[发明专利]一种机床热变形自动补偿的实现方法

权利要求书

1.一种机床热变形自动补偿的实现方法其特征在于包括如下步骤：

1)建立机床三维CAD模型；

2)实测机床温度场；

3)建立机床热特性有限元模型；

4)计算、修正有限元温度场模型；

5)实测机床热变形量；

6)确定温度传感器个数和位置；

7)计算、修正机床有限元热变形模型；

8)机床热补偿有限元虚拟分析；

9)研制热补偿控制装置，验证实际效果，实现机床的热变形自动补偿。

2.根据权利要求1所述的一种机床热变形自动补偿的实现方法，其特征在于：所述建立机床三维CAD模型，是根据机床零件设计图，利用Solidedge三维设计软件，建立机床各部件的三维CAD零件模型，并装配成机床部件的整体CAD模型，然后再将各部件的整体CAD模型，装配成机床的整体CAD模型。

3.根据权利要求2所述的一种机床热变形自动补偿的实现方法，其特征在于：所述实测机床温度场，是利用热成像仪在机床达到正常工作时的热稳态时，在机床的正面、左侧面、右侧面和后面多个方向，测试机床底座、床身、立柱、主轴箱、主轴各部件的温度场分布图，并保存。

4.根据权利要求3所述的一种机床热变形自动补偿的实现方法，其特征在于：所述建立机床热特性有限元模型，是通过Solidedge三维建模软件与ANSYS有限元分析软件的接口，将机床三维CAD零部件几何模型，传到有限元分析软件中，并转化为CAE零部件数字模型，划分网格，然后将材料属性赋到网格单元上，得到机床的热特性有限元模型。

5.根据权利要求4所述的一种机床热变形自动补偿的实现方法，其特征在于：所述计算、修正机床有限元温度场模型，首先是根据机床结构和热源，确定热量传递方式和边界条件，分析、计算换热系数；然后利用ANSYS分析软件，对热特性有限元模型添加载荷和边界条件后，计算出机床的温度场分布，得到有限元温度场模型，并按照实测温度场进行修正；修正方法是根据实际测得的机床温度场分布图，利用ANSYS分析手段，对边界条件即换热系数进行修正，然后重新计算理论温度场模型，直到理论温度场和实测温度场基本一致。

6.根据权利要求5所述的一种机床热变形自动补偿的实现方法，其特征在于：所述实测机床热变形量，首先是通过对机床在正常工作时的温度场分布及温升变化情况进行分析，并在各个温度变化较大的部位设置温度测量点；在设置测温点时，对明显没有实际意义的测试点不予考虑；然后在机床主轴上夹持测试芯棒，用5个高精度非接触式位移传感器分X向2个、Y向2个、Z向1个，测量机床在工作中主轴轴心相对工作台的热偏移量；测量从机床冷态开始，每间隔10～30分钟测量一次数据，直到主轴热变形稳定为止。

7.根据权利要求6所述的一种机床热变形自动补偿的实现方法，其特征在于：所述确定温度传感器个数和位置，是从机床的热源入手，并在实测机床热变形数据的基础上，分析各温度测点的温度变化曲线，剔除提供重复信息和处于不敏感位置的温度传感器，最终确定出若干个反映机床热变形的温度传感器和位置。

8.根据权利要求7所述的一种机床热变形自动补偿的实现方法，其特征在于：所述计算、修正机床有限元热变形模型，是根据修正后的机床有限元温度场，利用ANSYS分析软件分析计算机床的热变形，并根据实测得到的机床热变形数据，对机床有限元模型参数进行修正，使其计算得到的机床热变形与实际测得的热变形基本一致。

9.根据权利要求8所述的一种机床热变形自动补偿的实现方法，其特征在于：所述机床热补偿虚拟分析，是根据结构的热对称、热平衡原理，在经过修正后的机床有限元模型的基础上，从减小和平衡机床温度场的角度进行分析，采用虚拟方式对模型进行局部加热、局部冷却、增加散热筋板多种方法的试验，尽量使其温度场相对主轴对称，减小机床的温度变化梯度，直到使机床的热变形达到最小化为止。

10.根据权利要求9所述的一种机床热变形自动补偿的实现方法，其特征在于：所述研制热补偿控制装置，验证实际效果，是根据步骤8)中机床热补偿虚拟分析得到的方法，研制热补偿控制装置，然后进行实际效果验证，实现对机床的热变形自动补偿；

所述热补偿控制装置包括加热装置和冷却装置两个部分，加热装置部分包括：检测机床温度的温度传感器、与温度传感器连接并接收温度传感器传回来的温度信号，以及发出控制信号控制加热元件对机床相应部位进行加热的热补偿控制板，和与热补偿控制板连接，并接收所述控制信号对机床相应部分进行加热的发热元件；

冷却装置部分包括：对机床进行冷却的冷却元件和冷却元件连接的自动控温型油冷机；

热补偿控制装置包含的两个部分，根据实际需要同时或单独设置。