数控机床热误差补偿技术的发展状况

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1、数控机床热误差补偿技术的发展状况DevelopmentofThermalErrorCompensationTechnologyforNCMachineTool浙江大学流体传动及控制国家重点实验室傅建中姚鑫骅贺永沈洪圭傅建中浙江大学机械工程学系教授、博士生导师。浙江大学现代制造工程研究所副所长．浙江省重大机电装备专项专家组成员。多年来一直从事机械装备设计及制造自动化方面的教学与科研工作。主持和完成国家，省部级和企业科研项目20余项，发表学术论文80余篇．获国家发明专利5项。主要研究方向：数控机床及数控技术．热误差补偿与控制。精密数控机床的热变形误差、结构几何误差、承载变形误差及伺服跟踪误差

2、已成为影响系统加工精度稳定性的关键因素。特别是近年来随着高速加工技术的推广和应用，高速数控机床的主轴速度和进给速度64航空制造技术·2010年第4期热变形误差补偿是提高精密数控机床加工精度的关键技术之一。热误差补偿控制设备已成为现代高档数控机床必备的智能模块。成倍提高，使机床结构的热变形和位置控制的跟踪误差随之增大。大量研究表明，热误差是数控机床等精密加工机械的最大误差源，占总误差的40％一70％左右Ilj。由于数控机床在工作中不可避免地要发热，特别是由于其内部热源多，在传热和散热时温度梯度变化，切削液、环境温度影响，由间隙、摩擦等引起的热滞现象，以及接触面复杂热应力引起的变形等，以上因

3、素导致热误差表现为时滞、时变、多方向耦合及综合非线性特征，增加了用数学模型描述热误差的复杂性及误差补偿的不确定性。因此，国内外在数控机床热误差补偿与控制方面进行了大量研究，近年来国外取得了较大进展，有些技术已应用于高速高精度数控机床。国内外研究概况目前，数控机床热变形控制一般从热误差的在线间接补偿和优化机床结构入手，并已成为国内外学者的研究热点口。3】。在热误差补偿方面，美国密歇根大学取得了令人瞩目的成果[4-510他们应用热误差补偿技术，使美国通用(GM)公司下属一家离合器制造厂的100多台车削加工中心的加工精度提高了一倍以上，并使加工波音飞机机翼的巨型龙门加工中心的加工精度提高了10

4、倍。加拿大McGillUniversity发表了系列论文，提出了一种优化机床热变形实时补偿的新方法——通用模型法和S域IHCP法来求解机床热变形，解决了经验模型中补偿函数相对于位移函数、位移函数相对于温度分布函数均需要离线调整的缺点，而且求解效率高16】。日本东京大学根据智能制造新概念已开发了由热致位移主动补偿热误差的新结构，并在智能高速加工中心上予以实现川。韩国学者研究了综合主轴热误差和进给系统热误差的数控机床实时补偿系统【8】。德国Aachen大学在热结构优化设计和热误差补偿方面也做了大量的研究工作‘叭。日本MAKINO公司使用中空滚珠丝杠新结构，以温度补偿系统，使冷却油通过滚珠丝杠

5、中孔，实现滚珠丝杠工作过程热变形控制。2003年瑞士Mikron公司开发出智能热补偿系统(ITC)模块，配置了ITC的机床能自动处理温度变化造成的误差。智能热补偿系统的优点是能够提高加工精度，缩短加工时间。与其他同类机床相比。可节省15。25min的机床预热时间，而且进行超精密加工所需要的热稳定时间也明显缩短。近年来，日本OKUMA公司独创了“热亲和概念”，这是一种新的构思。国内多家机构也展开了热变形控制技术研究。上海交通大学在热误差鲁棒建模技术、热误差补偿模型在线修正方面取得多项成果“叫11。北京机床研究所研制了智能补偿功能板，实现机床热误差、运动误差和承载变形误差的自动补偿并对数控机

6、床误差的综合动态补偿技术进行深入的研究02J0浙江大学在离散化固体热系统基础上，提出了热模态分析理论和热敏感点理论It3。ls]为机床温度测点的选取和热误差建模提供了依据；近年来又开展了奇异值分解识别机床热态特性1161机床热误差主动热校正及参数遗传优化t171、热误差模糊神经网络建模的研究【I卅，开始把人工智能技术应用于机床加工误差补偿中。同时，提出了相变材料复合恒温构件的新结构，将相变材料注入到机床基础件中，根据相变材料在发生相变时吸收或放出能量而温度保持不变的特性，可在一定范围内消除基础件热变形It91。天津大学在基于多体理论模型的加工中心热误差补偿技术㈣、基于主轴转速的机床热误差

7、状态方程模型12lJ、数控机床的位置误差补偿模型建立倒等方面开展了深入研究。华中科技大学提出了一种基于神经网络辨识影响机床热误差关键点的新方法123]o清华大学提出了一种基于自组织原理的主轴热误差补偿策略，它只需根据对主轴热倾斜状态的定性测量结果即可进行定量误差补偿例。北京机械T业学院提出了神经网络补偿机床热变形误差的机器学习技术㈣。台湾的国立台湾大学和台中精机公司合作进行了“高精度工具机热变形补偿控制技术”的研发，对误差补偿单板电