数控机床热特性分析技术

     数控机床热特性分析技术是实现机床热设计的基础。数控机床热特性分析通常采用实验研究方法和数值模拟法。实验研究方法一般用红外热像仪、热电偶、激光干涉仪和微位移传感器等精密测量仪器，进行机床空运转综合实验、分离热源实验和磨削试验确定主要热源，并测量各内热源作用下数控机床各部件的温升、温度场变化、热变形和达到热平衡的时间。因为机床热误差并不是仅仅和机床某一点的温度变化呈现性对应关系，而是受到各热源的综合作用，并和机床的整体温度变化有关，因此，必须在机床上布置多个测点，并通过数据处理分析找到和热变形相关性好的重要测点，即热关键点。如何选择最少的传感器和最佳测量位置，并能最大程度地和机床的热变形误差相对应呢？通常采用两种实验方法来确定机床的热关键点，一是根据实验数据计算热变形量与各测量位置温度变化之间的相关系数，去掉相关系数小的点；二是分析温度变化曲线，剔除提供重复信息和处于不敏感位置的测温点。机床各发热部件从开始工作到达热平衡是一个温升过程，热学理论一般将温升过程用指数函数描述。无锡内圆磨床研究所管仁伟等采用回归分析方法得到了机床温升与时间的方程，用此方程可近似求出机床部件最大温度、机床温升和热平衡时间等机床热态特性评价指标参数。

     实验法通常需要花费大量的时间与经费，而且受实验条件限制，还往往难以获得全面的热误差信息。随着计算机技术的发展，数值模拟方法越来越多地被用于数控机床热误差的分析。有限元仿真和热网络法是目前主要的数控机床热特性数值模拟分析方法。有限元热特性分析的关键所在是建立精确地模型。建立有限元模型包括3各重要内容，即妥善的网络划分、恰当的单元选择和边界条件的正确施加。然而有限元建模过程中的不确定因素对有限元计算结果的影响很大。如有限元建模过程中存在的离散误差（单元形式、网格划分）、形状误差（模型结构简化等）、参数误差（载荷误差、物理参数等）等，特别是有限元边界条件参数的设定往往与实际不相符，导致机床的热特性分析结果与实际结果存在一定的误差。为了降低机床有限元分析的误差，将实验方法与有限元分析方法相结合，可有效提高数控机床热特性分析精度。如有学者应用响应面法构造电主轴系统的对流换热系数与测点温度之间的隐性关系，以实验测得的温度与测点温度计算值的误差作为寻优函数，最终优化各对流换热系数。经修正后的边界条件能使得到的温度场结果误差大大减小，与实验相结合的数控机床有限元仿真能使所建立的模型更加精确。

     此外，结合面问题是有限元分析的难点。国内外学者已经在接触热问题上做了很多研究，主要从接触表面形貌和弹塑性接触机理入手，结合分形理论和统计推理技术等建立合适的热接触分析模型，利用建立的模型计算结合面的接触热阻，或者采用实验手段测定实际的接触热阻。结合面接触热阻影响因素包括接触体材料类型、结合面压力、表面加工质量和介质类型等。目前，对机床的主轴或电主轴系统、滚珠丝杠系统以及工件装配部分的有限元数值模拟均考虑了接触热阻的影响，进而为机床整机精确分析提供了条件。

    虽然有限元法具有边界适应性好、计算准确度高等优点，但计算过程复杂，适合于理论研究及需要对温度场详细了解的场合。热网络法是一种基于热电比拟原理的集中参数数值分析方法，又称热阻热容法。相对于有限元法，热网络分析法的优点是物理意义清晰，划分的节点能够反映物理模型的本质，并能根据物理模型节点温度的变化率确定其温度变化趋势，其网格划分简单，易被工程技术人员掌握。采用热网络计算复杂大系统的传热问题，具有简单可行、边界条件易于处理等优点。尤其是对于包含润滑冷却液、油气混合物、固体结构件等多相传热介质的复杂系统热分析以及薄壁介质问题的处理而言，热网络法要优于有限元法。运用热网络法可以方便、快捷地实现机床系统的热设计，量化分析改变材料类型、结构尺寸和接触状况对机床温度场的影响。采用热网络法对机床热关键部件，如主轴系统、立柱、轴承等展开热特性研究是机床热特性分析的又一个重要手段。