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【摘要】数控机床热变形误差是引起机床加工零件误差的主要来源之一，本文主要介绍热变形产生的原因及减少热变形误差所采取的措施。
【关键词】热变形；热源；热变形补偿；误差；修正量
The numerical control engine bed thermal deformation and the reduced thermal deformation measure
Liu Caixia
【Abstract】The numerical control engine bed thermal deformation error causes one of engine bed processing components error main origins， this article main introduction thermal deformation produces the reason and the reduced thermal deformation error adopts measure.
【Key words】Thermal deformation； Heat source； The thermal deformation compensates； Error； Modifier
【中图分类号】TG50【文献标识码】B【文章编号】1005-250X(2008)01-0048-02
由于金属切削加工过程中，机床主轴的高转速与快速进给及大切削用量将产生炽热切屑，形成机床-刀具-工件整个工艺系统的热传导和热变形，尤其是数控机床比传统机床更为剧烈，所以它成为影响机床加工精度与机床结构稳定性的重要因素，必须十分重视。
1 热变形产生的原因
在热传导过程中存在着机床热源与机床各部分构件之间的温差，其中热源有切屑，运转时的电动机､液压系统､传动链各环节的摩擦热量，以及机床外部的辐射热等。另外，机床构件的材料不一样，尺寸不同，这也构成温差变形的重要因素之一。
2 减少机床热变形采取的措施
2.1 在硬件方面采取的措施
2.1.1 减少发热源及发热量：
机床内部发热是产生热变形的主要热源，应当尽可能地将热源从主机中分离出去。目前大多数的数控机床的电动机､变速箱､液压装置及油箱等都已外置。对无法外置的热源，如主轴轴承､丝杠螺母副､高速运动导轨副等，则尽可能改善其摩擦特性及润滑条件，以减少内部发热量。
主轴部件是直接影响加工精度的关键部件，而主轴上的轴承通常又是一个很大的内部热源，因此，在数控机床上除了采用精密滚动轴承并对其进行油雾润滑外，还可采用静压轴承，这些措施皆有利于温升的降低。此外，在数控机床的主轴箱内应尽可能避免采用摩擦离合器等发热元件，若必须用则要分级搭接，使主轴分段降速以减少发热量。
数控机床大切削用量加工产生的切屑也是一个不可忽视的热源，应有良好的排屑装置，以便盡快带走热量。同时，在工作台或导轨上装设隔热板，也使热量隔离在机床床身之外。切削液冷却了刀具与工件之后带走的热量也会随液体散落在机床各处，产生局部升温。排液装置也应在结构设计中力求尽快排出，同时严格控制冷却液的温升。
液压系统中的油池也是数控机床上的一大热源，因此除移走油池之外，还应仔细调节油泵的供油量，所以对需要经常变化供油量的液压系统，应尽量采用变量泵。
2.1.2 控制温升：
在采取一系列减少热源的措施之后，热变形的情况将有所改善，但想完全消除机床内外热源是不可能的。因此，必须通过良好的散热与冷却来控制温升，以减少热源的影响。其中有效的方法是在机床发热部位进行强制冷却。尤其对于多坐标的数控机床，由于它在几个方向上都要求有较高的精度，难以用补偿的方法去减少热变形的影响。这时，利用冷冻机对润滑液进行强制冷却可收到良好的效果，但冷冻机冷却能力必须适当选择，否则会造成负影响。
2.1.3 改善机床结构：
如果在相同发热条件下，则机床的结构将成为抗热变形的主要因素。如采用对称设计原则的数控机床，抗热变形会取得良好的效果。因此，过去数控机床采用的单立柱结构设计可能被双立柱结构取代。因为双立柱结构受热后主轴轴线除产生垂直方向平移外，其它方向变形很小，而垂直方向的轴线位移可采用一个坐标的修正量进行补偿。
对数控车床主轴箱，应在结构设计时力求主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上，这样就使主轴热变形对加工直径的影响降低到最小限度。
数控机床中的滚珠丝杠是在预加载荷大､转速高并且散热条件差的情况下工作的，最易产生发热。而受热后的滚珠丝杠伸长会造成严重后果，尤其在开环系统中，会使数控机床丧失定位精度。目前，有些机床用预拉伸的办法去抵消丝杠伸长的影响。在加工丝杠时，使螺距值略小于名义值，机床装配时对丝杠预拉伸，使螺距值达到预定名义值。当丝杠受热，丝杠中的拉应力补偿了热应力，即减少了丝杠的伸长量，又增加了丝杠的刚度。
2.2 在软件方面所采取得措施：
由热变形所产生的误差，可通过上述谈到的机械设计提高部件的刚度､强度要求，以减少变形。也可通过控制系统消除误差。过去用硬件线路和挡块补偿开关实现补偿，现在的CNC系统中多用软件进行误差补偿。
2.2.1 列表形式：
这种方法是对各变量(温度､力等)以适当间距取值，实现出不同变量值时机床主要工作位置的定位误差曲线，确定补偿点，从而列出误差修正表(或矩阵)存入计算机内。
计算机根据机床位置检测元件测出的坐标位置和由传感器测得的实际变量的数值，通过搜索误差修正表，即可直接(或通过插值算法)确定定位点的坐标修正量，送入CNC控制系统，补偿任意位置的定位误差。
2.2.2 函数形式：
这种方法是通过理论分析或实测误差数据建立误差数学模型，将误差函数表达式存入计算机。根据机床现在的坐标位置和实测变量值，由误差函数式实时求出其误差修正量，进行误差补偿。
列表形式误差补偿有时需要较大的计算机内存，而函数形式存储占用计算机内存较少，但要求实时计算误差修正量，占用计算机较长的运算时间。因而对于机床误差的在线补偿，要求计算机有较高的运算速度。
总之，对于数控机床由于热变形所引起的误差，在机械设计硬件方面要采取有效的措施，同时在软件方面也要进行相应的热变形补偿，就可有效的减少由热变形所引起的加工零件误差。
参考文献
[1] 中国机械工程学会设备与维修工程分会.“机械设备维修问答丛书”编委会.数控机床故障检测与维修问答[M].机械工业出版社，2002
[2] 李宏胜.机床数控技术及应用[M].高等教育出版社.2001
【关键词】热变形；热源；热变形补偿；误差；修正量
The numerical control engine bed thermal deformation and the reduced thermal deformation measure
Liu Caixia
【Abstract】The numerical control engine bed thermal deformation error causes one of engine bed processing components error main origins， this article main introduction thermal deformation produces the reason and the reduced thermal deformation error adopts measure.
【Key words】Thermal deformation； Heat source； The thermal deformation compensates； Error； Modifier
【中图分类号】TG50【文献标识码】B【文章编号】1005-250X(2008)01-0048-02
由于金属切削加工过程中，机床主轴的高转速与快速进给及大切削用量将产生炽热切屑，形成机床-刀具-工件整个工艺系统的热传导和热变形，尤其是数控机床比传统机床更为剧烈，所以它成为影响机床加工精度与机床结构稳定性的重要因素，必须十分重视。
1 热变形产生的原因
在热传导过程中存在着机床热源与机床各部分构件之间的温差，其中热源有切屑，运转时的电动机､液压系统､传动链各环节的摩擦热量，以及机床外部的辐射热等。另外，机床构件的材料不一样，尺寸不同，这也构成温差变形的重要因素之一。
2 减少机床热变形采取的措施
2.1 在硬件方面采取的措施
2.1.1 减少发热源及发热量：
机床内部发热是产生热变形的主要热源，应当尽可能地将热源从主机中分离出去。目前大多数的数控机床的电动机､变速箱､液压装置及油箱等都已外置。对无法外置的热源，如主轴轴承､丝杠螺母副､高速运动导轨副等，则尽可能改善其摩擦特性及润滑条件，以减少内部发热量。
主轴部件是直接影响加工精度的关键部件，而主轴上的轴承通常又是一个很大的内部热源，因此，在数控机床上除了采用精密滚动轴承并对其进行油雾润滑外，还可采用静压轴承，这些措施皆有利于温升的降低。此外，在数控机床的主轴箱内应尽可能避免采用摩擦离合器等发热元件，若必须用则要分级搭接，使主轴分段降速以减少发热量。
数控机床大切削用量加工产生的切屑也是一个不可忽视的热源，应有良好的排屑装置，以便盡快带走热量。同时，在工作台或导轨上装设隔热板，也使热量隔离在机床床身之外。切削液冷却了刀具与工件之后带走的热量也会随液体散落在机床各处，产生局部升温。排液装置也应在结构设计中力求尽快排出，同时严格控制冷却液的温升。
液压系统中的油池也是数控机床上的一大热源，因此除移走油池之外，还应仔细调节油泵的供油量，所以对需要经常变化供油量的液压系统，应尽量采用变量泵。
2.1.2 控制温升：
在采取一系列减少热源的措施之后，热变形的情况将有所改善，但想完全消除机床内外热源是不可能的。因此，必须通过良好的散热与冷却来控制温升，以减少热源的影响。其中有效的方法是在机床发热部位进行强制冷却。尤其对于多坐标的数控机床，由于它在几个方向上都要求有较高的精度，难以用补偿的方法去减少热变形的影响。这时，利用冷冻机对润滑液进行强制冷却可收到良好的效果，但冷冻机冷却能力必须适当选择，否则会造成负影响。
2.1.3 改善机床结构：
如果在相同发热条件下，则机床的结构将成为抗热变形的主要因素。如采用对称设计原则的数控机床，抗热变形会取得良好的效果。因此，过去数控机床采用的单立柱结构设计可能被双立柱结构取代。因为双立柱结构受热后主轴轴线除产生垂直方向平移外，其它方向变形很小，而垂直方向的轴线位移可采用一个坐标的修正量进行补偿。
对数控车床主轴箱，应在结构设计时力求主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上，这样就使主轴热变形对加工直径的影响降低到最小限度。
数控机床中的滚珠丝杠是在预加载荷大､转速高并且散热条件差的情况下工作的，最易产生发热。而受热后的滚珠丝杠伸长会造成严重后果，尤其在开环系统中，会使数控机床丧失定位精度。目前，有些机床用预拉伸的办法去抵消丝杠伸长的影响。在加工丝杠时，使螺距值略小于名义值，机床装配时对丝杠预拉伸，使螺距值达到预定名义值。当丝杠受热，丝杠中的拉应力补偿了热应力，即减少了丝杠的伸长量，又增加了丝杠的刚度。
2.2 在软件方面所采取得措施：
由热变形所产生的误差，可通过上述谈到的机械设计提高部件的刚度､强度要求，以减少变形。也可通过控制系统消除误差。过去用硬件线路和挡块补偿开关实现补偿，现在的CNC系统中多用软件进行误差补偿。
2.2.1 列表形式：
这种方法是对各变量(温度､力等)以适当间距取值，实现出不同变量值时机床主要工作位置的定位误差曲线，确定补偿点，从而列出误差修正表(或矩阵)存入计算机内。
计算机根据机床位置检测元件测出的坐标位置和由传感器测得的实际变量的数值，通过搜索误差修正表，即可直接(或通过插值算法)确定定位点的坐标修正量，送入CNC控制系统，补偿任意位置的定位误差。
2.2.2 函数形式：
这种方法是通过理论分析或实测误差数据建立误差数学模型，将误差函数表达式存入计算机。根据机床现在的坐标位置和实测变量值，由误差函数式实时求出其误差修正量，进行误差补偿。
列表形式误差补偿有时需要较大的计算机内存，而函数形式存储占用计算机内存较少，但要求实时计算误差修正量，占用计算机较长的运算时间。因而对于机床误差的在线补偿，要求计算机有较高的运算速度。
总之，对于数控机床由于热变形所引起的误差，在机械设计硬件方面要采取有效的措施，同时在软件方面也要进行相应的热变形补偿，就可有效的减少由热变形所引起的加工零件误差。
参考文献
[1] 中国机械工程学会设备与维修工程分会.“机械设备维修问答丛书”编委会.数控机床故障检测与维修问答[M].机械工业出版社，2002
[2] 李宏胜.机床数控技术及应用[M].高等教育出版社.2001