欧共体对机床热变形的研究

1 项目起源

由于机床热变形会严重影响加工精度，所以世界各国的机床生产厂家都希望在机床产品上能够较好地解决热变形问题。许多研究机构和大学也在研究这一课题。但是由于机床问题的复杂性，使得研究工作一直没有显著的进展。1990年J.Bryan等在“热误差研究的国际状况”报告中指出，自从1967年发表热误差领域研究情况的重要报告以来，尽管有不少出色的研究，但是在工业应用上并没有多大变化。研究表明，由热变形引起的误差可以占到全部误差的40%~70%。

欧共体为保持其科技和工业在国际上的竞争地位，组织共同体内的国家合作研究，对难度较大的课题进行联合攻关。因此，欧共体科技开发部门立项并组织有关单位开展了这一课题的全面研究。笔者作为访问学者，有机会承担了其中部分任务。现介绍有关情况，供国内同行参考。

2 项目组织

由于机床热变形涉及到机床产品、机床控制系统、测量技术和理论分析等方面，所以课题的组织者在经过充分的调研后，制定了详细的研究方案和计划。研究项目名称为“测量、设计和补偿热变形”，研究期限为3年。经过精心挑选，共有4个国家的制造实力较强的9家公司参加。它们是：ZAYER西班牙机床公司，主要产品是数控铣床；DOIMAK西班牙机床公司，主要产品是数控磨床；GORATU西班牙机床公司，主要产品是数控车床；COORD3意大利三坐标测量机公司；FIDIA意大利公司，主要产品是机床数控系统；KRYPTON比利时公司，主要产品是测量传感器；TEKNIKER西班牙工业研究中心；K.U.LEUVEN比利时鲁文大学机械系；WZL.RWTH.Aachen德国阿亨工业大学制造研究室。研究的分工是ZAYER、DOIMAK、GORATU和COORD3四个公司提供数控铣床、数控磨床、数控车床和三坐标测量机作为研究对象，并应用研究结果改进和制造出新产品；比利时鲁文大学和德国阿亨工业大学负责制定研究方案、测量数据处理、数学模型以及补偿方法；TEKNIKER西班牙工业研究中心负责对选定的研究对象设计测量系统和完成热变形测量，并提出机床结构改进方案；KRYPTON公司和阿亨工业大学联合研制新的测量方法和传感器；FIDIA数控系统公司根据两个大学的理论分析结果和补偿模型，负责开发具有热误差补偿功能的数控系统。

项目由欧共体科技部门负责，委托西班牙工业研究中心(TEKNIKER)具体执行管理，欧共体分期拨出研究经费，并定期检查进展情况。

从研究项目的分工可以看出，这是一个对机床热变形进行系统研究的统筹安排，阵容强大，规划和组织严密，从理论研究到实际应用的一体化研究项目。也是典型的产学研结合的研究项目。

3 研究内容和方法

项目研究的内容是系统地对机床热变形的规律进行研究，并探索减少和消除热误差的方法。具体有以下几个主要部分:

机床热变形的测量策略

(1)温度变化测量用红外摄像机探测机床的热源和温度场，确定机床温度变化的大致情况。并在机床上选择多测点用温度传感器连续测量机床在不同工况下的温度变化情况。课题研究的重点之一是如何选择最少的传感器和找到最佳测量位置，而又能最大程度地和机床的热变形误差相对应。

试验结果表明，机床加工点的热变形误差并不是仅仅和机床某一点的温度变化有线性对应关系。在研究温度测量技术中，对多种传感器的应用进行了比较研究，包括热敏电阻、热电偶、半导体测温传感器和集成传感器等。

(2)热变形误差测量机床的热变形误差主要体现在刀具与工件的相对位移上。测量方法是用热膨胀系数极小的镍铁合金棒代替刀具，把若干个位移传感器固定在工作台上，测量机床在各种加载条件下的对应于机床温度变化时三个坐标方向的位移误差和角位移误差。加载包括不同的主轴转速和工作台进给速度。测量位移的传感器有感应式、电容式、激光测距仪等。
机床结构优化设计
机床结构优化是在分析热变形的基础上，改进机床结构，最大限度地减少发热元件(热源)和发热元件对机床的影响，包括采用一些冷却措施。
数据处理和补偿方法研究
将在不同的机床上测量得到的温度变化和热变形数据集中到两所大学进行数据处理。分析出机床热变形的基本规律并提出对机床设计改进的建议。大学的另一项主要任务是研究热误差补偿的方法。项目任务书中已根据调研确定了一些数学模型和补偿方法，学校的研究人员要用实际测量数据对列出的模型和方法逐一进行验证。补偿用的数学模型包括：热力学模型、线性回归模型、多元回归模型、有限元模型、神经网络和模糊控制模型。
热变形误差测量新技术的研究

由KRYPTON公司和德国阿亨工业大学合作进行的热变形误差测量新技术研究是一项探索性的研究。他们在机床上设置一些标志，例如红外发光电子管，用两个高分辨率CCD摄像头在不同位置测量机床的微小热位移并连续记录其轨迹。这项技术由于难度比较大，和实际应用还有一定距离。
对三坐标测量机的热误差研究

三坐标测量机被认为是机床的一个特例。但作为精密测量用的设备，其热变形误差尤其重要。因此，需要专门对它进行测量和研究。上述的一些测量研究方法同样应用于测量机上。研究工作由鲁文大学和COORD3公司联合进行。COORD3用激光测量环境温度变化时的绝对误差，鲁文大学用位移传感器测量对应于机身温度变化时的相对误差。数据处理和补偿模型由鲁文大学完成。

4 部分研究成果

(1)机床热误差的主要影响因素是内部热源，各种发热元件包括电动机、摩擦运动副和切削热等。其中，摩擦副如齿轮、轴承等的发热影响更大。

(2)机床的热变形误差变化情况不只是和机床上某一点的温度成对应线性关系，而且和机床上的整体温度变化有关。必须在机床上多点测量温度，并通过数据处理和计算在机床上找到几个和热变形相关性好的重要测温点。

(3)热变形位移是多温度变量的函数。研究结果表明，多元回归和神经网络模型能够较好地描述对应于机床温度变化的热变形误差规律。

(4)三坐标测量作为机床的一个特例，其热性能不同于加工用的机床。由于没有切削热，对三坐标测量机热变形影响大的不是内部热源，而是环境温度变化。研究结果表明，测量机的机身结构对热误差影响比较大。神经网络模型可以用于误差补偿。

(5)减少机床热误差的途径有结构优化、减少热源、隔离发热元件和实时测温补偿。利用数控装置补偿热误差最好是在前几项措施后进行。

5总结

欧共体的成员都是西欧经济和技术发达国家，他们利用联盟的优势，保持其在国际市场上的竞争地位。对一些难度比较大的项目联合攻关，系统化地对机床热变形进行全面研究，共享技术成果，目的是提高机床产品的质量。改善机床的热性能，提高机床的精度和热稳定性也是我国机床业关心的问题。本文介绍的欧共体对这一课题的研究内容和技术方法，希望能够起到参考作用。另外，他们在基础理论研究和工业应用上的产学研一体化的科研组织方式也值得我们借鉴。

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