毕业设计（论文）高精密数控机床热变形及其补偿技术.doc

目录摘要1Abstract20 文献综述30.1 提高机床加工精度有两种基本方法30.2 热误差补偿的最新发展41 引言42 高速精密数控技术72.1 国外高速精密技术的发展82.2 我国高速精密数控技术现状92.3 我国与国外发达国家的差距102.4 高速精密数控技术的不足113 高速精密数控技术热变形113.1 数控机床热变形的产生原因113.2 热变形对生产的影响124 减小机床热变形的控制措施135机床自身结构的优化155.1 采用高速电主轴装置155.1.1 高速电主轴的热源分析及冷却165.2滚珠丝杆螺母副175.2.1 滚珠丝杆螺母副的结构175.2.2 滚珠丝杆螺母副的热变形控制185.3 进给导轨的改进185.3.1 注塑导轨185.3.2 滚动导轨195.3.3 静压导轨205.4 机床的改进结构布局图206 热变形影响的误差检测与补偿216.1 机床型号及参数21 6.2 温度的测量及选择测温点226.3 热误差补偿模型的建立236.3.1多元线性回归246.3.2 补偿模型的建立256.3.3 测量数据及分析256.4 热误差补偿的执行286.4.1补偿结果297 结语30参考文献30致谢30高速精密数控车床热变形误差及其补偿技术摘要：高精密数控机床以其显著的加工优势和无法替代的先进性，逐渐成为当今加工方式的主流，本文简单介绍了高精密数控机床的发展过程，以及国内与国外的差距。同时热变形误差是影响机床加工精度的重要因素之一，通过误差补偿的方法可以提高机床的加工精度。分析了高精密数控机床加工热变形的产生原因，以及一些减少机床热变形的方法。从机床自身结构为出发点，优化车身结构，减小机床热变形。以惠州市博赛数控机床有限公司声场J1MT360机床为例，通过建立数学模型，利用多元线形回归方法建立了机床热变形与温升之间的数学模型。在机床自身补偿系统的作用下，在加工过程中对机床进行实时补偿。关键词：高速精密数控车床；热变形；误差补偿；多元线性回归High speed precision CNC lathe thermal deformation errors and compensation technologyAbstract: high precision CNC machine with its remarkable processing advantages and irreplaceable sophistication, gradually become the mainstream of the current processing method, this article simply introduces the development of high precision CNC machine process and the domestic and foreign gap. Meanwhile thermal deformation errors affect machining precision is one of the important factors, through the error compensation method can improve the machining precision of the machine. High precision CNC machine analyzed the causes of the thermal deformation processing, and some reduce machine thermal deformation of reason. From the machine itself as a starting point, optimize the structure of body structure, reduce machine thermal deformation. In huizhou boosay CNC machine tool Co., LTD. For example, J1MT360 machine acoustic by establishing mathematics model, using multivariate linear regression method to establish the machine thermal deformation and the mathematical model between temperature. The machine itself, under the action of compensation system for machine tools in the machining process real-time compensation.Keywords: high speed precision CNC lathe; thermal deformation; error compensation; multivariate linear regression0 文献综述0.1 提高机床加工精度有两种基本方法高精密和超精密加工技术是指采用超硬材料的刃具，通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。随着制造业技术的发展与广泛应用，以前的制造方法已经不能满足人们的生产需求，高速、高精度、高效率已经成为了现在机械制造行业的主要。随着高精密数控机床的发展，计算机集成制造（CIM）、工厂自动化（FM）等重要基础技术的发展，对机床在加工过程中对各种误差的自动监控和自动补偿问题提出了新的要求。而机床的主轴热变形、进给系统的误差是影响工件加工精度的最大影响因素。通过研究发现，机床热变形产生的加工误差，是高精密数控技术在加工过程中产生误差的主要来源。为了提高工件精度，减小机床受损，减小热误差对机床的影响在现代加工技术中具有重要意义。目前提高机床加工精度主要从两方面进行，一是在误差产生以前采取一些措施，预防误差的产生；二是在误差产生并检测到之后，通过软件或者硬件条件对误差进行实施补偿，从而削减其对加工精度的影响。采取一些措施，预防误差的产生主要从机床自身以及加工的外部条件着手。在机床方面，通过改变机床自身结构的布局，改进刀具的结构使其适应高速加工条件的进行，提高进给系统的精度，防止工件走位误差的产生等；对于加工的外部条件，可以将机床放在恒温车间，在加工前进行加工“预热”，对数控机床进行空转，待机床自身达到运转热平衡时在对工件进行加工等。误差的提前预防具有一定的局限性，对机床自身的改进也是一个浩大的工程，而对外部环境的控制则更难进行。误差的提前预防从经济上来说是比较昂贵的，但是从长远发展来看，如果提前预防得以实现，对于降低生产成本，提高加工精度以及生产效率都有很大作用，因此对于误差的提前预防的研究，各国学者从来没有放弃过。而通过对加工过程的检测，对发现的加工误差进行实时补偿，这对加工过程是势在必行。误差是无处不在的，无论机床的制造精度有多高，加工温度控制的多好，但是加工过程产生的切削热等是不可控，也无法进行预先检测的，为了消除这些加工前无法检测的因素对精工精度的影响，通过利用传感器布置在热源易产生的地方，对温度进行检测，在发现误差时，即使的将数据反馈给CNC控制系统，在通过执行装置对刀具的进给走向进行控制，从而最大程度上削减加工误差。随着制造技术的高速发展，对高精密数控技术的加工精度又提出了新的挑战。所以在各国，对于高精密数控机床补偿技术的研究一直都没有停止过，甚至还建立起了联盟，共享最新的研究成果。0.2 热误差补偿的最新发展在现在，热误差补偿技术有很多，发展也很快速。最新的补偿技术有以下几种：1）测量技术与数控设备相结合的技术数控设备的主要误差来源可分为几何误差和热误差。对于重复出现的系统误差，可采用软件修正；对于随机误差较大的情况，必须使用实时校正的方法。对于热误差，通常是通过温度测量获得一定的数值，在进行数据分析处理并进行修正。我国在机床领域市场低下的同时大量进口国外设备，主要原因就是因为在误差修正方面的技术还不够先进，准确度不够。为此，需要将更先进的检测技术与数控机床的控制装置相联系起来，以适应误差检测和几何误差测量的需要。最终将测量结果等数据同步输入计算机，在通过机床控制终端进行补偿处理。（2）综合运用多种技术相结合的在线检测技术综合运用图像、频谱、光谱、光纤以及其他光与物质的传感器具有相互作用原理的非接触式、灵敏度高、灵活性高，应用范围广的优点。在这一领域的综合创新十分广泛,如振动、粗糙度、污染物、含水率、加工尺寸及相互位置的测量。（3）配合信息产业和生产科学的技术创新以开放的环境为生存空间,没有自主创新技术是没有出路的。所以应根据有专利,有技术含量,有市场等原则选择一些项目支持。根据目前的发展情况，信息、生命医学、环境保护、农业和其他领域需要的产品应该优先考虑的支持。如医疗介入精密仪器设备、电子工业领域内的超分辨率光蚀刻法和清洗方法和机理研究等。1 引言制造业是指对制造资源（物料、能源、设备、工具、资金、技术、信息和人力等），按照市场要求，通过制造过程，转化为可供人们使用和利用的工业品与生活消费品的行业，包括扣除采掘业、公用业后的所有30个行业。目前，作为我国国民经济的支柱产业, 制造业是我国经济增长的主导部门和经济转型的基础；作为经济社会发展的重要依托, 制造业是我国城镇就业的主要渠道和国际竞争力的集中体现。制造业直接体现了一个国家的生产力水平，是区别发展中国家和发达国家的重要因素。影响其发展速度最主要的因素是技术的推动和市场的牵引。今天,在高新技术产业为龙头,以智力资源为主要依靠知识经济条件下,制造业发生着革命性的变化、制造技术也在不断的提高。在制造技术,随着信息技术的发展,一方面,提出了一种基于数控加工自动化技术；另一方面,在加工技术和加工方法也发展出许多新工艺、新技术,更典型有高速加工技术,精密与超精密加工技术、高能束加工技术和虚拟制造技术等。过去的几十年时间在机械加工工艺、研究与开发,主要着眼于减少加工的辅助时间。并在此基础上对数控加工自动化技术,是最重要的现代制造技术是一种成就。数控技术是综合了计算机、自动控制、电机、电气传动、测量、监控、机械制造等学科领域成果而形成的一门技术。在现代制造领域中，数控技术已成为核心技术之一。机床数控技术由机床本体、数控系统和外围技术组成。其组成部分如图1所示： 图1 机床数控技术的组成Figure 1 the composition of machine tool CNC technology数控技术是一种高效、新型的自动化机床，在航天、航空、船舶、电子、汽车模具等被广泛运用在工业。随着自动控制理论、电子技术、计算机技术、精密测量技术和机械制造技术的进一步发展,数控技术的高速、高精度、智能化、网络化、可靠性高等优点的方向迅速发展。随着数控机床的普及应用，机械加工的自动化程度大大提高。加工自动化技术在提高生产率的同时，也大大提高了产品质量，使企业获得显著效益。图2所示为近三十年来零件加工切削时间和辅助时间的变化情况。图2 零件加工切削时间和辅助时间的变化情况Figure 2 parts processing cutting time and auxiliary time variations由上可见，19601980年，由于数控机床及加工中心的大力发展，零件加工的辅助时间迅速下降；加工零件的辅助时间大幅度降低，在机械零件加工的总工时中，切削所占用的时间比例就变得越来越大。因此，要想进一步提高机床的生产率，除了优化生产工艺外，只有大幅度削减切削工时，才有可能在提高机床生产率的方面出现又一次质的飞跃。降低切削工时就意味着要提高切削速度，包括提高主轴转速和进给速度。这就是近几十年来高速精密数控技术得以迅速发展的历史背景。 而20世纪70年代以来，由于高速切削技术的逐渐推广应用，零件加工中的切削工时开始呈现大幅度的下降。由于高速精密数控技术的生产率高、高进给切削速度、精度高、质量稳定、适应性广、劳动条件好、利于现代化管理等优点，其逐步成为当今加工技术的主流。2 高速精密数控技术顾名思义，高速精密数控技术是通过高性能的数控机床，以几倍甚至几十倍的加工速度来实现对工件加工精度、效率的提高,最终达到提高生产效率的目的。一般来说,高速精密加工包括三个方面:一是精度高的意义，精密加工是指加工精度达到0.1um，表面粗糙度为Ra0.10.01um的加工技术,它包括微细加工、超微细加工、光整加工和深加工处理技术；二高主轴转速,一般来说,主轴转速至少在12000r /分钟,最高可达每分钟大约60000 r /分钟；三高速度、进给速度每分钟一般几米甚至几十米，或者更高。高速精密数控加工技术由于具有明显的加工优势和不可替代的先进性，近几年在加工领域收到了广泛的青睐。因为高强度、高熔点的刀具材料和电主轴以及静默导轨等一些先进装置的研制成功,再加上高速进给直线电机伺服驱动系统的应用和其他相关技术的不断改善与应用,这些条件的存在，为高速切削技术的发展创造了良好的条件。现在,高精密数控技术已经进入工业应用阶段，在制造业开始得到广泛赞誉。高速精密机床的单元技术和整机水平正在逐步提高。技术基础雄厚的机床厂推出了多种高速、高精度的机床产品，并且在航天航空制造、汽车工业和模具设计、轻工业制造等重要工业领域创造了惊人的效益。高速精密切削技术和高速精密数控加工机床越来越多地受到制造部门的青睐，在购买数控机床时，高速性能已成为机床的一个重要的指标。2.1 国外高速精密技术的发展国外的高速精密切削技术的发展起源可追溯到20世纪20年代结束。当时德国的卡尔萨洛蒙博士进行了一个超高速仿真实验。1931年4月出版的著名的超高速切削理论,提出了高速切削的假说。萨洛蒙指出在传统的切削速度、切削温度范围为切削速度的增大而提高。对于每一种工件材料,存在一个速度范围,在这转速范围内,因为温度过高,任何切割工具都无法承受,切削加工是不可能的。但是,当切削速度的增加,比转速范围内,切削温度会下降。与此同时,切削力会急剧下降。根据他的假设,在某些地区的速度高速切削加工时,会有相对较低的温度和更小的切削的切削力,不仅有可能使用现成的工具对于超高速切削,从而大大减少了加工时间,提高生产率,但成倍的机床切削过程也将带来一系列的加工缺陷。美国于1960年开始进行了一项冠以超高速切削的理论性试验。（该试验将刀具装在高射炮里，通过炮弹的弹射能力，将刀具射向工件进行测量）通过这次测试我们发现,在超高速切削条件下,切屑的形成过程与普通切削是有所不同的不同。随着切削速度的不断提高，一些塑性材料切屑形态就在带状或片状到碎屑这几种形态之间不断变化。当单位切削力上升时,切削阻力有可能会急剧下降,这些现象说明,在高速切削条件下,切削加工的切削原理将会发生质的改变,切削过程所产生的阻力会开始削减下来,在一定条件下，会比传统加工更加轻快与轻松。根据萨洛蒙的理论,美国空军和洛克希德航空公司为轻合金材料首先研究了超高速铣削加工。1979年,美国国防高技术研究机构(DARPA)推出了“先进的加工研究项目”,研究切削速度的速度比塑料波的高速精密切割,为加速切除金属材料提供了科学依据。经过4年的研究,取得了重大成就。研究表明:随着切削速度的增加,切削力下降,加工表面质量得到提高。刀具的磨损主要取决于刀具材料的导热系数,并确定最佳的切削速度范围铝合金是1500 -4500米/分钟。在德国，该国家的研究技术发展部于1984年在达姆施塔特工业大学组织了生产工程与机床研究所（PTW）为首的、多家公司参加的两项联合研究计划，进行了全面而系统的研究超高速切削机床、工具、控制系统和相关技术,分别对各种工件材料铸铁、特种合金、铝合金、铜合金LvMei合金的铸造、塑料等和纤维增强了超高速切削性能作进一步的研究和试验,取得了国际公认的高水平研究成果,并广泛应用于德国工厂,为德国创造了巨大的经济价值。Japan在上个世纪六十年代初期，开始了对超高速精密切削机理的研究。日本研究人员发现在超高速精密切割,大多数的切削热、工件切屑产生的热量被快速带走、基本保持冷态，整个加工过程产生的热量要比比常规切削产生的热量多很多。日本工业界善于吸收各国的研究成果并及时的应用到新产品开发中去，尤其是超高速切削精密机床的研究和开发方面后来居上，现已经跃居世界领先地位。进入20世纪90年代以来，以松浦、牧野、马扎克和新泻铁工等公司为代表的一批机床制造厂，陆续向市场上推出了不少超高速精密数控加工中心和精密数控铣床，日本厂商现已成为世界上超高速精密数控机床的主要提供者。与此同时，法国、瑞士、英国、前苏联、意大利和澳大利亚等国在超高速精密数控方面也做了不少工作。高速精密数控技术的发展和应用，受到了学术界和工业界的极大重视。1995年和1996年的国际生产工程研究学会（CIRP）学精密加工的专题学术讨论会广泛交流高速精密加工技术领域的研究和应用成果，探讨存在的问题及解决办法。2.2 我国高速精密数控技术现状相比国外工业发达国家的高速精密数控技术发展，我国起步较晚，竞争力处于明显的劣势，因此推广及发展高精密加工技术显得刻不容缓。1994年，中国机床工具工业协会组织考察工作组，赴美、日考察高速精密数控机床的发展和应用情况。回国后发表了考察报告，报告比较系统的向国内机床界介绍了国外高速切削技术和高速数控机床的发展状况。文章针对高速精密切削理论、适用领域以及实现高速精密数控的关键技术，包括高速电主轴、高速直线电动机进给系统、刀具的材料和系统，以及高速数控机床的其他技术做了详细的比较和叙述。考察报告引起了国内业内人士的重视。报告指出，高速精密数控机床比之一般的数控机床，在内涵上已有了质的变化，并称高速数控机床为“下一代新机床”。文章认为，高速数控机床的成功应用，将促使所有的工业部门重新评价传统的金属切削技术。同时指出，高速切削和高速数控机床的成功应用，是长期应用基础研究的结果，是一大批科研成果商品化的产物，希望我国也加强和重视这方面的基础研究理论研究，增加技术储备，在高速精密切削技术的发展应用中作出我们的一份贡献。在上个世纪九十年代初,北京理工大学开始研究高速精密切割的基本方法和理论,由于缺少研究设备,丰富的研究并不深入。与此同时,广东工业大学教授ZhangBoLin为首的超高速加工机床实验室,对高速精密切削技术的各方面，以及高速数控机床及主要零部件进行了更深入的理论研究和实验研究,包括提供高转速电主轴、直线电机进给系统技术等。与此同时,应用高速精密数控机床加工技术研究和刀具的研究也开始进行,并且取得了一些成绩在中国的发展,在高速高精度的CNC切削技术应用中扮演着重要的角色。国外高速精密数控切削技术的飞速发展，在强大自身并以高速精密数控机床的迅速产品化打入中国市场的同时，也在刺激着中国高速精密数控机床的研究与发展。目前我国能够生产高速精密数控机床的生产企业已有十几家，大部分已引用技术为主，基本上是高速加工中心。在2001年4月北京举行的第七届中国国际机床展览会（CIMT2001）上，展出了19台国产高速数控加工中心及高速铣。无论数量还是水平上，都远远超出上届。主轴转速1000040000rmin，快移速度3060mmin，加速度0.5g1g，换刀时间（TT）1.52s左右。其中南京四开公司展出了一台X轴采用直线电动机驱动的数控车床，现场演示了高速加工一种钎具的非圆截面异型螺纹，其中工作台的最大加速度达到4g5g，最大进给速度超过了100mmin。总之，我国国产高速精密数控切削机床已开始进入我国制造技术的生产领域。据估计，已经有近约100台高速精密数控机床在使用中，主要分布在航天、航空、汽车、摩托车、模具、仪器仪表等行业。2.3 我国与国外发达国家的差距虽然我国高速精密数控切削机床已开始进入我国制造技术的生产领域，但由于我国工业起步晚，受于国力的限制，我国在这些方面同国外发达国家相比还有着一段不小的差距。近年来国产精密数控机床的开发取得了很大的进步，但与国外产品相比较，国产的精密数控机床无论是性能、品种和质量都有较大差距，所以目前国产的高转速、高精度数控机床和加工中心，仍然主要从国外进口。在中、高端数控机床电主轴市场上，由于国内起步太晚，再加上前几年我国的国情所致，未能引起国家以及企业的足够的重视。随着数控机床电主轴的在国外的普及，等我国开始发展时，国外各发达国家的技术已经大大领先于我国的技术，再加上发达国家对我国在这方面实行技术封锁，设置了大量的技术障碍。如，在我们购买外国的先进机床或者电机的时候，国外厂商要求必须购买其开发的机床CNC系统，否则不对我们开放其数据接口，如果只用模拟量与编码器对接，有可能导致最终加工控制的不准确性。而对于一些高精度、结构复杂化的电主轴，以我国目前的技术水平还做不出来。 在编码器方面，高端电主轴技术,是国内还没有掌握的技术,需要使用光学编码器磁编码器。据了解,国内企业还没有出现可使用的实际磁编码器。国内企业必须用进口,但不能和国外数控系统界面相连接,只有实现模拟控制的,比如刚性攻丝却不能。因此,在使用国产电主轴,受到限制,难以推广。目前,洛阳轴研科技公司实际产品数量高端电主轴,数量也比较少。在高速精密轴承上，国内轴承的可靠性和国外有差距,由于原材料的质量问题,引起的轴承质量不稳定。国内电机设计技术低下与偏保守,同时国内电主轴体积也比国外的电主轴要大。       2.4 高速精密数控技术的不足在制造行业中，高速精密数控技术以其显著的加工优势和，在越来越多的机械加工领域起到了重要作用，但由于自身的无法替代性，也制约了其研究与发展，主要表现在一下几个方面：1）、技术的先进性，带来的高成本，使其在短时间内无法得到广泛应用。2）、运转快，带来的高热性，其机床的热变形较一般车床严重。3）、机床的磨损程度较一般机床快，机床使用寿命短。以上这些因素的存在，在很大程度上制约了高速精密数控机床的普及性，而在这些因素中，机床热变形是加工零件尺寸发生变化的主要原因。因此，在这里我们选择机床热变形因素及其补偿技术作为主要研究方向。3 高速精密数控技术热变形3.1 数控机床热变形的产生原因数控机床工作时，会受到多种热源的影响,这些热源主要可以分为两大类: 内热源和外热源。前者来自机床切削过程，包括加工动力源(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；外热源主要是由数控机床工作的外部条件所影响，如室温变化、阳光照射、以及工作人员的操作方法等。机床在工作时的温升并不大，车床一般不超过60 C°, 但由于一般车床都比较大, 因此热变形就相对较大，从而影响产品的加工精度。图3表明了各种热源是如何作用到机床, 从而产生热变形。冷却剂切 削过 程机床运动 件人车 间环 境传导、对流、辐射机床热敏感元件尺寸、形状误差热变形图3 各种热源对机床的作用Figure 3 various heat source of machine role数控机床工作时受到内热源和外热源的的交互影响，而这些内外热源从根本上来说都是非恒定的，由于不同的加工条件下,各零部件的材料、形状、结构等具有不同的变化程度,他们的热惯性也不完全相同,再加上拟合的热阻,机床之间具有不相同的表面传热条件等因素,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。3.2 热变形对生产的影响由于高速精密数控机床在工作时主轴转速高，加工温度高，被加工零件的精度高，所以热变形的存在对工件及机床自身，乃至整个生产过程的进行都有较大的影响，其主要表现在以下几个方面：1）、影响机床自身的加工精度，同时加剧机床运动件的磨损。2）、影响工件的生产精度，工件精度等级达不到，影响后续加工。3）、由于机床的损耗加剧，故增加生产成本。4）、热变形的存在严重影响了生产效率。4 减小机床热变形的控制措施数控机床的各个部件由于环境（各种热源散发的热量传递给机床）的变化，引起温升，产生热膨胀，改变刀具与工件的正确相对位置，影响加工精度。为了保证机床的加工精度，必须减少机床的热变形。常用的措施有如下几种。1）、控制热源和发热量在机床布局时，应减少内部热源，尽量考虑将电机、液压系统等置于机床本体之外。另外，加工过程产生的切削也是一个不可忽视的热源，为了快速排除切削，机床的工作台或主轴常常成倾斜或立式布局，有的还设置自动排削装置，随时将炽热的切削排到机床外。同时，在工作台或导轨上设置隔热防护罩，隔离切削的热量。2）、加强冷却散热对于难以分离出去的热源，可以采取散热。冷却的办法来降低温度，减少热变形。现代精密数控机床，多采用多喷嘴、大流量冷却系统直接喷射切削部位，可迅速的将炽热的切屑带走，使热量排出。为控制冷却液温升，一般采用大容量循环散热或用附加的制冷系统降低温度。3）、改进机床的布局和结构在机床设计时尽量采用热传导对称结构，如龙门式平面磨床，若采用单柱式结构，易产生弯曲变形，而采用双柱式对称结构，由于左右对称，受热后，仅产生垂直方向的平移，其他方向的变形两很小，而垂直方向的轴线移动可以用垂直坐标移动的修正量来补偿。图4 卧式坐标镗床热变形示意图Figure 4 horizontal coordinates boring thermal deformation schemes在进行加工时将精密数控机床主轴的热变形方向与刀具的切入方向垂直，这样，虽然有热变形，但不反映到加工精度上，从而可以使热变形对加工精度的影响降低到最小程度。图5 加工时刀具的切入方向示意图Figure 5 machining tool cut into the direction when diagram此外在结构设计时，应设法使热量比较大的部位的热量向热量小的部位传导和流动，使结构部件的各个部位均匀受热，这也是减少机床热变形的有效措施。4）、采用恒温控制环境在一些超精密的数控车间内，一般装有空调或者其他温度调节装置，并配有车间门帘，保持环境温度的稳定。恒温的精度一般严格控制在±1°C，精密级的为±0.5°C.在恒温环境中，机床的启动时需要足够的启动时间，以使各部件特别是热量较大的支承件达到与环境温度的平衡。在加工某些精密零件时，在不需要切削的时候，仍旧让机床空转，以保持机床的热平衡。此外，精密机床还不应该受到阳光的直接照射，以免引起不均匀的热变形。5）采用热变形补偿装置可以通过预热热变形规律，建立数学模型，并存入CNC系统中，控制输出值进行实时补偿。补偿用的数学模型包括热力学模型、线性回归模型、多元线性回归、有限元模型、神经网络模型和模糊控制模型等。也可以在热变形敏感位置安装相应的传感器元件，实测热变形量，经放大后送CNC系统，来进行实时修正补偿。5 机床自身结构的优化5.1 采用高速电主轴装置在高速精密加工中，采用电主轴装置，可以大幅度提高加工效率，显著体改工件的加工质量，其应用领域非常广泛。目前国内外各著名机床制造商在高速精密数控机床中广泛采用高速电主轴装置，特别是在复合加工车床，多轴连动，多面体加工机床和并联机床中。电主轴是高速精密数控机床的关键部位，其性能指标直接决定机床的水平，它是机床实现高速加工的前提和基本条件。电主轴就是直接将空心的电机转子装在主轴上，定子通过冷却套固定在主轴箱体孔内，形成一个完整的主轴单元，通电后转子直接带动主轴运动。电主轴单元的典型结构布局方式是电机置于主轴前后轴承之间，其优点是主轴单元的轴向尺寸较短，主轴刚度大，功率大，较适合于大中型高速精密数控机床；其不足是在封闭的主轴箱内电机的自然散热条件差，温升比较高。图6是一种电主轴结构：图6 电主轴结构图Figure 6 electric spindle structure5.1.1 高速电主轴的热源分析及冷却电主轴的热源主要来源于两个方面：内置驱动电机的主轴发热和主轴轴承部位的摩擦发热。为此我们必须加以控制，避免由此产生的热变形影响和降低机床的加工精度和主轴轴承的使用年限，从而影响电主轴的经济寿命和价值。电主轴通常采用内藏式主轴结构，但是由于位于主轴部位中的电机无法采用风扇散热，因此再整个加工过程中，该部位的散热条件比较差。电机在实现能量转换的过程中，内部产生功率损耗，从而使电机发热。研究表明，再电机高速运转条件下，有近1/3的电机发热量由电机转子产生，并且转子产生的绝大部分热量都通过转子与定子间的气隙传入定子中；其余2/3的热量产生于电机的定子。所以，对电机产生产生发热的主要解决方法就是对电机定子采用冷却液的循环流动来实行强制冷却。典型的冷却系统是外循环水式冷却装置来冷却电机定子，将电机的热量带走。角接触球轴承的发热主要是滚子与滚到之间的滚动摩擦、高速下所受到的陀螺力矩产生的滑动摩擦以及润滑油的黏性摩擦等产生的。减小轴承的主要措施有以下几种： 适当减小滚珠的直径。减小滚珠直径可以减小离心力和陀螺力矩，从而减小摩擦，减少发热量。 采用新材料。例如，采用陶瓷材料做滚珠，陶瓷球轴承与钢制角接触球轴承相比，在高速回转时，滚珠与滚道间的滚动和滑动摩擦减小，发热量降低。 采用合理的润滑方式。油气和油雾等润滑方式对轴承不但具有润滑作用，还具有一定的冷却作用。5.2滚珠丝杆螺母副5.2.1 滚珠丝杆螺母副的结构在中小型数控机床的进给系统中滚珠丝杆螺母副的应用较为普遍。滚珠丝杆螺母副的工作愿意与普通的丝杆螺母副基本相同，都是利用螺旋面的升角使螺旋运动转变为直线运动，不同的是在普通丝杆螺母副中螺母与丝杆之间为滑动摩擦，而在滚珠丝杆螺母副中，则由于在螺母和丝杆的运动面间填入了滚动体而变成滚动摩擦。因此，滚珠丝杆螺母副的传动比要比普通丝杆副灵敏，而且效率也更高。滚珠丝杆螺母副按整个循环过程中滚珠与丝杆表面的接触情况，可以分为内循环与外循环有两种循环方式。内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杆表面保持接触。见图7：图7 滚珠丝杆螺母副内循环方式结构图Figure 7 ballscrew nut vice inner circulation mode structure外循环方式的滚珠在循环反向时，离开丝杆螺纹滚道，在螺母体内或体外做循环运动，其结构见图8：图8 滚珠丝杆螺母副外循环方式结构图Figure 8 ballscrew nut vice outside cycle way structure5.2.2 滚珠丝杆螺母副的热变形控制滚珠丝杆螺母副在工作时会发热，其温度高于床身。丝杆的热膨胀将导致丝杆导程增大，影响定位精度。为了补偿热膨胀，可以将丝杆预拉伸。预拉伸量应略大于热膨胀量。发热后，热膨胀量由部分预拉伸量抵消，使丝杆内的拉应力下降，而长度则保持基本不变。另外，可以将丝杆制成空心，通入冷却液强行冷却，也可以有效的控制丝杆传动中的热膨胀。目前，国外的空心强冷滚珠丝杆的进给速度已经达到60120m/min，这在一般的滚珠丝杆传动中0是难于达到的。由于螺母的温升也会影响丝杆的进给速度和精度，目前国际上出现了螺母冷凝技术，在螺母内部钻孔，形成冷却循环通道，通入恒温冷却液，进行循环冷却。5.3 进给导轨的改进导轨的质量对机床的刚度、加工精度和使用寿命有很大的影响。高精密数控机床的导轨比普通机床的导轨要求更高，要求其在高速进给时不发生震动，低速时不发生爬行，且灵敏度高，耐磨性好，可在长期重载荷的情况下连续工作，而不影响其精度。这就要求导轨要具有良好的摩擦特性，热变形小。现代高精密数控车床的导轨主要有带有塑料层的滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。5.3.1 注塑导轨注塑导轨，其注塑层塑料附着力强，具有良好的可加工性，；具有良好的摩擦特性和耐磨性，同时塑料涂层导轨的摩擦系数小，可以有效减小热变形，从而不影响加工精度。注塑导轨的构造形式如图9所示：图9 注塑导轨结构图Figure 9 injection guide rail structure5.3.2 滚动导轨滚动导轨的特点是摩擦系数小，摩擦系数一般为0.00250.005，动静摩擦系数基本相同，启动阻力小，不易产生冲击，低速运动稳定性好；定位精度高，运动平稳，磨损小，精度保持好，；但是抗震性差，防护要求较高；结构复杂，制造成本高。其结构如图10：图10 滚动导轨结构Figure 10 rolling guide rail structure5.3.3 静压导轨静压导轨的工作原理与静压轴承相同。将具有一定压力的润滑油，经节流器输入到导轨面上的油腔，即可形成承载油膜，使导轨面之间处于纯液体摩擦状态。其优点：导轨运动速度的变化对油膜厚度的影响很小；载荷的变化对油膜厚度的影响很小；液体摩檫，摩檫系数仅为0.005左右，油膜抗振性好。缺点：导轨自身结构比较复杂；需要增加一套供油系统；对润滑油的清洁程度要求很高。静压导轨现在常用于高速精密机床的进给运动和低速运动导轨。静压导轨的工作原理图11： 1.4.滤油器 2.油泵 3.溢流阀 5.节流器 6.运动部件 7.固定部件 8.油箱图11 静压导轨的工作原理Figure 11 static pressure guide principle of work5.4 机床的改进结构布局图主轴采用高速电主轴结构，轴承采用角接触球轴承，机床床身采用对称结构，工作台采用步进电机带动滚珠丝杆进行传动，导轨采用注塑导轨，在轴承工作台等关键部位设置传感器检测温度，通过温度比较电路进行温度分析，从而对冷却系统进行调控，布局形式如图12：图12 机床结构布局图Figure 12 machine structure layout diagram6 热变形影响的误差检测与补偿高精密数控机床热误差补偿技术主要包括如下四个方面的内容：测温点的选择；误差信号的测量；信号处理与建模；误差的补偿控制与执行。因此热变形误差的检测主要包括两个方面的内容：一是测量数控机床上若干测温关键点的温升；二是测量主轴X、Y、Z三个方向上的偏移量，即对机床误差的测量。6.1 机床型号及参数机床的选择：本论文选择惠州市博赛数控机床有限公司J1MT360机床的特点：本机床工有四个规格,其加工性能广泛,适用工具、机修及批量生产的车间。主要用于各种轴类、套类和盘类零件以及带有公制、英制、模数等螺纹零件的精密加工。本机床具有精度高、噪音低、振动小、功率大、刚性强、操作轻便灵活等特点。所以主传动齿轮都采用优质钢材经淬火和磨削加工、主轴轴承采用高速、精密滚动轴承采用