关于机床热关键点的辨识问题的研究现状分析

机床热误差产生原因分析及常用补偿办法一、引言在数控机床加工中，机床的稳定性和精度是直接影响加工质量的重要因素。

而机床的热误差是影响机床加工精度的主要因素之一。

本文将分析机床热误差产生的原因，并探讨常用的补偿办法，旨在帮助读者理解和解决机床热误差问题。

二、机床热误差产生原因分析（一）热误差的基本原理机床在加工过程中会受到各种外部环境因素的影响，以及自身零部件因摩擦、压力等衍生出的内部热效应。

这些因素都会导致机床的温度发生变化，从而影响机床的几何尺寸和传动精度，从而产生热误差。

（二）原因一：外部环境的影响机床所处的环境温度、湿度等都会对机床产生影响。

冬季室内温度相对较低，会导致机床传动件温度下降，从而引起机床的几何尺寸发生变化；夏季室内温度相对较高，机床零件温度会上升，进而影响机床的加工精度。

（三）原因二：机床自身结构及零部件的影响机床自身的结构、传动件、润滑系统等都会引起机床的温度变化，从而产生热误差。

机床各部件的热膨胀率不同，使得机床温度的变化导致机床的尺寸和传动精度发生变化；机床的润滑系统也会因温度变化而影响机床的加工精度。

（四）原因三：加工过程本身的热效应三、常用的补偿办法（一）采用温度控制系统采用温度控制系统能够控制机床的温度，从而减小温度对机床的影响。

在机床上安装温度传感器，实时监控机床的温度，并通过控制冷却系统或者加热系统，使机床的温度始终保持在一个稳定的范围内，从而减小机床的热误差。

（二）采用热误差补偿技术热误差补偿技术是一种通过软件或者硬件手段来对机床热误差进行补偿的技术。

通过对机床的温度进行监测，并根据温度变化对机床的坐标进行实时补偿，从而减小热误差对机床加工精度的影响。

（三）改进机床结构及材料改进机床的结构和材料也是减小热误差的重要途径。

采用低热膨胀率的材料来制造机床零部件，或者改进机床的结构，减小零部件的膨胀率，从而减小热误差的产生。

（四）优化加工工艺在加工过程中，通过优化工艺参数，减小加工零部件的摩擦和热效应，也可以减小热误差的产生。

分析数控机床的热变形原因及解决措施工艺过程的自动化和精密加工的发展对机床的加工精度和精度稳定性提出了越来越高的要求。

机床在内外热源的影响下，各部件将发生不同程度的热变形，使工件与刀具之间的相对运动关系遭到破坏，也使机床的精度下降。

在通常情况下，为了使机床的热变形达到稳定的数值，需要花费很多时间来预热机床，这就直接影响了机床的生产率。

对于数控机床来说，因为全部加工尺寸是预先编制的指令控制的，热变形的影响就更为严重。

因此，认真分析数控机床热变形的成因，并研究防范措施具有十分重要的意义。

一、数控机床的热变形成因分析机床产生热变形的主要原因是热源及机床各部分的温差。

热源通常包括加工中的切削热、运动副的摩擦热和动力源的发热以及辐射与周围环境等其它外界热源等。

此外，机床零件的材料、结构、形状和尺寸的不一致也是产生热变形的重要因素。

(一)切削热在金属切削过程中，由机械能变为被切削材料的变形能，从而产生大量的热量，产生热量的大小主要取决于被切削材料的性质及切削用量的大小。

切削产生的热量主要通过传热分配到刀具、工件和切屑，它们之间按照一定的比例关系分配热量。

对于不同的加工种类，其切削热的计算与分配也各不相同。

在车削加工中，大量的热量被切屑带走，传给工件的热量次之，一般在30%以下，而传给刀具的热量又次之，一般不大于5%；对于铣削和刨削加工，传给工件的热量一般在30%以下；在不加冷却液切削时，大量的切屑落在机床床身和工作台上，它对床身和工作台热变形的影响是显而易见的。

但大量的切屑只有粗加工时才有，而机床热变形对粗加工精度的影响则一般可以忽略；对于精加工，由于走刀量和切削深度一般比较小，故切屑带走的热量也比较小，它们所引起床身和工作台的热变形也相对比较小，是否需要考虑，要看具体情况而定。

但在加工中心上，零件的粗、精加工往往在同一台机床上进行加工，对工作台热变形的影响，就应予以注意。

(二)运动副的摩擦热和动力源的发热机床有各种运动副，如主轴部件的滚动轴承、工作台与导轨、丝杠与螺母等，运动件之间的相互运动产生摩擦力，从而引起摩擦热而形成热源。

机床主轴系统的热特性分析机床受到车间环境温度的变化、电动机发热和机械运动摩擦发热、切削热以及冷却介质的影响，造成机床各部的温升不均匀，导致机床形态精度及加工精度的变化。

温升对机床正常工作和加工精度的主要影响是：（1）温升使各部分零件温度随时间变化，使机床丧失已有的调整精度，从而影响被加工工件的尺寸，同时，温升也使轴承间隙发生变化，进而影晌加工精度。

（2）温升使温度分布不均匀，造成各零件或零件各部分之间的相互位置关系发生变化，从而造成零件的位移或扭曲。

实践证明，机床受热后的变形是影响加工精度的重要原因。

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性能。

机床热特性分析技术是实现机床热设计的基础。

随着计算机技术的发展，有限元仿真分析成为机床热设计的重要手段，它具有边界适应性好、计算准确度高等优点。

下面以机床主轴系统的热特性有限元分析为例，了解有限元分析在机床热特性分析中的应用。

机床主轴系统的热特性分析在机床动态设计中占据重要地位，主轴系统的热态性能直接影响机床的加工精度。

通过有限元分析结果，在加工前对机床进行优化设计能够一定程度上减少热误差对加工精度的影响，为进一步研究机床的热误差提供了理论依据。

建立电主轴系统热特性数学模型采用solidworks软件进行三维实体建模，导入MSC.MARC大型非线性有限元软件进行分析。

实体模型对模型进行适当简化，然后导入MSC.MARC进行网格划分、分析计算。

定义材料属性仿真工况：高速机床以8000r/min转速，连续空转3小时。

仿真结果：主轴系统的稳态热特性分析主轴系统的瞬态热分析主轴热变形后，不同时刻主轴轴线沿x向和y向的偏移量有限元热特性分析的关键所在是建立精确的模型。

建立有限元模型包括3个重要内容，即妥善的网格划分、恰当的单元选择和边界条件的正确施加。

在机床设计阶段，采用有限元分析方法设计方案进行虚拟评价，如果结果不理想，则直接对设计参数进行修改，最终达到设计目标。

金属切削机床常见过热的原因分析与排除机床在运行过程中，常常有发热的现象产生，如果其温度超过了规定的指标，我们就称这种现象为过热。

机床的过热现象是不可忽视的。

一方面过热是机床的一种重要征象，因为机床很多故障都会导致机床局部过热，如轴承、齿轮、离合器等传动部件，在发生故障时将产生大量的摩擦热；液压系统的泵、阀、缸等元件的泄漏也会产生大量的热量，这时如果不对这些零部件及时修理，机床就可能会产生更大的故障。

另一方面，过热还会给机床带来一些恶劣的影响。

过热会使机床产生热变形，从而破坏机床的精度，影响工件的加工质量，如机床部件在运转中产生过热，将使主轴部件和箱体因热膨胀而变形，从而导致主轴的旋转中心线和机床其他部件（如车床主轴中心线与尾架中心）的相对位置发生变化，直接影响加工精度。

过热会使油液的物理、化学性能恶化。

如过热破坏了油液的粘度，使润滑油变稀，影响油膜的形成，易导致相对运动的零部件之间产生干或半干摩擦，使接触面之间摩擦加剧，甚至产生咬焊、研死；过热还会使油液变质，产生氧化物杂质，堵塞油孔油路破坏机床润滑系统。

过热会使膨胀系数不同的相对运动零部件之间的配合间隙发生变化，破坏机床正常工作，若配合间隙变小，则润滑油无法进入，将会使运动无法正常进行，如滑动轴承与轴常会产生“抱轴”；液压阀的阀芯在阀体中动作不灵活或“卡死”。

过热会使机床的零件变形，并能使一些非金属零件变质、老化,如金属材料制造的片式摩擦离合器,过热会使离合器片扭曲,造成接触不良,甚至胶合、咬坏；非金属材料制造的摩擦离合器,过热会使离合器片的浸渍物气化析出或者碳化,造成离合器失效.过热还会使机床上橡胶件,塑料件早期老化、变质,降低使用寿命.如果零件两端受到限制而不能自由膨胀,过热将使零件产生热应力。

这个热应力,或导致零件本身变形,或导致两端的零件损坏。

过热既然会给机床带来如此恶劣的影响,所以机床设计部门都为之规定了所能允许的最高温度。

一般机床的主轴轴承,当主轴以最高速度空运转达到热平衡(即发热量等于散热量)时,滑动轴承的温度不得超过60度,温升不得超过30度；滚动轴承的温度不得超过70度,温升不得超过40度；其他机构的轴承温度一般也不超过50度；对于高精度机床如坐标镗床,主轴轴承的温度不得超过室温10度。

第51卷第6期2020年6月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.51No.6Jun.2020数控周边磨床主轴系统热关键点选取及热误差建模廖启豪，王玲，殷国富，谢政峰(四川大学机械工程学院，四川成都，610065)摘要：为了提高数控机床主轴系统热误差建模的精度和鲁棒性，提出一种基于时间特性的热关键点选取方法。

该方法结合模糊C 均值聚类和基于时间特性的排序标准，完全依赖于热误差实验获得的温度测点的温度，避免了基于相关性的热关键点选取方法在不同热误差实验下的不稳定性。

通过在周边磨床主轴系统上进行热误差实验，将该方法应用于主轴系统热误差建模。

研究结果表明：基于时间特性的热关键点选取方法对多元线性回归、BP 神经网络、支持向量机等回归模型的建模精度都有不同程度提升；在3种模型的9组预测中，均方根误差降幅最低为6%，最高为40%，证明了基于时间特性的热关键点选取方法能有效提高热误差建模的精度和鲁棒性。

关键词：主轴系统；热关键点；热误差建模中图分类号：TH161文献标志码：A开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7207（2020）06-1501-08Thermal key points selection and thermal error modeling ofspindle system of CNC peripheral grinding machineLIAO Qihao,WANG Ling,YIN Guofu,XIE Zhengfeng(School of Mechanical Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China)Abstract:In order to improve the accuracy and robustness of thermal error modeling of computer numerical control(CNC)machine tool spindle system,a thermal key points selection method based on time characteristic was proposed.This method combines the fuzzy C-means clustering and the ranking criterion based on time characteristic.It relies entirely on the temperature of temperature measurement points obtained from thermal error experiments,and avoids the instability of the thermal key points selection method based on correlation in different thermal error experiments.Through the thermal error experiments on the spindle system of the peripheral grinding machine,the method was applied to the thermal error modeling of the spindle system.The results show that the thermal key point selection method based on time characteristic can improve the modeling accuracy of multiple linear regression,BP neural network,and support vector machine to varying degrees.Among the 9predictions of the three models,the root mean square error(RMSE)is reduced by 6%to 40%,which proves the effectiveness of the thermal key points selection method based on time characteristic in improving the accuracy and robustness of thermal error modeling.DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2020.06.004收稿日期：2020−01−06；修回日期：2020−03−06基金项目(Foundation item)：国家科技重大专项(2017ZX04020001-005)(Project(2017ZX04020001-005)support by the NationalScience and Technology Major Program of China)通信作者：王玲，博士，副教授，从事计算机辅助设计与制造研究；E-mail ：****************.cn第51卷中南大学学报(自然科学版)Key words:spindle system;thermal key points;thermal error modeling热误差是机床误差的主要来源之一，由温度引起的误差可以占到机床总几何误差的75%[1]。

数控机床热误差测量与分析数控机床热误差测量与分析摘要：数控机床热误差是影响加工精度和加工质量的关键因素之一。

本文通过测量与分析数控机床的温度变化和热误差，探讨了数控机床热误差的产生原因以及对加工精度的影响。

在此基础上，提出了一些改进措施，以减小数控机床的热误差，提高加工精度和加工质量。

关键词：数控机床；热误差；温度变化；加工精度1. 引言数控机床是现代制造业中不可或缺的重要设备，其加工精度直接影响着工件的尺寸精度和几何形状。

然而，由于数控机床在工作过程中产生的热效应，往往会导致机床的热误差，从而影响加工的精度和质量。

因此，对数控机床的热误差进行测量与分析，是提高数控加工精度的关键。

2. 测量与分析方法2.1 温度采集系统为了测量数控机床的温度变化，需要搭建一个可靠的温度采集系统。

该系统应包括温度传感器、数据采集器以及相关的软件。

温度传感器可安装在数控机床关键部位，如主轴、滑轨等位置，以获取机床不同部位的温度数据。

数据采集器将传感器采集到的温度数据传输到计算机，通过相关软件进行数据处理和分析。

2.2 温度变化实验为了获得数控机床的温度变化规律，可以进行以下实验。

首先，使机床处于运行状态，并保持一定时间。

然后，通过温度采集系统获取机床关键部位的温度数据，并记录下来。

实验过程中，应注意控制环境温度和湿度，以避免外部干扰对实验结果的影响。

3. 热误差分析3.1 温度分布分析通过分析实验中获得的温度数据，可以得到数控机床的温度分布图。

据此，可以分析机床不同部位的温度变化情况，判断温度梯度大小，以及温度异常情况等。

同时，还可以通过对不同部位温度的变化趋势进行比较，判断机床是否存在热传导不均匀等问题。

3.2 热效应分析数控机床的热效应是指机床在工作过程中，由于零件加热、切削热等因素导致的机床温度升高，从而引起机床结构产生热变形，进而导致加工误差的变化。

通过对热效应的分析，可以了解机床热误差的产生原因，并找到其与加工误差之间的关联性。

314第２４卷　第１０期 ２００２－１０杜正春，杨建国，关　贺，窦小龙（上海交通大学　机械工程学院，上海　２０００３０）制造机床热误差研究现状与思考摘　要：机床热误差，是影响机床加工精度稳定性的最大误差源，因此减小热误差对提高机床的加工精度至关重要。

本文试图分析９０年代后期以来，国内外在机床热误差补偿研究方面的研究成果；指出了目前热误差应用中存在的几个主要问题：　机床特性检测和辨识、温度测点的优化、模型鲁棒性。

最后给出了作者对于进一步主要研究内容的思考。

关键词：热误差补偿；测点优化；鲁棒性建模；热模态分析；数控机床中图分类号：　ＴＰ　２７３ 文献标识码：Ａ文章编号：１００９－０１３４（２００２）１０－０００１－０３收稿日期：　２００１－１２－０５；修稿日期：２００２－０８－２７基金项目：国家自然科学基金资助项目（５００７５０５４）；上海汽车工业科技发展基金（９９－２３１４Ａ）作者简介：杜正春（１９７３—），博士后，研究方向为机床误差补偿技术，机电一体化。

精密和超精密加工技术已经成为现代机械制造中最重要的组成部分和发展方向，并成为提高国际竞争能力的关键技术。

随着生产过程自动化的飞速发展和精密加工的广泛应用，对数控机床加工精度的要求日益提高。

尤其是柔性制造系统（ＦＭＳ）和柔性制造单元（ＦＭＣ）提出了机床加工过程中对各种误差的自动监控和自动补偿问题。

机床的热变形、运动误差及力误差已成为影响系统加工精度稳定性的关键因素。

大量研究表明，热误差是数控机床的最大误差源，占机床总误差的７０％左右［１－２］。

因此减小热误差对提高机床的加工精度至关重要。

减小热误差，提高机床加工精度有两种基本方法：误差预防法和误差补偿法。

误差预防法是一种“硬技术”，其通过改进设计和制造途径消除或减少可能的热误差源，提高机床的制作精度，或者控制温度来满足加工精度要求。

误差预防法有很大的局限性，即使可能，经济上的代价往往是很昂贵的。

误差补偿法是人为地造出一种新的误差去抵消当前成为问题的原始误差，是一种既有效又经济的提高机床加工精度的手段，其工程意义是非常显著的：采用误差补偿技术可以比较容易地达到“硬技术”要花费很大代价才能达到的精度水平。