷却的冷却元件和冷却元件连接的自动控温型油冷机；

热补偿控制装置包含的两个部分，根据实际需要同时或单独设置。

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