[发明专利]平板型机械结构热变形补偿系统设计方法

说明书

本发明涉及一种基于形变平衡原理的平板型机械结构热变形补偿系统设计方法，其步骤为：首先根据平板型机械结构热变形的控制方向进行结构设计；对热变形补偿系统系统进行能量分析，通过计算半导体制冷片的冷端吸热量、热端的放热量以及热源的发热功率来计算热膨胀材料和热收缩材料的内能变化量；根据平板结构热变形补偿系统的能量控制方程所示能量关系式，调整热变形补偿系统中的半导体制冷片的电压和电流参数来调整平板和热收缩材料的内能变化量，当调节的内能变化量使得平板的热膨胀量完全被热收缩材料的热收缩量补偿时，整个热变形补偿系统就实现了完全热补偿的效果。

技术领域

本发明涉及一种热变形补偿方法，特别涉及一种针对机械装备中平板型精密部件的热变形补偿设计方法。

背景技术

目前常见的机械装备结构热变形误差补偿技术，如机床的精密结构部件，其解决方案是建立经验的热误差补偿数学模型，计算得到结构件中关键点的热变形变化量与刀具中心点偏移量之间的函数关系，然后通过数控系统中设置零点改变加工坐标系，从而实现热变形补偿。这种方法受限于目前硬件的运算速度，热误差补偿模型的补偿速度滞后于加工速度，且由于算法的复杂性和专一性，一种热误差补偿模型无法适用于其他机床。

发明内容

本发明提出了一种基于形变平衡原理的平板型机械结构热变形补偿系统设计方法，用于平板型精密机械部件的热变形补偿系统设计；其基本原理是根据不同材料的热膨胀系数不同，将热收缩材料与热膨胀材料进行设计组合。在整体结构受热后，热收缩材料的热收缩量对热膨胀材料的热膨胀量进行补偿，从而减小了整体机械结构的热变形量。

本发明的技术方案为：一种基于形变平衡原理的平板型机械结构热变形补偿系统设计方法，包括如下步骤：

1)首先根据平板型机械结构热变形的控制方向进行结构设计，将热收缩材料布置在可减少热变形方向的区域，然后将半导体制冷片的冷端贴于热膨胀材料上，半导体制冷片的热端通过导热石墨片将热量传递到热收缩材料上；

2)对整个热变形补偿系统进行能量分析，通过计算半导体制冷片的冷端吸热量、热端的放热量以及热源的发热功率来计算热膨胀材料和热收缩材料的内能变化量；

3)将步骤(2)中相关计算参数代入到形变平衡原理的公式(1)中,

式中下标1和2分别对应着热膨胀材料和热收缩材料，α是材料的线膨胀系数，单位(1/K)，c是材料的比热容，单位[J/(kg·K)]，m是材料的质量，单位(kg)，b是设计结构的尺寸，单位(m)；

4)将步骤3)中求得的参数代入式(2)所示的平板型机械结构的热变形补偿系统的能量控制方程中：

式中Q_HS是热源释放的热量，Q_h是半导体制冷片热端释放的热量，P是半导体制冷片中电流做的功，Q_loss是整个系统的对周围环境的能量损失；根据这个能量控制方程所示能量关系式，通过调整热变形补偿系统中的半导体制冷片的电压和电流参数来调整平板和热收缩材料的内能变化量，即实现热变形量的控制；当调节的内能变化量使得平板的热膨胀量完全被热收缩材料的热收缩量补偿时，整个热变形补偿系统就实现了完全热补偿的效果。

为了使热收缩材料受热均匀，在平板型机械结构上布置由导热石墨片组成的热传递通道，该热传递通道依照密度法进行迭代计算，其拓扑优化形态由公式(3)所示的优化数学模型定义：

式中x为设计变量，T_b(x)是温度标准差函数，T_ave是设计域内的平均温度，v是导热石墨片体积，v₀是体积上限。