机床的发热问题1、引言从1990年开始，布莱恩等人做了关于热状态错误的最新研究，weck更多的做了对机床误差的减少和补偿工具的研究，自从他们做了前面这两个主题演讲之后，在这个领域已经做了很多的研究。

本文是在前两个主题演讲基础上做的最新研究。

机床定位的不确定性会直接影响所加工零件的尺寸精度。

典型的误差来源是运动误差，机械热误差，载荷，动力，以及运动控制软件。

本文主要研究机械热误差，这种误差是由外部环境或内部热源引起的。

制造业正在经历关于引起机床热误差管理的重大改变。

直到最近，机床制造商给了机床用户在指定的环境温度要求和需要必要的非生产机器预热程序下产生这样的错误的管理责任。

如今，机床制造商越来越频繁的承担对于控制热致位移的责任。

这一变化之所以会发生，是因为机床用户意识到，有些类似的机床可以显示显著不同的热错误，并且在一些机床上大部分所提供的能量被用于平衡机床的温度。

此外，高达75％加工工件的整体几何误差是通过温度的影响而引起的。

因此，这个话题是最近的活动的显著研究重点。

制造业对这个主题的兴趣可以在最新的国际标准上看到。

在过去的二十年已经发展了计量规则和性能参数来评估空载和精加工条件下机床的发热特性的多项国际标准。

如今，用户经常会问机床制造商，包括这样的测量进行验收测试。

新的测量设备经常用于延长热误差和检测机床热误差源。

特别是在测温测量设备，如红外摄像机价格的下降导致在分析机床的发热特性的新选项。

在第2节，将呈现在热误差和温度测量方面的进展。

数值方法目前用于在开发的早期阶段比较不同的机床设计或模拟温度对机床的影响来检测热诱发工具中心点（TCP）位移的来源。

由于计算时间的瞬态仿真的费用，工程师们往往对他们的模拟只使用稳态结果。

然而，它显示的是TCP位移在运行期间改变其方向的瞬态行为的观察，如果两个不同的时间常数都参与或者如果温度场的热源向外扩散，通过监管陡峭的坡度后会变得均匀。

另外，稳定状态的结果不会导致在稳定状态的情况下产生时间依赖行为，这期间可以表示若干小时。

机电一体化的发展进一步提高了机床的精度。

然而，为了实现更高的精度，机床的热稳定性的可预测性变得越来越重要，尤其是为了避免后期基于实验研究的机床发展的巨大花费。

计算技术的进步带来了在TCP温度分布和热致位移上更好的估计。

当今最先进的个人计算机的处理能力已经足以满足处理这样的计算的要求。

即使使用有限元方法对一个完整的机床瞬态效应进行密集型模拟（FEM）计算，也可以在合理的时间内进行。

关于建模和发热计算错误的概述将在第3节给出。

关于减少在机床TCP热错误方面所有安排的技术性定义，将在第四章给出。

早期的散热可以在哈里森于1726年开发的摆动烤架上发现。

在这个时钟钟摆上的时钟的最小热影响是通过组合黄铜和钢，两种材料具有不同的膨胀系数（图1-1）实现的。

在机床的设计中，热稳定性被用于如线性秤架。

其它的安排，例如用以稳定温度分布的加热和冷却装置，可用于降低热误差。

另一方面，机电一体化经常用于误差补偿。

热误差计算各种数值算法和一个移动，以补偿热引起的误差是由一个控制致动器产生的。

控制温度仍然是高精度制造的关键要求。

不同的介质用于稳定机床上的温度分布，以及车间的环境温度。

所选择的流体的材料性质，主要影响冷却系统的设计和能源效率。

在机床的能源效率的讨论中已经确定，要求进一步减少机床的温度上升的能量损失和电力支出构成的损失引起的误差。

更有效的成分也有助于减少能源的浪费。

第5节提供温度控制，液体和能量效率的概述。

本文介绍了在机床热误差的领域的最新研究活动的概述。

本文的结构如下：第二章介绍在热误差和温度测量上的进步。

第三章介绍用于计算机床热误差的方法以及开发的研究工作。

在第4节，对减少热误差的研究活动进行了总结。

第5节概括了研究人员在温度控制领域的活动以及液体和能源效率的影响的概要。

本文是对活动和未来发展趋势的总结。

图1-1 一个钟摆的简化模型，1：钢，2：黄铜2、热误差和温度测量的进展2.1热变形的测量如今，存在许多测量机床部件的位移（位置和方向）的解决方案。

不是所有的这些系统都可用于热误差的测量，因为这些测量基于以下要求具有特别挑战性：●所有相关的几何误差参数的测量；●其中包括的有关工作容量；●具有足够低的测量不确定度；●在一个短的时间内，温度变化对几何误差参数的影响可通过测量系统进行监控。

选择正确的测量系统取决于误差源。

环境的影响如机加工车间的温度一般会导致机床温度的缓慢变化，但影响整个体积的性能。

内部影响如轴承和导轨产生的热量会导致机床结构的局部变形，从而导致位移变化，从而部分地改变容积性能。

内部热源造成的位移是难以预料的，并且比环境造成的影响变化更快。

在过去的二十年里国际标准化组织（ISO）发表的一些标准：ISO 230-3机床热变形，ISO10791-10，加工中心的温度变形，和ISO13041-8，车床的温度变形。

这些标准提供了进行机床主轴的发热系统分析的方法。

这一分析包括ETVE（环境温度变化误差），旋转（主）和主轴移动造成的线性热变形。

测量刀具和工件之间的热位移是常见的标准。

通常测试芯棒夹持在主轴里，一个可以测量五个位移的测量装置固定在加工中心的表面（图2-1）或工件夹具的转动中心。

在【8，23】里指出所有结构都具有热共振频率。

如果机床安装在温度变化的环境中，没有任何方法可以预测频率与阶跃响应。

图2-1 由一个旋转的主轴的热变形和环境温度变化造成的误差（环境温度变化误差）组成的垂直主轴的机床的测量装置对于测量移动的线性轴所造成的热位移，标准建议检测轴线行进距离的两端的错误，如图5。

如果这种热变形引起轴的倾斜运动，该行驶距离的两端的角位移是不同的。

如果只有一个位置的测量，角位移也可以解释为热位置误差在两轴的垂直度偏差。

用激光干涉仪沿图轴向移动，位移距离可以在不同位置进行测量。

此外，比较器系统被用于检测沿机床轴各种位置到两个方向的热位移。

为了测量环境对机床的影响，温度室被开发出来。

该温度室可控制随时间变化的空气和基础温度。

基础部分的热影响进行了研究。

对旋转轴机床的热变形的测量还没有列入标准。

R-检验设备和另外两个长度测量探头，旋转主轴引起的热位移可通过测量五轴机床的五个位置进行检测。

通过在夹紧在主轴里面的主球和安装在机床表面的R-test传感器，可以对五轴机床各轴的热位移进行三个方向的测量。

机床旋转台的热位移可以通过夹紧在台面上的主球检测到。

台面温度的上升将导致台面的尺寸增长。

这种测量被建议用于了解五轴机床的工件误差。

如果在高的相对速度下使用接触探头检测TCP引起的热位移，例如，测量旋转主轴导致的热位移，机床在测量过程中需要停下来。

因此，非接触式，电感性和电容探针（图2-2）最常用于检测旋转主轴诱导的TCP热位移。

要使用伸缩式球杆检测到它们，一种特殊的适配器被设计出来。

当需要测量主轴的影响导致的TCP位移时，该适配器会被安装在靠近正在运行的铣削头附近。

因此，该适配器本身的热变形会导致错误的测量结果。

在水平方向上选择对称旋转用于最小化该适配器的影响（图2-3）。

在垂直方向上，该适配器的热位移通过平衡不同的材料的热膨胀大小和方向，所选择的几何形状，并且考虑适配器的不同负荷进行最小化。

使用夹紧在机床主轴上的触发式探头有一定的优势。

用一个探针就能检测多达三个方向上的热诱导的TCP位移，并且是在机床的主轴中心线上进行检测的。

接触式探头经常用于测量正在加工操作中的位移。

在这种情况下，用触发式探头检测实际的热诱导的TCP位移需要换刀。

通常在台面上夹紧测量装置的几个检测点。

该测量装置是根据需要被加工的材料，机床的材料结构或者具有低的热膨胀的材料进行选择的。

传统上的殷钢，陶瓷玻璃，或碳纤维增强塑料（CFRP）被用于此目的。

碳纤维复合材料在纤维方向上有非常低的热膨胀性。

图2-2 用于检测的电容式测量探头和装图2-3 一种五轴机床热变形伸缩双球杆测量装置有主球的主轴的轴向膨胀的测量设置形变传感器，应变仪和殷钢材料的杆被用于测量机床框架（图2-4）的热变形。

机床框架的变形被用来确定TCP位移。

图2-4 对加工中心使用触发式探头测量一个移动的直线轴的热变形1：机床平台，2：机床主轴，3：触发式探头，4：探测点（共12个）标准中所描述的测量程序是在无负载或精加工条件用于机床的。

模拟工件的影响力的时候会给机床工作台装一个压块。

用液压制动模拟来自切割工艺的反应转矩时，主轴加载如图2-5所示。

负载的大小取决于油的压力并且通过手动调节控制。

一件装双球吧（LDBB）用于评估负载条件下机床的静态行为。

温度在时间和空间上的变化引起的机器的错误可以由温度不变的参考对象或独立长度测量的实验确定。

方法和程序在这里面说明了。

基于多点的新测量技术使在线修正专用机床的运动得以实现。

例如在PTB利用一套高精度跟踪激光干涉仪开发的测量三维位置的m3d3系统。

先进的测试程序允许在一个几乎无阿贝误差的模式下估计TCP位置误差。

温度，空气压力和环境湿度引起的影响可通过Ciddor式激光测量系统进行校正。

各个数值是从一组分布于测量体内的传感器获得的。

温度，压力，和必要的校正湿度图的计算可以按照克里格方法。

图2-5 测量在单位应力负载下的热畸变（模拟力和液压泵）独立的纠正热误差的可能性，当一个进程的质量应进行量化时确定测量不确定度是很重要的。

两种常见的方法是可用的。

一种方法是使用校准的文物，如球或孔板，另一种方法是在虚拟坐标测量机（VCMM）上使用数值模拟技术，第二种方法主要应用于笛卡儿坐标系的机械。

2.1.1 体积定位误差的测量有几个测量系统可用于机床的体积校正，如几何标准，激光干涉仪，和重力测量系统。

如果要测量空间定位精确的热影响，校准程序必须在不同温度水平下重复。

测量过程中，机床的温度应足够稳定。

因此，测量时间变得很重要。

在过去的几年已成功地应用于制造业的一种创新的解决机床的快速容量校准的方案，是使用多点跟踪干涉仪的机床校准（TI）。

这种方法是基于测量Ti和固定在机床的刀架上并沿着一个预定的路径运动的反射器之间的位移。

这种误差参数是根据名义和测量长度之间的差别计算出来的，考虑适应机器模型。

校准的结果可以被用来生成一个几何误差的实时补偿的查找表。

该标定方法可以显著的加快测量。

测量一个1m3工作容积的时间可以减少到小于1小时，一个刀具长度。

使用一个四误差跟踪干涉仪对一个处于大致恒定的温度水平状态的机床的连续校准的快速测定，大约1小时。

因此，在不同温度水平下校准机床和使用这些信息对温度变化进行体积补偿是可能的。

2.1.2 测量局部位移矢量类似体积校准，有几种测量系统可用于测量位移矢量，如几何标准，三维文物，触发式探头，或双球吧。

体积误差的连续校准（例如，使用三维文物，或跟踪干涉仪）使快速测量一个定义在恒定温度状态下的机床成为可能。