機床熱特性優(yōu)化研究綜述

蔡德程，陳 繽，關 欣，李郝林

（1. 上海理工大學 能源與動力學院，上海 200093；2. 上海理工大學 機械工程學院，上海 200093）

隨著現(xiàn)代機床自動化及加工制造水平的迅速提高，機床加工組件面臨越來越高的精度要求，因溫度升高而導致零部件的變形是影響機床加工精度的主要因素之一。因此，機床熱變形已經(jīng)成為當前機床技術中急需解決的關鍵問題，不少專家和學者對此進行了深入研究。從伯明翰大學Peklenik教授的研究中可知，在機床加工組件時，隨著自身溫度升高而導致機床組件發(fā)生熱變形，其產(chǎn)生的誤差可達40%～70%[1]。莫斯科工業(yè)研究所的Push曾預測，在溫度升高產(chǎn)生的熱變形中，精度誤差會達到25%～75%[2]。機床加工時，精密機床局部溫度的升高不僅會使精度產(chǎn)生細微的變化，導致機床效率下降，而且在極端情況時還會致使機床無法正常工作。

因此，改善機床熱特性問題的提出和解決就變得十分重要。機械結(jié)構本身的復雜性導致各個組件之間的溫度場不同，各部分的熱變形情況也不相同，各組件之間最初的適配位置的改變使精密機床的加工精度達不到預期效果。截至目前，為了減小機床誤差，可以采用誤差防止和誤差補償兩種方法。誤差防止法是利用結(jié)構設計、冷卻等方式，最大限度地減少或消除設計和制造過程中的誤差；誤差補償法是將人工產(chǎn)生的誤差與機床溫差引起的熱變形所導致的誤差相抵消。其中，誤差補償法是利用熱變形的數(shù)控系統(tǒng)與由模型算法計算得出的熱變形誤差相互配合來進行最佳的誤差補償。

機床溫差的變化和局部熱變形之間并非簡單的線性關系，且補償模型的精密程度容易受到工況環(huán)境、模型算法、試驗數(shù)據(jù)誤差以及儀器精度等多種變量的影響，熱誤差數(shù)學模型無法準確建立，對機床的熱誤差難以做出精準的預測，故不能對機床的熱變形做出相應的誤差補償[3-4]。目前為止，針對對熱誤差補償問題還未找到有效的解決方法。并且，熱誤差補償雖是一種動態(tài)補充，但它限制了高速精密機床的補償范圍和精度，所以逐步將機床熱變形的修正方法從熱誤差補償改為熱誤差防止成為當前的研究趨勢[5]。因此，通過從改善機床的結(jié)構設計、冷卻方式等方面入手，改善機床的熱特性，縮短熱平衡時間，減小機床的熱變形，已是現(xiàn)代機床研究領域中的一個主要研究方向。

1 機床熱特性分析進展

在內(nèi)外熱源的作用下，機床不同區(qū)域間的溫差因熱源分布不均以及結(jié)構復雜程度而異，這造成機床溫度場的溫度分布不均勻。當環(huán)境溫度約為20 ℃時，長1 m的鋼或鑄鐵等金屬零件，其溫度每改變1 ℃，長度會產(chǎn)生11 μm的變化[6]。所以，溫度變化會在機床的每個零件中產(chǎn)生不同的溫度梯度，從而影響機床整體的幾何加工精度，進而影響工件的成形效果[7]。

1.1 熱特性影響因素

1.1.1 車間環(huán)境的影響

車間環(huán)境的影響分為自然氣候的影響以及周圍環(huán)境的影響。我國長三角地區(qū)季節(jié)溫度變化范圍一般在45 ℃左右，晝夜溫差為5～12 ℃。此時若僅保持良好的車間通風，車間內(nèi)的溫度改變不會相差太多。而我國東北地區(qū)氣候相對寒冷，由于冬季采用供暖措施，導致空氣流通性不佳，使車間里面的溫度和外面的溫度相差較大，最高溫差可達50 ℃。除了溫度變化之外，濕度的控制也很重要。空氣中濕度低，空氣干燥會產(chǎn)生靜電；高濕度會導致金屬腐蝕，使加工元件的尺寸產(chǎn)生一定的誤差[8]。張曙等[9]以Φ70 mm×1 650 mm螺桿的傳統(tǒng)銑床加工12 h的工作為例，工件的誤差總和達到85 μm，而當溫度為定值時，工件產(chǎn)生的誤差相應減少，誤差總和可降到40 μm。閆占輝等[10]對某一橋式龍門銑床的工作臺進行測量，在測量期間機床并未投入使用，只存在由環(huán)境因素引起的熱變形，其工作臺的縱向直線度由初始的18 μm，經(jīng)過5個月和7個月后分別變?yōu)?4 μm和97 μm。

周圍環(huán)境影響是指在機床加工精度受車間空間及布局所造成的影響。其中包括：車間溫度分布、車間熱源、散熱條件以及恒溫措施等4個方面。

a. 車間溫度分布。車間內(nèi)的溫度變化與氣候環(huán)境及通風手段有著密切的關系，如圖1所示[11]。當室外溫度為1.5 ℃，室內(nèi)保持供暖時，同一時間里，第二個跨度處相同高度的溫度最大偏差為1.5 ℃；第二個跨度空間內(nèi)的溫度差約為4 ℃。

圖1 車間溫度分布Fig.1 Temperature distribution in the workshop

b. 車間熱源。太陽光、供暖設備及大功率設備所產(chǎn)生的熱量會使車間溫度上升，當距離這些熱源較近時，熱量就會在空氣中以輻射、對流的方式影響著機床周圍的溫度，從而改變機床的溫升。在同一車間內(nèi)，隨著不同設備的持續(xù)運行，機床周圍的溫度會有一定的提升。

c. 散熱條件。具有良好的通風環(huán)境對車間是十分必要的，將門窗敞開從而達到室內(nèi)外氣流的對換是最簡單、方便的通風手段。強制散熱，比如使用風扇或者制冷設備，都可以不同程度地改善車間內(nèi)的溫度環(huán)境。除此之外，由于地面對散熱有一定的加強作用，應該避免供暖管道從機床下經(jīng)過，以免因管道供暖溫度影響而導致地基溫度上升，從而影響機床的加工精度。

d. 恒溫措施。對于精度要求較高的精密機床，使用恒溫恒濕控制的機床車間不僅能提高加工精度，延長機床壽命，還能在一定程度上保護工作人員的健康[12]。目前采用較多的恒溫措施是在機床上形成一個獨立的恒溫控制空間，單獨對加工機床進行溫度控制，這樣既保證了工藝要求，又節(jié)約了制造成本。

1.1.2 機床內(nèi)部溫升的影響

機床在運行過程中，內(nèi)部溫度升高所受的影響因子有3個，分別是機床電機生熱、機床部件摩擦生熱以及加工過程的切削熱。

a. 機床電機生熱。在機床運行時，電機存在相應的銅損耗和鐵損耗，主軸電機、進給電機、冷卻潤滑電機、液壓系統(tǒng)電動機等產(chǎn)生的銅和鐵的振動均能產(chǎn)生可觀的熱量。應盡可能將其隔離，以減少對加工精度的影響。

b. 機床部件的摩擦生熱。機床工作過程中，軸承、導軌等構件由于摩擦產(chǎn)生熱量，這些熱量的產(chǎn)生是由于電動機運轉(zhuǎn)時，有一少部分電能轉(zhuǎn)化為電動機的熱能，還有一部分是由于主軸旋轉(zhuǎn)、工作臺運動等機械運動產(chǎn)生摩擦熱。對這些部件的熱特性及熱變形研究，是目前學者的研究重點。邢金鵬等[13]對臥式數(shù)控機床進行溫升和軸向變形測試實驗，發(fā)現(xiàn)主軸前軸承的最大溫度達到24.8 ℃時，主軸在z方向上的最大偏移量為-12.5 μm。

c. 加工過程的切削熱。機床在加工過程中所產(chǎn)生的切削熱主要來源于刀具在切削進給中所產(chǎn)生的變形能以及刀具與工件表面間直接的摩擦生熱。切削過程中，工件所產(chǎn)生的廢屑會落在夾具或者機床導軌中，熱廢屑所攜帶的熱量通過導熱傳遞給導軌，導致導軌產(chǎn)生熱變形，進而對進給刀具以及加工工件之間的相對位置造成一定的影響[14]。

1.1.3 機床結(jié)構布局的影響

目前研究機床結(jié)構布局對機床熱變形的影響主要有機床結(jié)構、熱源分布、質(zhì)量分布以及材料影響等4個方面。

a. 機床結(jié)構。因為機床的結(jié)構各異，所以機床的導熱途徑、熱反應速度和熱穩(wěn)定性等方面都會存在差異。與平床身臥式車床相比，45 °斜床結(jié)構的動態(tài)剛度更佳，可以起到更好的動態(tài)支撐作用，也有利于排屑散熱[14]。與通過齒輪來改變速度的車床主軸箱相比，用伺服電機驅(qū)動的斜車身式車銑中心主軸，可以減少齒輪傳動過程中的損耗，其主軸箱的溫度變化一般小于15 ℃[15]。

b. 熱源分布。機床內(nèi)部的電動機、摩擦機構以及工件切削的生成熱會對熱源產(chǎn)生部分影響，且不同構件產(chǎn)生的熱量也會有所不同，使機床的溫度梯度產(chǎn)生變化，進而產(chǎn)生誤差。根據(jù)主軸中溫度場的變化和溫度引起的相關熱變形可以得出，以某機床廠立式加工中心為例，當設定電主軸環(huán)境溫度為10 ℃，主軸轉(zhuǎn)速為400 r/min時，主軸背面軸承末端溫度上升到34.1 ℃，是所有部件中溫度上升最高的一個地方，前軸承溫度變化0.85 ℃，前軸與支撐軸的溫差達到2.3 ℃，從而導致主軸軸線發(fā)生位移。這會使主軸在X方向發(fā)生變形0.85 μm，在Y方向偏移4.93 μm，進而影響加工精度[16]。

c. 質(zhì)量分布。對于機床的熱特性來說，在導熱速度、熱平衡時間及部件溫升等方面與機床構件的質(zhì)量分布息息相關。陜西科技大學文懷心等[17]針對4種不同主軸箱結(jié)構的高速立式加工中心進行研究，仿真分析表明，通過改變其內(nèi)部筋板，采用品字網(wǎng)狀的結(jié)構布局可以在很大程度上提高主軸箱的熱剛度，與其他結(jié)構相比，在同樣的溫升下可以減小溫度變化引起的熱變形。

d. 材料影響。當機床所處的環(huán)境熱量相同時，材料與材料之間的熱特性參數(shù)會有很大的差別，其構件在溫升和變形上也會有一定差異。張鈰岱等[18]通過對有限元仿真進行比較得出，灰鑄鐵機械體的最大熱變形比45#鋼低4.569 μm。鄧小雷等[19]采用添加了相變材料的高孔隙率泡沫金屬三明治復合結(jié)構對進給系統(tǒng)的直線電動機進行改造，在仿真模擬實驗中，12 000 s時，相比較41.6 ℃的純鋼結(jié)構，復合結(jié)構達到29.3 ℃，降溫幅度達29.6%。在針對機床新材料的研究中，碳纖維以其密度小、強度高、熱膨脹系數(shù)為負、綜合性能遠超傳統(tǒng)鋼材的特點引起了研究人員的極大興趣，成為目前機床熱變形研究的熱點材料。

1.2 熱特性研究方法

對機床熱特性的分析可以采用實驗研究法和數(shù)值模擬法。

實驗研究法通常借助精密的儀器和各種測量方式來確定主要的熱源，準確地得出實驗數(shù)據(jù)。為了確定熱源的準確位置，可以采用機床空運轉(zhuǎn)、分離各類熱源及磨削等實驗手段。此外，還需測量機床各部件溫度的變化情況、溫度場變化范圍、以及在不同熱源下各個組件溫度達到一個穩(wěn)定值時所需要的時間，分析部件因溫度升高產(chǎn)生的熱變形所具有的特點[20]。受到條件限制，實驗法需要大量的時間和經(jīng)費，且得到的熱態(tài)分析結(jié)果不夠全面和準確。

隨著計算機技術的快速發(fā)展，有限元法和有限差分法在機床領域中得到應用且逐漸推廣。相對于實驗法，采用數(shù)值模擬法對機床熱特性及熱變形進行分析變得更加高效方便。Jedrzejewski等[21]給出了一種新的思路，根據(jù)運動系統(tǒng)中零件的能耗來確定熱特性模型，在了解誤差來源和相關加工參數(shù)的條件下，如主軸正常工作時的轉(zhuǎn)速、機床運行時所處的環(huán)境溫度、切削工件時的功率和切削工件時所用的時間，便可由數(shù)值模擬快速計算出帶動系統(tǒng)運行時所有部件所需要的功率、產(chǎn)生的溫度變化及由溫度變化引起的熱變形情況[22]。德累斯頓工業(yè)大學的Ruprecht等[23]提供了一種基于譜延遲修正的高階隱式-顯式多速率時間步進方法，并通過有限元分析證明一種機器溫度場完全耦合的場實時模擬是可行的。王蒙等[24]將有限差分法與機床熱測量相結(jié)合，使機床部件熱特性可隨時測量，具有良好的實時性并達到了精度要求。王恒等[25]針對機床整體和單個組件的熱變化情況，采用有限元法進行熱分析，發(fā)現(xiàn)與實驗室測試相比存在13.5%的誤差。目前，市面上已經(jīng)有多款成熟的商業(yè)軟件（如Ansys、Abaqus、Msc等），利用這些軟件可以更加方便地解決各種復雜狀況下的模型情況。

2 機床熱特性優(yōu)化方法

機床熱特性的優(yōu)化可以從以下4個途徑入手，具體如圖2所示。

圖2 機床熱特性優(yōu)化措施示意圖Fig.2 Schematic diagram of optimization measures for thermal characteristics of machine tool

a. 車間及其機床熱環(huán)境優(yōu)化。可從熱環(huán)境和熱源的發(fā)熱強度兩方面著手。在機床的熱環(huán)境方面，可采用局部環(huán)境溫控，增加車間的自然通風等，以有效地控制車間溫度；在控制熱源生熱方面，采取高效率的電動機和控制元器件，以降低機床在運作過程中產(chǎn)生的摩擦，減小機床部件的生熱。

b. 結(jié)構設計優(yōu)化。基于機床結(jié)構的對稱性，合理地對機床結(jié)構進行設計，使熱變形對刀具中心點位置不產(chǎn)生或少產(chǎn)生影響；利用機床受熱變形的特點，依據(jù)機床穩(wěn)態(tài)時的熱變形量，預先設計出反向變形的機床結(jié)構，從而使機床在正常運行時保持規(guī)定的熱誤差[26]。

c. 冷卻方式優(yōu)化。對機床內(nèi)的關鍵部位采取有效的冷卻和散熱措施，例如使用換熱效率較高的冷卻介質(zhì)，改進其冷卻結(jié)構的設計及材料；對切削流進行優(yōu)化，使其熱切削可從機床內(nèi)快速移除，減少熱誤差。

d. 熱誤差補償技術。為了使機床刀具中心發(fā)生偏移的情況減少，創(chuàng)建一個與溫度和熱變形程度相關的數(shù)學模型，并用相關軟件來計算產(chǎn)生的誤差，利用數(shù)控系統(tǒng)為不斷變化的溫度進行補償。

2.1 熱誤差防止方法研究

2.1.1 熱環(huán)境優(yōu)化

機床加工精度受機床周圍溫度的影響，不同等級的加工精度對應不同的溫度控制精度等級。一般精度加工（如尺寸精度IT7或更高）采用舒適的空調(diào)車間即可滿足精度要求，通常以20±2 ℃作為精度加工時的溫度；對于高精度或超高精度的加工則需要（20±0.5）～（20±1.0） ℃[27]。機床在運作時會有大量的熱產(chǎn)生，其中只有一部分熱量傳播到空氣中，如果大面積范圍內(nèi)使用空氣調(diào)節(jié)室溫的方法，會導致投資和回報不成正比，無法徹底解決熱變形問題。目前用于冷卻機床加工零件或其特征零件的主要方法是將油、空氣作為傳熱介質(zhì)，以達到局部溫度平衡。例如美國LLNL實驗室在機床外采用鋁和熱塑性材料的外殼，利用恒溫系統(tǒng)將恒溫空氣從天花板吹向外殼，使機床的加工精度達到±0.004 μm的精度要求[28]。油的比熱容較大，且不可壓縮，這使得油噴淋的溫度精度控制遠高于氣體噴淋，美國LLNL實驗室為使機床運轉(zhuǎn)時工作區(qū)的溫度保持到20±0.006 ℃，利用恒溫油噴淋的玻璃罩放置機床，以確保機床的各組件溫度達到均衡[29]。這種噴淋冷卻系統(tǒng)使得零件局部溫度得到控制，進而來控制環(huán)境溫度，冷卻效果要遠遠高于空調(diào)，是其20～100倍，而成本要比空調(diào)更低，只有空調(diào)成本的1/100，這種成本低收益高的系統(tǒng)是最佳選擇。由于熱應力在恒溫條件下對加工精度也會產(chǎn)生一定的影響，所以在運輸高精密機床時，可以使用“溫控車”，以此來減少在機床運輸過程中形成的熱應力[30]。對于環(huán)境溫度控制要求不高的機床生產(chǎn)車間，可以在車間內(nèi)增加冷卻部位的面積，這樣既降低成本，又節(jié)約能源，是個不錯的選擇。

2.1.2 結(jié)構設計優(yōu)化

機床上的熱源是不可消除的，所以機床結(jié)構設計優(yōu)化重點是在已有熱源情況下使熱傳遞的方向和速度沿著有利于減小熱變形的方向進行。例如“熱親和”結(jié)構，對稱性是它的一大特點，產(chǎn)生的熱量沿著對稱的方向進行傳遞，這樣熱量導致的刀具中心點的變形就會相互抵消，且溫度分布均勻。日本東京大學佐田登志夫等[31]在機床熱變形研究中，制定了一種新的方法，其將機器運行過程中發(fā)生的溫度變形解釋為機器結(jié)構剛度不足，從而提出了“熱剛度”的概念，研究了機器的三種剛度，包括靜剛度、動剛度和熱剛度。日本大隈（OKUMA）公司[32]首次提出“熱親和”的概念，“熱親和”結(jié)構是將熱量的產(chǎn)生和接受相互融合，合理利用熱量，減少熱量導致的變形；通過對溫度進行補償使其達到平衡，模擬機床熱特性的變化過程去提高機床的精確度，從而推測出熱位移的變化規(guī)律，在機床周圍沒有恒溫控制時也可以形成極其穩(wěn)定的熱結(jié)構。

國內(nèi)陳明亮[14]對機床組件由溫度引起的變形的熱源進行了分析，研究了其熱變形產(chǎn)生的原理，通過改善溫度分布的對稱性和滑枕部件中心線的對稱性，將滑枕的重心與幾何中心重合而不改變其重量。圖3是定梁龍門銑床滑枕熱變形和熱對稱結(jié)構優(yōu)化示意圖，優(yōu)化后滑枕的熱彎曲變形能力可以有效提高。高建民等[33]認為降低機床熱變形的有效方法之一是熱容平衡設計。根據(jù)各機床零件的熱容各異，采取措施使熱容大的零件溫度變化得到控制，從而降低熱容不同的零件帶來的溫差，達到熱平衡，把機床的熱變形影響降到最小。例如，在溫度較高的部件表面貼“帕爾貼”元件，利用其元件一邊散熱、另一邊吸熱的特點，使部件表面維持均溫，且有利于部件表面的熱傳導。此外，新型材料也是一個不錯的選擇，如碳纖維、花崗巖等能減少溫度引起的變形[34]，這種技術被稱之為反變形技術。將溫度引起的變形與新材料產(chǎn)生的反變形相互抵消，此方法可降低熱變形的影響。

圖3 定梁龍門銑床滑枕熱變形及熱對稱結(jié)構優(yōu)化示意圖Fig.3 Schematic diagram of thermal deformation and thermal symmetrical structure optimization of gantry milling machine

2.1.3 冷卻方式優(yōu)化

在冷卻方式優(yōu)化方面，利用冷卻介質(zhì)、冷卻結(jié)構來使冷卻方式得到優(yōu)化是研究學者目前研究的主要內(nèi)容。

a. 冷卻介質(zhì)方面。在機床運行過程中，機床的加工精度發(fā)生改變的部分原因是因為介質(zhì)的冷卻。例如GRV450C雙端面磨床冷卻液進行熱交換時，利用傳統(tǒng)方式供給僅能夠加工30 min，而借助制冷機對冷卻液進行熱交換處理之后的機床可加工70 min以上，因此冷卻液冷卻可大大提高加工精度[9]。Pavli?ek等[35]用CO2冷卻取代原來的油冷卻，發(fā)現(xiàn)兩者的溫度場分布不同。在機床運行中，利用測量裝置來測量熱位移，結(jié)果表明刀具中心的熱位移在不同的冷卻方法下有不同的值，若冷卻液選用的是CO2，相比于油，Y方向上熱位移降低了15 μm，X方向上熱位移升高了4 μm。除此之外，針對不同的冷卻微通道進行設計和采用具有相變微膠囊的冷卻液進行冷卻，研究其對機床溫度分布的影響以及熱變形的控制效果具有積極的意義。

b. 冷卻結(jié)構方面。Xia等[36]從流固耦合的傳熱模型的熱特性出發(fā)，提出了一種樹狀分型流道的主軸溫控結(jié)構，與傳統(tǒng)螺旋狀的流道在散熱效果方面進行了比較：與傳統(tǒng)螺旋形流道網(wǎng)狀散熱器相比，分形樹狀通道網(wǎng)狀散熱器壓力較低、溫度較均勻，以及具有更大的性能系數(shù)。浙江大學鄧小雷等[37]利用昆蟲的翅脈結(jié)構對原始主軸進行改進，設計了一種新型的主軸系統(tǒng)冷卻結(jié)構（見圖4），并對其進行了模擬比較分析。模擬結(jié)果表明：若研究中所有的邊界條件不變，加熱面積中的最高溫度減少17.8%，最低溫度減少4.6%，且仿昆蟲翅脈結(jié)構的主軸冷卻系統(tǒng)溫度場分布更加均勻。李國森等[38]對W2806型號的實心絲杠、無冷卻中空絲杠和油冷卻中空絲杠進行了測試和比較，結(jié)果表明采用油冷卻的中空絲杠能夠改善開啟過程中滾珠絲桿的溫度升高而產(chǎn)生的變形問題。絲杠冷卻方法中的中空內(nèi)冷是一個較好實行的方法，可通過對絲杠溫度的控制來防止熱伸長，減少機床加工零件時產(chǎn)生的誤差[39]。利用中空內(nèi)冷的冷卻方式，可以降低溫度帶來的影響，使機床精確地加工元件，在半閉環(huán)精密機床中，定位精度最高可提升50%[40]。

圖4 昆蟲翅脈仿生流道冷卻結(jié)構示意圖Fig. 4 Schematic diagram of channel cooling structure based on insect wing vein bionic

除此之外，及時將高溫切削的廢屑從專用溝槽快速排除，可以降低機床組件由于溫度升高而產(chǎn)生的熱變形。

2.2 熱誤差補償方法研究

隨著計算機計算能力的日益增強和開放式數(shù)控系統(tǒng)的快速發(fā)展，熱誤差補償技術逐漸成為未來研究的新興方向。誤差補償技術以熱誤差模型和傳感器反饋值為基礎，可對加工程序、數(shù)控系統(tǒng)或控制器進行補償，運行過程中，熱誤差呈現(xiàn)出非線性，數(shù)學模型可以更準確地預測誤差，為非線性模型的創(chuàng)建提供支持[41]。熱誤差數(shù)學補償?shù)某Ｓ媚Ｐ桶ㄓ邢拊治觥r間序列分析、魯棒建模及神經(jīng)網(wǎng)絡等。捷克布拉格技術大學Horej?等[42]在傳遞函數(shù)的基礎上進行動態(tài)建模，以主軸的轉(zhuǎn)速、主軸功率和機器結(jié)構的5個溫度為變量，研究對鋼切削的影響，結(jié)果表明采用基于回歸方法構建的TF模型，在不同切削條件下進行的鋼切削測試中，最多可將熱誤差降低79%。臺灣勤益科技大學Chen等[43]用14個溫度傳感器檢測機器周圍的實際溫度場，選擇溫度敏感性較高的4個點作為主要位置，建立熱模型，并開發(fā)控制位移變化的補償系統(tǒng)。其結(jié)果是，x，y軸的位移和刀具中心位置的誤差均控制在20 μm以內(nèi)。上海交通大學楊建國等[44]對機床主軸溫度升高產(chǎn)生的組件變形情況進行了研究，研發(fā)出了對機床形成的誤差實時補償?shù)南到y(tǒng)，且利用熱特性建立了理論模型，修正并獲得了最終的建模方法[45]。劉文濤[46]提出了一種新的混合模型，可算出數(shù)控機床導軌直線方向上的誤差，利用誤差實時補償系統(tǒng)可將直線度誤差減少60%以上。

在實際生產(chǎn)過程中，我國的高級控制機器依賴進口，熱誤差補償技術還局限于理論研究，未運用到實際中[47]。機床熱特性引起的熱誤差研究投入的時間長、經(jīng)費大。機床的工作環(huán)境、加工工況、切削參數(shù)、冷卻液以及運行時間等因素都會影響著機床熱誤差特性，所以機床產(chǎn)生的熱誤差呈離散狀態(tài)、非線性結(jié)構，有著相互交叉的趨勢，在檢測過程中需要包含所有條件，大批量生產(chǎn)機床補償時檢測數(shù)據(jù)時間長且難度大。測溫點優(yōu)化主要有模糊聚類分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡辨識法等，在目前建模優(yōu)化方法中，沒有一個模型能同時包含溫測點的線性問題和補償溫度時的非線性問題。機床在使用過程中，一般不在恒溫車間，且熱誤差模型不能隨時間進行相應變換。同時，相同類型規(guī)格的機床在同樣的使用時間和環(huán)境下，熱誤差補償模型會有所不同，需要建立一個隨時間和環(huán)境變化、任何機床都適用的模型。另外，在常用的數(shù)控機床系統(tǒng)中，開放性數(shù)控系統(tǒng)較少，一般是通過數(shù)控系統(tǒng)自身帶有的補償功能把數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，對于不斷變化的誤差，進行實時補償會有一定的困難。

3 總 結(jié)

通過文獻綜述，從影響因素及控制優(yōu)化方法兩方面，對精密機床由溫度引起的熱變形特性進行了研究與分析，介紹了國內(nèi)外解決機床及其重要部件溫升的關鍵技術。由于國外精密機床多涉及行業(yè)機密，就目前國外公開報道及一些國內(nèi)學者的綜合研究，本文針對現(xiàn)有機床研究的不足之處做了一個總結(jié)，并提出一些可行方案。

機床熱特性的影響主要分為車間環(huán)境的影響和機床內(nèi)部溫升的影響。利用實驗研究和數(shù)值模擬兩種方法可以對產(chǎn)生的熱源做一個定位，分析其溫升、溫度場的變化、熱變形及其達到平衡所需要的時間。而了解精密機床熱源的產(chǎn)生及位置，是改善機床因溫度引起的熱變形的關鍵。到目前為止，雖說許多研究者已通過結(jié)構設計的優(yōu)化、冷卻方式的處理等，針對機床的關鍵部位降低溫度來減小誤差，以提高加工精度，但目前對于機床各部件的溫升在機床總熱量中的占比及其影響，并未形成較為完整的研究體系。所以針對機床由溫度引起的組件變形，有以下4個方面的優(yōu)化措施：

a. 車間及其機床熱環(huán)境的優(yōu)化。控制機床周圍的溫度，使機床的運行情況得到改善，目前常用的方法是采用恒溫玻璃罩法，將生產(chǎn)機床獨立溫控，在提高效率的同時，能有效地節(jié)約成本。除此之外，替換高效率的電動機、減小機械傳動元件的摩擦也是降低溫升的重要舉措之一。

b. 結(jié)構設計優(yōu)化。國內(nèi)外諸多研究表明，采用熱對稱設計概念的“熱親和”結(jié)構設計，能降低機床由于溫度分布不均帶來的熱變形；采用局部熱容量平衡法（如“帕爾貼”元件）和反變形法（如碳纖維等材料）均能改善機床熱結(jié)構帶來的熱變形。

c. 冷卻方式優(yōu)化。在機床實際運行時，通過人為的干預提高機床的冷卻，達到溫度場分布均勻，從而降低熱變形。常見的方式有：及時排除高溫切屑，增加車間自然通風，選用高效低能耗的相變微膠囊作為冷卻介質(zhì)，基于分形理論基礎為機床設計溫度分布均勻的冷卻結(jié)構。

d. 熱誤差補償技術。利用計算機來模擬機床溫度的變化情況，對加工部件進行實時補償。目前常用的熱誤差數(shù)學補償模型有：有限元分析、時間序列分析、魯棒建模及神經(jīng)網(wǎng)絡等。

在上述4種措施中，要準確測量并且模擬機床的溫度場并不容易，通過算法對進給部件進行系統(tǒng)補償仍然存在較大誤差，且研發(fā)周期長、投入成本高，這些是熱誤差補償技術發(fā)展的主要障礙；優(yōu)化車間及其機床熱環(huán)境，對于精度要求較高的機床，加工精度具有較為明顯的提高，但對于普通精密機床則增加了較大的成本。相比而言，從結(jié)構設計及冷卻方式優(yōu)化方面改進，能較為簡單、有效地解決機床溫升及其熱變形帶來的加工精度問題。