机床热力学研究现况数控机床中之热变形是影响加工精度的重要因素,在精密加工和大型零件加工中,由于热变形引起的误差极大。

因此,研究和探讨数控机床的热变形,对提高机床的加工精度有着极其重要意义。

由于数控机床工作时,会受到多种热源的影响,包括：机械动力源(如主轴电机、进给电机等)能量损耗转化为的热量;传动部件(如轴承副、导轨副等)产生的摩擦热;刀具切削加工时产生的切削热;室温变化、阳光照射等引起的环境热,机床工作时始终处于内、外热源的作用下,而且这些热源从根本上说都是非恒定的,由于加工条件不同,变化的程度也不相同; 机床各零部件的材料、形状、结构各不相同, 各自的热惯性也不相同,再加上连接件之间结合面的热阻、机床表面不尽相同的传热状况等因素,从而形成了不同的温度场。

这使得机床各部件之间的相对位置发生了变化,破坏了机床原有的精度,加快了运动件的磨损,从而造成工件的加工误差。

1数控机床的发展过程从20世纪40年代以来，汽车与飞机的制造工业发展迅速，原来的加工设备已无法达到航空工业之需求的复杂外形零件，数控技术是为了解决复杂形面而应运而生，1948年，美国帕森斯（Parsons）公司在研制加工检验直升机叶片轮廓的样板的机床时，首先提出使用电子计算机控制机床来加工样板的设想，之后帕森斯（Parsons）公司又与麻省理工学院（MIT）伺服机构研究所合作进行研制工作，1952年试制成功第一台三坐标立式数控机床，并于1955年进入实用阶段，这促进了美国飞机制造业的发展。

1952年美国将计算机技术应用到机床上，所以诞生了第一台数控机床，而近半个世纪以来，数控机床迅速发展，一下为其发展过程。

（1）数控阶段（1952年-1970年）早期计算机的运算速度慢，所以不能适应机床实时控制的要求，人们不得不采用数字逻辑电路制成一台机床专用计算机作为数控系统，这被称为硬件链接数控（HARD-WIRED NC），简称为数控（NC）。

这个阶段可分为三代，分别为1952年的第一代-电子管数控机床;1959年的第二代-晶体管数控机床；1965年的第三代-集成电路的数控机床。

（2）计算机数控（CNC）阶段（1970年-现在）直到1970年，通用小型计算机业已出现并成批出产，这比逻辑电路专用计算机成本低、可靠性高，所以从此进入计算机数控阶段，1974年，微处理机被应用于数控系统，到了1990年，PC机的性能以发展到很高的阶段，可满足作为数控系统核心部分的要求，而且价格便宜，可靠性高，数控系统从此进入了基予PC 的阶段。

这个阶段也分为三代，分别为1970年的第四代-小型计算机数控机床；1974年的第五代-微型计算机数控机床；1990年的第四代-基于PC的数控机床。

2机床热力学研究现况综述了数控机床热误差模型的研究现状,从热误差模型的类型、优化模型变量建模、综合误差模型、在线热误差模型等方面将已有模型加以分类并进行分析。

对机床热变形的理论研究始于20 世纪60 年代,并陆续发表了一些有关机床热变形理论方面的文章。

开始阶段是利用热工学理论知识研究机床热变形问题,初步建立了温度场与热变形之间的定性关系。

直到70 年代初,由于计算机等分析工具和远红外热像仪、激光全息照相等测试技术在热变形研究中的有效应用,使机床热变形研究进入了定量分析的新阶段,开始利用有限差分法和有限元法计算复杂的机床基础件的瞬态、稳态温度场和热变形。

目前,已开发出适于计算各种复杂模型的通用有限元分析软件(如ANSYS、Nastran 等) ,它们已成为计算机辅助工程(CAE) 的一部分,正向着计算机辅助制造(CAM) 的方向发展。

国内外学者在数控机床热误差建模方面进行了许多深入的探索和尝试,以有限元为基础,从数值分析和智能控制等诸多方面提出了一些新设想、新方法,并且在实际数控机床上进行了测试和检验,从而推动了研究的发展。

因为引起数控机床热变形的因素是多方面的,且各个因素之间并不是孤立的,而是相互联系的。

因此在解决问题时,应全面综合考虑、几种措施并举,才能有效控制机床的热变形。

2.1国内外研究现状在国内，从事机床误差补偿技术研究的有浙江大学、天津大学、华中科技大学、清华大学、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学、东南大学、上海交通大学、台湾的国立台湾大学、台湾的中山科学研究院等。

而在国外，从事机床误差补偿技术比较有影响的有美国的密西根大学、国家标准和技术研究所、辛辛那提大学、日本的东京大学、德国的阿亨大学、柏林的工业大学等，人们对机床热变形影响加工精度的问题发现得较晚。

1933年瑞士对坐标镗床热变形进行了测量和研究[1]，发现了坐标镗床热变形影响定位精度。

60年代中期以前，日、美、苏、联邦德国等国家对机床热变形的实验研究还仅局限于各类机床实验阶段，并局限于定性分析。

随着宇航技术及微电子技术的发展和机械加工日益精密化、自动化、高效化，机床热变形对加工精度的影响逐渐引起了注意。

60年代以后电子计算机的应用、有限元法计算技术的推广、新测试手段的出现，使热变形的研究开始进入了定量分析阶段。

美国的Bernd Bossmanns和Jay F. Tu等人[2,3]运用有限差分法，建立了一个高速电主轴的发热、热传递、表面换热的模型，并与某型电主轴上的测量结果进行了对比。

Chi-Wei Lin、Jay F Tu和Joe Kamman等[4]建立了高速主轴的热-结构耦合动力模型，考虑热膨胀时对轴承预紧力、轴承刚度的影响，并给出了与实验结果的对比以及灵敏度分析结果。

Hongqi Li和Yung C Shin[5]运用有限元法建立了一个更为复杂条件下的高速主轴热-结构耦合动力模型。

他们将主轴的动态性能与轴承的发热、整个系统的热膨胀耦合在一起考虑。

Hongqi Li和Yung C Shin[6]还讨论了轴承的布置形式对主轴热-动态性能的影响。

广东工业大学的黄晓明、张伯霖等[7]对高速电主轴的发热、热传递、换热系数、温度分布等进行了较全面的研究，提出了一些对降低温升，改善温度场分布等有益的建议。

韩国Kwang-Ju理工大学机械工程学院的Sun-Min Kim, Jae-Hoon Ha, Sung-Ho Jeong,Sun-Kye Lee[8]等人分析了一个轮轴系统，通过改变结合面的螺栓预紧力、结合面锥度以及结合面面积等因素系统分析了以上参数对结构动力学特性的影响，将结合面用一组弹簧来代替，其他结构用集中质量法建模，以低阶模态特性为指标定量给出了它们之间的关系。

波兰皇家工学院机床与产品工程系的Franciszek Orynski,Witold Pawlowski[9]从理论方面来推导了切削系统的动力学特性。

文章给出了水静压轴承的主轴模型，在此模型上定量研究了强迫振动对磨削切削性能的影响。

据阿亨大学H Brauning分析：现代机床加工工件的制造误差中，由热变形引起的误差比例高达50％；英国伯明翰大学J Peckenik的调查表明：精密加工中由热变形引起的加工制造误差所占的比例未40％～70％[10]；对结合面接触热阻的研究，国外从六十年代就开始了，并提出了短圆柱模型、圆盘接触模型、圆锥体模型、圆环形模型等。

但是一直都没有建立起对所有结合面情况都适用的接触热阻模型，也没有比较可信的实验测量方法。

九十年代初，随着分形理论的发展，美国的A Majumdar和B Bhushan等人用分形理论建立了粗糙表面的接触模型[11]。

由此，许多人用这个模型开始对接触热阻进行研究。

A Majumdar和C L Tien[12]建立了接触热阻的分形网络模型，并与以往研究者建立的接触热阻模型进行了对比，显示出了较好的准确性。

我国在50年代就开始了机床热变形研究，当时的大连工学院对一台内圆磨床作改进的时候为了努力提高精度，他们对一批零件尺寸做了统计分析，发现总趋势是一指数曲线，零件的尺寸在曲线附近波动。

第一个零件于最后一个零件尺寸相差40微米。

通过分析他们发现打砂轮的架子随加工时间增长不断后退，产生此现象的最重要原因是机床的热变形。

在五十年代末我国组织了精密机床会议，很多单位进行了热变形的研究。

七十年代后期有关机械制造中传热与热变形的课程在不少高校先后展开。

1984年正式成立了全国机床热变形研究会，标志我国机床热变形的研究和学术活动进入了新的阶段[13]。

浙江工业大学机电工程学院的王金生、翁泽宇等人利用有限元法对XK717型的数控铣床进行了整机的热特性分析。

在对铣床边界条件分析的基础上，对整机的温度场以及变形场进行了细致的分析，得出了冷却水的流量和预紧力对主轴轴承温升的影响规律，从而为铣床的设计提供了理论依据[14]。

美国的Bernd Bossmanns和Jay F. Tu等人运用有限差分法，建立了一个高速电主轴的发热、热传递、表面换热的模型，并与某型电主轴上的测量结果进行了对比[15-16]。

Chi-Wei Lin、Jay F Tu和Joe Kamman等建立了高速主轴的热-结构耦合动力模型，考虑热膨胀时对轴承预紧力、轴承刚度的影响，并给出了与实验结果的对比以及灵敏度分析结果[17]。

关于电主轴热分析，北京工业大学张立燕在对数控机床的热分析的基础上采用基于神经网络的热补偿技术，提出了利用压电陶瓷制作微位移执行器以带动工件实现误差补偿的观点。

除了这个观点，其研究中还提出了先进的神经网络理论，建立了数控机床热误差补偿神经网络模型[18]。

这对于如何在分析的基础上进一步控制热变起了重大作用。

热弹性模型是工程中广泛采用的热结构分析模型。

文[19-23]系统地介绍结构热响应分析的研究工作。

内容包括一维、二维、三维弹性体和板壳结构的热应力、热屈曲和热振动的分析问题。

近年来，随着人们对高胜能、高效率和高动力结构部件的要求不断提高，结构的热效应作用日益显著，热结构分析的研究工作受到了广泛关注，研究内容涉及的领域不断扩大。

Tauchert[24]综述了板的热变形、热屈曲和热振动的解析解研究工作。

美国的密西根大学在1997年成功的将误差补偿技术实施于美国通用(GM)公司下属一家离合器制造厂的100多台车削加工中心上，使加工精度提高一倍以上。

美国密西根大学还与美国SMS 公司在1996年共同研制和开发了集热误差、几何误差和切削力误差为一体的误差补偿系统，并成功地实施于该公司生产的双主轴数控车床上[25]。

密西根大学的JunNi等运用动态的神经网络工IRNN(工Integrated ReCurrent Neural Network)来建立非线性的热误差模型，并与基于多元回归分析、多层前馈网络和RNN网络建立的热误差模型进行比较，结果表明工RNN网络具有较好的鲁棒性[26-27]。

密西根大学的HongYang等提出了基于Kalman滤波参量估计的动态自回归模型，此模型可以根据在不同的工况下自适应修正模型参数，来预测热误差，极大的提高了模型的鲁棒性[28]。