移动立柱式卧式加工中心热误差主动控制方法研究

《Applied Sciences》：Research on Active Control Method for Thermal Error of Moving-Column Horizontal Machining Centers

　　

摘要：本研究探讨了多热源作用下机床的热特性，并提出了一种主动温度控制方法。研究在稳态条件下进行，进给速度恒定为10 m/min，且无切削载荷。首先，采用有限元仿真分析内部热源作用下机床的热特性，获得相应的温度场和变形场。其次，在所测试的温度范围内，研究温度控制装置布局对热特性的影响，确定床身和立柱的最佳布局方案。随后，研究多个温度控制装置耦合作用下的热误差，并提出一种主动控制策略，以获得所测试范围内的最佳布局配置。最后，采用多回路差异化主动温度控制系统开展实验，通过仿真与实验结果的对比验证了所提方法的有效性。研究结果表明，所提出的主动控制方法能够有效减小机床结构的热变形。

移动立柱式卧式加工中心热误差主动控制方法研究——论文解读

一、研究背景与意义

机床加工精度直接影响零件加工质量，而机床结构在内外热源作用下会发生热变形，大量研究表明40%至70%的加工误差源于热误差。当前热误差研究方法主要分为两类：一类基于热变形理论与实验数据，通过数学推导建立结构部件与热误差间的关系；另一类通过有限元分析建立热误差模型。在热误差控制方面，现有手段包括热误差补偿、热平衡优化设计以及主动温度控制三类。热误差补偿依赖数控系统实现位置补偿，热平衡优化仅在设计阶段通过优化结构预防热变形，而主动温度控制可实现实时温度调节，具有独特优势。然而，针对移动立柱式卧式加工中心这类结构复杂、热源分布多样的机床，如何通过主动温度控制有效抑制热误差仍缺乏系统研究。为此，本文以移动立柱式卧式加工中心为对象，采用有限元仿真分析机床热特性，并提出基于多回路差异化冷却的主动控制方法。

二、研究内容与主要结论

2.1 内部热源作用下机床热变形仿真

机床主要内部热源位于电机、轴承座、导轨和电机座。研究人员建立了有限元模型，结构件采用铸铁材料，导轨和滑块采用45号钢，其余功能单元亦为45号钢。为兼顾仿真精度与计算效率，对机床模型中的孔、槽、倒角等细微结构进行了简化处理。边界条件方面，环境温度设定为20℃，Z、Y、X三轴进给速度均为10 m/min。热生成量依据热力学和静态经验公式计算，并转换为热流密度载荷和热生成率载荷施加于仿真模型。稳态仿真结果显示，温度场变化范围为20.2℃至27.9℃，最高温度出现在Z轴电机处；变形场显示立柱呈现“后仰”趋势，床身中部呈现“凸起”趋势。

2.2 温度控制装置布局分析

温度控制单元主要由铝质底板、铜质盖板和冷却液组成，冷却液采用5号主轴油。针对床身提出三种布局方案，在室温同步策略（温控装置设定20℃）和差异化温控策略（温控装置设定17℃）下进行仿真分析。结果表明，布局方案3在两种策略下均表现出最佳的X轴Z向直线度变化；进一步在15℃至19℃范围内对布局方案3进行差异化温控研究，发现温控装置设定为17℃时直线度达到最小值，变形范围约为10 μm。针对立柱同样提出三种布局方案，由于立柱上部电机为主要热源导致立柱后倾，将温控装置设定为20℃和23℃进行仿真。结果显示布局方案3对Z轴X向热变形曲线的直线度修正效果最佳，在22℃至26℃范围内测试后确定25℃为最优设定温度，此时直线度达到约40 μm的最小值。因此，床身温控装置应布置于床身中部，立柱温控装置应布置于立柱后部下端。

2.3 多温控装置耦合作用下的主动温度控制

基于上述分析，研究人员在床身中部安装编号1和2的温控装置，在立柱后部下端安装编号3和4的温控装置，设定床身温控装置为17℃、立柱温控装置为25℃，设置七种工况进行仿真。结果表明，床身结构的热变形受单一热源和多个温控装置影响呈现显著叠加效应；X轴左导轨Z向热变形在仅内部热源作用下最大值为22 μm，呈“上凸”形态，工况7使热变形减小5 μm并取得最佳直线度。Z轴左导轨X向热变形在仅内部热源作用下最大值为70 μm，呈“后仰”形态，工况7使热变形减小30 μm并取得最佳直线度。对X轴六项热误差的计算表明，主动温控装置有效减小了滚转误差、Z向直线度误差和X向定位误差：Z向直线度误差最大值由无主动温控时的5.5 μm降至3.8 μm，X向定位误差最大值由3.8 μm降至2 μm，滚转误差最大值由14 μm降至6 μm。

2.4 实验验证

实验在20±0.5℃的恒温实验室中进行，建立了多回路差异化主动温度控制系统，温控精度为±0.5℃。采用PT100热敏电阻传感器记录电机、电机座、轴承座及环境温度，电涡流传感器检测热变形，Renishaw XM60激光干涉仪监测直线进给系统运动误差。实验结果表明，无主动温控时机床运行三小时后达到热平衡，Z轴电机温度最高达27.9℃；接入多回路差异化主动温控系统后，各测点温度显著降低。在运动误差方面，主动温控使Z向直线度误差较无温控状态减小2.4 μm，X向定位误差减小2.5 μm，滚转误差减小1.2 μm，与仿真结果趋势一致，验证了主动温度控制方法的正确性。

三、主要关键技术方法

研究人员主要采用了以下关键技术方法：有限元仿真分析（FEA）方法，用于建立机床热-结构耦合模型并求解温度场与变形场；基于热力学和静态经验公式的热生成量与散热量计算模型，用于确定边界条件；多回路差异化主动温度控制系统，基于两个供给压力相同的循环冷却器、多个独立冷却液混合器及控制单元构成，各控制单元通过USB转RS485通信单元连接上位机并采用PID控制执行指令；Renishaw XM60激光干涉仪和电涡流传感器用于运动误差与热变形测量。

四、讨论与结论

讨论

本研究的仿真在稳态工况下进行，三轴均以10 m/min恒定速度运行且无切削载荷。实际加工中机床通常在非稳态动态条件下运行，涉及变速、多载荷和多轴协调。未来研究可探索加工路径、进给速度变化和切削载荷波动对温度场演变和热误差发展的影响，以建立适用于实际加工条件的动态热误差模型。本研究同样适用于热源对称分布的卧式加工中心。

结论

本研究提出了一种利用多回路差异化系统的机床主动温度控制方法，得出以下结论：

（1）所提出的主动温度控制方法是减少热变形的有效途径，为机床设计提供了新思路。

（2）温度控制装置的布置位置直接影响热误差抑制效果。床身温控装置应布置在床身中部，立柱温控装置应布置在立柱下部。

（3）多个温度控制装置之间存在耦合效应，导致热变形产生叠加。仿真和实验结果表明，对床身和立柱上的温控装置施加不同冷却油温度，可在所测试的温度范围内获得最佳性能。

五、研究意义

该研究发表于《Applied Sciences》期刊，其意义在于：首次系统研究了移动立柱式卧式加工中心在多热源作用下的热特性，提出了基于多回路差异化冷却的主动温度控制策略，通过仿真与实验双重验证了方法的有效性。该方法能够同时抑制多个方向的热误差，且具有低能耗和良好的热控稳定性，为精密机床热误差控制提供了新的技术路径，对提升机床加工精度具有重要的工程应用价值。