一种基于主动温控的卧式加工中心结构热误差抑制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于主动温控的卧式加工中心结构热误差抑制方法，包括以下步骤：基于格林函数法建立机床结构等效体稳态温度场解析模型，通过叠加单个热源引起的结构温度场变化获得机床结构在多热源作用下的整体温度场分布，基于有限单元法计算结构热变形，实现任意位置热源对关键路径热变形规律的快速解算和预测；计算多热源作用下关键路径的热功率

【技术实现步骤摘要】
一种基于主动温控的卧式加工中心结构热误差抑制方法


[0001]本专利技术涉及机床热误差测量
，特别涉及一种基于主动温控的卧式加工中心结构热误差抑制方法。
技术背景
[0002]机床的实际作业过程中，在内生热源与外部热源的共同作用下，机床温度场及机床结构热变形场将会发生实时动态变化。因此，为了确保机床精度，需要通过主动温控方法抑制机床结构热误差。
[0003]准确和有效地评估热源对机床热误差影响，是实现机床热误差主动控制的基础，也是帮助机床生产和设计人员提升机床热特性的重要影响因素。因此，提出了优化温控板布局测量方案，以验证温控源优化布局的有效性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提出一种基于主动温控的卧式加工中心结构热误差抑制方法，该方法可基于主动温控方法来主动调节机床温度场。该专利技术有利于抑制机床热误差的产生。
[0005]所提出卧式加工中心空间热误差主动控制方法，包括如下步骤：
[0006]步骤1、基于格林函数法建立机床结构等效体稳态温度场解析模型，通过叠加单个热源引起的结构温度场变化获得机床结构在多热源作用下的整体温度场分布，基于有限单元法计算结构热变形，实现任意位置热源对关键路径热变形规律的快速解算和预测；
[0007]步骤2、计算多热源作用下关键路径的热功率
‑
热变形映射系数TPDMC，分析热源布局位置及其热功率变化对机床结构热特性的影响规律，实现特定内生热源布局下主动温控源的布局设计；
[0008]步骤3、基于多回路差异化主动温控系统实现主动温度控制；在无温控情况下，利用球杆仪测量机床的热致垂直度，施加主动温控后重复测量实验，从而验证所提出方法对热误差的抑制效果。
[0009]步骤1中基于格林函数法建立机床结构等效体稳态温度场解析模型，通过叠加单个热源引起的结构温度场变化获得机床结构在多热源作用下的整体温度场分布，基于有限单元法计算结构热变形，实现任意位置热源对关键路径热变形规律的快速解算和预测，包括步骤：
[0010]步骤1.1、取与床身表面直接接触的电机座、轴承座及导轨安装面的作为热源区域，第i个热源可被视为长度c
i
、宽度d
i
，并以坐标为中心的具有Q
i
热量的矩形均布热源；在Q
i
作用下物体相对初始时刻温升θ
i
(x，y，z)表示为；
[0011][0012]其中λ
i，m
＝mπ/a，δ
i，n
＝nπ/b是方程的特征值；
[0013]利用傅里叶级数将热源Q
i
引起的结构热功率分布场展开，结合狄拉克δ函数的性质，并基于格林函数法求解参数A
i，mn
，得到
[0014][0014][0015][0015][0016][0017][0018]其中sinh与cosh为双曲正弦函数及双曲余弦函数，λ
m
与δ
n
为第i个热源作用下的满足边界条件的方程特征值，X
p
及Z
p
为第i个热源坐标值，y为热源区域Y方向坐标值，kx，ky为结构在X和Y方向的等效传热系数，β
mn
为满足稳态传热控制方程下的特征值，可由λ
m
与δ
n
计算得到，t为整个Z向自变量区域，h1为结构上表面等效传热系数，h2为结构下表面等效传热系数；
[0019]步骤1.2、将每个热源引起的温度场变化叠加以获得机床在多热源作用下的整体温度变化，得到适用于顶面具有M个热源和N个温控源情况下的等效体温度场表达式；
[0020][0021]其中为等效体温度场，A
00
，A
m0
，A
0n
及A
mn
为第i个热源时的参数A
i，mn
；可进一步基于有限单元法计算结构热变形。
[0022]进一步地，步骤2中计算多热源作用下关键路径的热功率
‑
热变形映射系数TPDMC，分析热源布局位置及其热功率变化对机床结构热特性的影响规律，实现特定内生热源布局下主动温控源的布局设计，包括步骤：
[0023]步骤2.1、利用TPDMC表示机床结构热变形及其受到的热功率的比值，计算热源在稳态条件下的TPDMC曲线；
[0024][0025]其中表示TPDMC值，d表示热变形矩阵，单位为μm，Q
i
表示热功率，单位为W，K
‑1为全局柔度矩阵，Fθ
′
i
为等效热载荷矩阵，下标i表示对于不同位置的热源Q
i
，对应的同一变形位置的TPDMC值不同；
[0026]步骤2.2、温控源布局位置应当使温控源和热源的TPDMC曲线尽可能一致；对比结构件导轨处XYZ三方向的TPDMC曲线，因此将温控源布局在机床结构件边缘测，与热源布局尽量在导轨运动方向垂直共线，同时防止与机床防护罩等机械结构的运动发生干涉；根据结构件上热源及其不同位置处温控源的TPDMC曲线得到最佳结构件温控源布局。
[0027]进一步地，步骤3中基于多回路差异化主动温控系统实现主动温度控制；在无温控情况下，利用球杆仪测量机床的热致垂直度，施加主动温控后重复测量实验，从而验证所提出方法对热误差的抑制效果，包含步骤：
[0028]步骤3.1、建立多回路差异化主动温控系统，该系统主要包括高温油箱、低温油箱、独立回路温度控制模块，主动温控板单元，中央控制模块以及状态监控模块。构建主循环油路，包括一个高温循环油路与一个低温循环油路。高低温油路的油液会混合供给至各个子回路中，他们的油液供应配比由电磁阀组控制。在各个子回路中，设计有各自独立的控制单元，他们会监控子回路中的油液温度。根据当前油液温度与指定子回路温度差异，基于PID控制策略，通过调整高低温油在子回路的进出油量来进行快速的温度调节。
[0029]步骤3.2、根据最佳温控源布局在机床Z轴导轨处和立柱前侧下端部安装温控板。在恒温20
±
0.5℃环境下，高低温油箱需要一定的升降温时间来使油箱达到预设温度。此外，由于各个温控板的温度调节是通过高温油液和低温油液混合PID调节得到的，因此它需要一定的响应时间来达到预设的温度值。当高温油箱和低温油箱温度达到稳定时，各个子回路平均需要约3
‑
5min来达到预定温度，并可以保持温度波动在
±
0.3℃之间。
[0030]步骤3.3、机床Z轴在0
‑
2时、2
‑
4时与4
‑
6时内以7.5m/min、15m/min与20m/min的进给速度持续往复运行。在未施加温控的情况下，利用球杆仪测量机床的热致垂直度。
[0031]步骤3.4、施加主动温度控制，重复热致垂直度测量实验，验证主动温控对热误差
的抑制效果。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于主动温控的卧式加工中心结构热误差抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、基于格林函数法建立机床结构等效体稳态温度场解析模型，通过叠加单个热源引起的结构温度场变化获得机床结构在多热源作用下的整体温度场分布，基于有限单元法计算结构热变形，实现任意位置热源对关键路径热变形规律的快速解算和预测；步骤2、计算多热源作用下关键路径的热功率
‑
热变形映射系数TPDMC，分析热源布局位置及其热功率变化对机床结构热特性的影响规律，实现特定内生热源布局下主动温控源的布局设计；步骤3、基于多回路差异化主动温控系统实现主动温度控制；在无温控情况下，利用球杆仪测量机床的热致垂直度，施加主动温控后重复测量实验，从而验证所提出方法对热误差的抑制效果。2.根据权利要求书1所述的一种基于主动温控的卧式加工中心结构热误差抑制方法，其特征在于，所述步骤1中，基于格林函数法建立机床结构等效体稳态温度场解析模型，通过叠加单个热源引起的结构温度场变化获得机床结构在多热源作用下的整体温度场分布，基于有限单元法计算结构热变形，实现任意位置热源对关键路径热变形规律的快速解算和预测，包括步骤：步骤1.1、取与床身表面直接接触的电机座、轴承座及导轨安装面的作为热源区域，第i个热源可被视为长度c
i
、宽度d
i
，并以坐标为中心的具有Q
i
热量的矩形均布热源；在Q
i
作用下物体相对初始时刻温升θ
i
(x，y，z)表示为；其中λ
i，m
＝mπ/a，δ
i，n
＝nπ/b是方程的特征值；利用傅里叶级数将热源Q
i
引起的结构热功率分布场展开，结合狄拉克δ函数的性质，并基于格林函数法求解参数A
i，mn
，得到，得到，得到
其中sinh与cosh为双曲正弦函数及双曲余弦函数，λ
m
与δ
n
为第i个热源作用下的满足边界条件的方程特征值，X
...

【专利技术属性】
技术研发人员：高卫国，翁凌韬，张大卫，聂应新，邢俊岩，祝英平，蒋司桐，姚思涵，
申请(专利权)人：北京工研精机股份有限公司，
类型：发明
国别省市：