[发明专利]一种机床热变形自动补偿的实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及机床制造相关技术领域，确切地说涉及一种机床热变形自动补偿的实现方法。

背景技术

随着机床制造技术向高速、高精的方向发展，热变形自动补偿技术作为提高数控机床动态精度和稳定性的重要手段，得到了越来越多的的应用，实现方法也呈现出多样化。由于温度自动检测和加热(或冷却)补偿的方法具有显著的效果和经济性，因此在机床上是应用得较普遍的一种热补偿方法。

该方法是在机床的某些导致其产生热变形的敏感位置上，设置温度传感器，在另一些相关位置上设置加热元件(或对发热部件采取冷却措施)，由热补偿控制装置自动完成机床的热变形补偿工作。当机床在使用时，该补偿控制装置通过温度传感器自动检测温度，经处理后，由控制装置发出控制信号，控制加热(或冷却)元件对机床相应部位加热(或冷却)，使机床处于一个相对稳定的热平衡状态，从而达到提高机床工作(动态)精度的目的。采用上述方法完成对机床的热变形补偿，实施起来比较困难的是如何合理地确定机床上的温度检测点、补偿点和补偿方式(加热、散热或强制冷却)。

比较传统的实施方法是：首先通过机床热变形试验，得到机床热变形随温升变化的特性曲线，并通过分析特性曲线，或复杂的相关性计算，找出3～5个温度敏感点。然后根据温度敏感点分析、计算，得到机床的热变形数学模型。最后根据模型确定补偿方案，研制热补偿控制装置，进行实际效果验证。由于机床热变形产生机理的复杂性，上述过程一般需要反复进行多次才能完成。因此，用传统方法完成对机床热变形自动补偿功能的开发，周期长，效率低，已不能适应现代机床制造发展的需要。

申请公开号为CN1868666A，申请公开日为2006年11月29日的中国专利文献公开了一种数控机床主传动系统的热变形补偿方法，包括以下步骤：A)确定数控机床主传动系统的数个关键发热源；B)采集数个关键发热源处的温度变量和与其对应的、机床主轴在至少一个正交方向上的热变形量；C)对所采集的温度变量和热变形量进行处理，得到关键发热源处温度变化与机床主轴热变形之间的数学模型，并输入机床的数控系统；D)采集数个关键发热源处的温度值并输入机床的数控系统；E)数控系统根据输入的各温度值算出机床主轴的热变形量，并驱动传动部件对主传动系统产生的热变形进行实时补偿。该方法所使用的附属部件少、能进行动态的实时补偿，具有补偿后精度高、稳定性好和经济适用的优点。

但是上述方法，一方面，对得到的数学模型没有进行多次修正，不能真实地反映机床热变形的实际情况，从而热补偿的精度低，稳定性不好；另外，该方法的开发周期长，效率低，不能适应现代机床制造发展的需要。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种机床热变形自动补偿的实现方法。本方法一方面，利用实测的机床温度场和热变形数据，对机床的有限元温度场和热变形模型进行修正，使所建机床有限元模型能够较真实地反映机床热变形的实际情况，从而补偿精度高，稳定性好；另一方面，本方法对机床的多次热补偿试验过程都由计算机虚拟分析完成，缩短了开发周期，减少了开发费用。

本发明是通过采用下述技术方案实现的：

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。

所述建立机床三维CAD模型，是根据机床零件设计图，利用Solidedge等三维设计软件，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。

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、右侧面和后面等多个方向，测试机床底座、床身、立柱、主轴箱、主轴等各部件的温度场分布图，并以JPG(或其他)图形文件格式保存。

所述建立机床热特性有限元模型，是通过Solidedge等三维建模软件与ANSYS等有限元分析软件的接口，将经过必要简化后的机床三维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。