外文翻譯(陳鵬)

1、2014屆機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文）外文翻譯機床的發(fā)熱問題1、引言從1990年開始，布萊恩等人做了關(guān)于熱狀態(tài)錯誤的最新研究，weck更多的做了對機床誤差的減少和補償工具的研究，自從他們做了前面這兩個主題演講之后，在這個領(lǐng)域已經(jīng)做了很多的研究。本文是在前兩個主題演講基礎(chǔ)上做的最新研究。機床定位的不確定性會直接影響所加工零件的尺寸精度。典型的誤差來源是運動誤差，機械熱誤差，載荷，動力，以及運動控制軟件。本文主要研究機械熱誤差，這種誤差是由外部環(huán)境或內(nèi)部熱源引起的。制造業(yè)正在經(jīng)歷關(guān)于引起機床熱誤差管理的重大改變。直到最近，機床制造商給了機床用戶在指定的環(huán)境溫度要求和需要必要的非生產(chǎn)機

2、器預熱程序下產(chǎn)生這樣的錯誤的管理責任。如今，機床制造商越來越頻繁的承擔對于控制熱致位移的責任。這一變化之所以會發(fā)生，是因為機床用戶意識到，有些類似的機床可以顯示顯著不同的熱錯誤，并且在一些機床上大部分所提供的能量被用于平衡機床的溫度。此外，高達75加工工件的整體幾何誤差是通過溫度的影響而引起的。因此，這個話題是最近的活動的顯著研究重點。制造業(yè)對這個主題的興趣可以在最新的國際標準上看到。在過去的二十年已經(jīng)發(fā)展了計量規(guī)則和性能參數(shù)來評估空載和精加工條件下機床的發(fā)熱特性的多項國際標準。如今，用戶經(jīng)常會問機床制造商，包括這樣的測量進行驗收測試。新的測量設(shè)備經(jīng)常用于延長熱誤差和檢測機床熱誤差源。特別是在

3、測溫測量設(shè)備，如紅外攝像機價格的下降導致在分析機床的發(fā)熱特性的新選項。在第2節(jié)，將呈現(xiàn)在熱誤差和溫度測量方面的進展。數(shù)值方法目前用于在開發(fā)的早期階段比較不同的機床設(shè)計或模擬溫度對機床的影響來檢測熱誘發(fā)工具中心點（TCP）位移的來源。由于計算時間的瞬態(tài)仿真的費用，工程師們往往對他們的模擬只使用穩(wěn)態(tài)結(jié)果。然而，它顯示的是TCP位移在運行期間改變其方向的瞬態(tài)行為的觀察，如果兩個不同的時間常數(shù)都參與或者如果溫度場的熱源向外擴散，通過監(jiān)管陡峭的坡度后會變得均勻。另外，穩(wěn)定狀態(tài)的結(jié)果不會導致在穩(wěn)定狀態(tài)的情況下產(chǎn)生時間依賴行為，這期間可以表示若干小時。機電一體化的發(fā)展進一步提高了機床的精度。然而，為了實現(xiàn)更

4、高的精度，機床的熱穩(wěn)定性的可預測性變得越來越重要，尤其是為了避免后期基于實驗研究的機床發(fā)展的巨大花費。計算技術(shù)的進步帶來了在TCP溫度分布和熱致位移上更好的估計。當今最先進的個人計算機的處理能力已經(jīng)足以滿足處理這樣的計算的要求。即使使用有限元方法對一個完整的機床瞬態(tài)效應(yīng)進行密集型模擬（FEM）計算，也可以在合理的時間內(nèi)進行。關(guān)于建模和發(fā)熱計算錯誤的概述將在第3節(jié)給出。關(guān)于減少在機床TCP熱錯誤方面所有安排的技術(shù)性定義，將在第四章給出。早期的散熱可以在哈里森于1726年開發(fā)的擺動烤架上發(fā)現(xiàn)。在這個時鐘鐘擺上的時鐘的最小熱影響是通過組合黃銅和鋼，兩種材料具有不同的膨脹系數(shù)（圖1-1）實現(xiàn)的。在機床

5、的設(shè)計中，熱穩(wěn)定性被用于如線性秤架。其它的安排，例如用以穩(wěn)定溫度分布的加熱和冷卻裝置，可用于降低熱誤差。另一方面，機電一體化經(jīng)常用于誤差補償。熱誤差計算各種數(shù)值算法和一個移動，以補償熱引起的誤差是由一個控制致動器產(chǎn)生的?？刂茰囟热匀皇歉呔戎圃斓年P(guān)鍵要求。不同的介質(zhì)用于穩(wěn)定機床上的溫度分布，以及車間的環(huán)境溫度。所選擇的流體的材料性質(zhì)，主要影響冷卻系統(tǒng)的設(shè)計和能源效率。在機床的能源效率的討論中已經(jīng)確定，要求進一步減少機床的溫度上升的能量損失和電力支出構(gòu)成的損失引起的誤差。更有效的成分也有助于減少能源的浪費。第5節(jié)提供溫度控制，液體和能量效率的概述。本文介紹了在機床熱誤差的領(lǐng)域的最新研究活動的概述

6、。本文的結(jié)構(gòu)如下：第二章介紹在熱誤差和溫度測量上的進步。第三章介紹用于計算機床熱誤差的方法以及開發(fā)的研究工作。在第4節(jié)，對減少熱誤差的研究活動進行了總結(jié)。第5節(jié)概括了研究人員在溫度控制領(lǐng)域的活動以及液體和能源效率的影響的概要。本文是對活動和未來發(fā)展趨勢的總結(jié)。圖1-1 一個鐘擺的簡化模型，1：鋼，2：黃銅2、熱誤差和溫度測量的進展2.1熱變形的測量如今，存在許多測量機床部件的位移（位置和方向）的解決方案。不是所有的這些系統(tǒng)都可用于熱誤差的測量，因為這些測量基于以下要求具有特別挑戰(zhàn)性：l 所有相關(guān)的幾何誤差參數(shù)的測量；l 其中包括的有關(guān)工作容量；l 具有足夠低的測量不確定度；l 在一個短的時間內(nèi)

7、，溫度變化對幾何誤差參數(shù)的影響可通過測量系統(tǒng)進行監(jiān)控。選擇正確的測量系統(tǒng)取決于誤差源。環(huán)境的影響如機加工車間的溫度一般會導致機床溫度的緩慢變化，但影響整個體積的性能。內(nèi)部影響如軸承和導軌產(chǎn)生的熱量會導致機床結(jié)構(gòu)的局部變形，從而導致位移變化，從而部分地改變?nèi)莘e性能。內(nèi)部熱源造成的位移是難以預料的，并且比環(huán)境造成的影響變化更快。在過去的二十年里國際標準化組織（ISO）發(fā)表的一些標準：ISO 230-3機床熱變形，ISO10791-10，加工中心的溫度變形，和ISO13041-8，車床的溫度變形。這些標準提供了進行機床主軸的發(fā)熱系統(tǒng)分析的方法。這一分析包括ETVE（環(huán)境溫度變化誤差），旋轉(zhuǎn)（主）和主

8、軸移動造成的線性熱變形。測量刀具和工件之間的熱位移是常見的標準。通常測試芯棒夾持在主軸里，一個可以測量五個位移的測量裝置固定在加工中心的表面（圖2-1）或工件夾具的轉(zhuǎn)動中心。在【8，23】里指出所有結(jié)構(gòu)都具有熱共振頻率。如果機床安裝在溫度變化的環(huán)境中，沒有任何方法可以預測頻率與階躍響應(yīng)。圖2-1 由一個旋轉(zhuǎn)的主軸的熱變形和環(huán)境溫度變化造成的誤差（環(huán)境溫度變化誤差）組成的垂直主軸的機床的測量裝置對于測量移動的線性軸所造成的熱位移，標準建議檢測軸線行進距離的兩端的錯誤，如圖5。如果這種熱變形引起軸的傾斜運動，該行駛距離的兩端的角位移是不同的。如果只有一個位置的測量，角位移也可以解釋為熱位置誤差在兩

9、軸的垂直度偏差。用激光干涉儀沿圖軸向移動，位移距離可以在不同位置進行測量。此外，比較器系統(tǒng)被用于檢測沿機床軸各種位置到兩個方向的熱位移。為了測量環(huán)境對機床的影響，溫度室被開發(fā)出來。該溫度室可控制隨時間變化的空氣和基礎(chǔ)溫度?；A(chǔ)部分的熱影響進行了研究。對旋轉(zhuǎn)軸機床的熱變形的測量還沒有列入標準。R-檢驗設(shè)備和另外兩個長度測量探頭，旋轉(zhuǎn)主軸引起的熱位移可通過測量五軸機床的五個位置進行檢測。通過在夾緊在主軸里面的主球和安裝在機床表面的R-test傳感器，可以對五軸機床各軸的熱位移進行三個方向的測量。機床旋轉(zhuǎn)臺的熱位移可以通過夾緊在臺面上的主球檢測到。臺面溫度的上升將導致臺面的尺寸增長。這種測量被建議用

10、于了解五軸機床的工件誤差。如果在高的相對速度下使用接觸探頭檢測TCP引起的熱位移，例如，測量旋轉(zhuǎn)主軸導致的熱位移，機床在測量過程中需要停下來。因此，非接觸式，電感性和電容探針（圖2-2）最常用于檢測旋轉(zhuǎn)主軸誘導的TCP熱位移。要使用伸縮式球桿檢測到它們，一種特殊的適配器被設(shè)計出來。當需要測量主軸的影響導致的TCP位移時，該適配器會被安裝在靠近正在運行的銑削頭附近。因此，該適配器本身的熱變形會導致錯誤的測量結(jié)果。在水平方向上選擇對稱旋轉(zhuǎn)用于最小化該適配器的影響（圖2-3）。在垂直方向上，該適配器的熱位移通過平衡不同的材料的熱膨脹大小和方向，所選擇的幾何形狀，并且考慮適配器的不同負荷進行最小化。使

11、用夾緊在機床主軸上的觸發(fā)式探頭有一定的優(yōu)勢。用一個探針就能檢測多達三個方向上的熱誘導的TCP位移，并且是在機床的主軸中心線上進行檢測的。接觸式探頭經(jīng)常用于測量正在加工操作中的位移。在這種情況下，用觸發(fā)式探頭檢測實際的熱誘導的TCP位移需要換刀。通常在臺面上夾緊測量裝置的幾個檢測點。該測量裝置是根據(jù)需要被加工的材料，機床的材料結(jié)構(gòu)或者具有低的熱膨脹的材料進行選擇的。傳統(tǒng)上的殷鋼，陶瓷玻璃，或碳纖維增強塑料（CFRP）被用于此目的。碳纖維復合材料在纖維方向上有非常低的熱膨脹性。 圖2-2 用于檢測的電容式測量探頭和裝 圖2-3 一種五軸機床熱變形伸縮雙球桿測量裝置有主球的主軸的軸向膨脹的測量設(shè)置形

12、變傳感器，應(yīng)變儀和殷鋼材料的桿被用于測量機床框架（圖2-4）的熱變形。機床框架的變形被用來確定TCP位移。圖2-4 對加工中心使用觸發(fā)式探頭測量一個移動的直線軸的熱變形 1：機床平臺，2：機床主軸，3：觸發(fā)式探頭，4：探測點（共12個）標準中所描述的測量程序是在無負載或精加工條件用于機床的。模擬工件的影響力的時候會給機床工作臺裝一個壓塊。用液壓制動模擬來自切割工藝的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩時，主軸加載如圖2-5所示。負載的大小取決于油的壓力并且通過手動調(diào)節(jié)控制。一件裝雙球吧（LDBB）用于評估負載條件下機床的靜態(tài)行為。溫度在時間和空間上的變化引起的機器的錯誤可以由溫度不變的參考對象或獨立長度測量的實驗確定。方

13、法和程序在這里面說明了?；诙帱c的新測量技術(shù)使在線修正專用機床的運動得以實現(xiàn)。例如在PTB利用一套高精度跟蹤激光干涉儀開發(fā)的測量三維位置的m3d3系統(tǒng)。先進的測試程序允許在一個幾乎無阿貝誤差的模式下估計TCP位置誤差。溫度，空氣壓力和環(huán)境濕度引起的影響可通過Ciddor式激光測量系統(tǒng)進行校正。各個數(shù)值是從一組分布于測量體內(nèi)的傳感器獲得的。溫度，壓力，和必要的校正濕度圖的計算可以按照克里格方法。圖2-5 測量在單位應(yīng)力負載下的熱畸變（模擬力和液壓泵）獨立的糾正熱誤差的可能性，當一個進程的質(zhì)量應(yīng)進行量化時確定測量不確定度是很重要的。兩種常見的方法是可用的。一種方法是使用校準的文物，如球或孔板，另一

14、種方法是在虛擬坐標測量機（VCMM）上使用數(shù)值模擬技術(shù)，第二種方法主要應(yīng)用于笛卡兒坐標系的機械。2.1.1 體積定位誤差的測量有幾個測量系統(tǒng)可用于機床的體積校正，如幾何標準，激光干涉儀，和重力測量系統(tǒng)。如果要測量空間定位精確的熱影響，校準程序必須在不同溫度水平下重復。測量過程中，機床的溫度應(yīng)足夠穩(wěn)定。因此，測量時間變得很重要。在過去的幾年已成功地應(yīng)用于制造業(yè)的一種創(chuàng)新的解決機床的快速容量校準的方案，是使用多點跟蹤干涉儀的機床校準（TI）。這種方法是基于測量Ti和固定在機床的刀架上并沿著一個預定的路徑運動的反射器之間的位移。這種誤差參數(shù)是根據(jù)名義和測量長度之間的差別計算出來的，考慮適應(yīng)機器模型。

15、校準的結(jié)果可以被用來生成一個幾何誤差的實時補償?shù)牟檎冶?。該標定方法可以顯著的加快測量。測量一個1m3工作容積的時間可以減少到小于1小時，一個刀具長度。使用一個四誤差跟蹤干涉儀對一個處于大致恒定的溫度水平狀態(tài)的機床的連續(xù)校準的快速測定，大約1小時。因此，在不同溫度水平下校準機床和使用這些信息對溫度變化進行體積補償是可能的。2.1.2 測量局部位移矢量類似體積校準，有幾種測量系統(tǒng)可用于測量位移矢量，如幾何標準，三維文物，觸發(fā)式探頭，或雙球吧。體積誤差的連續(xù)校準（例如，使用三維文物，或跟蹤干涉儀）使快速測量一個定義在恒定溫度狀態(tài)下的機床成為可能。因此，在不同溫度下校準機床以及使用這些信息對溫度變化進

16、行體積補償是可能的。2.2 溫度測量溫度測量對于更好地了解機床熱誤差也是很重要的。通常電阻溫度計被用來測量機床的溫度。在過去，鉑電阻溫度計（Pt100，Pt1000）由于其良好的線性特性經(jīng)常被使用?；谟嬎銠C的線性化技術(shù)允許其他類型的溫度計使用，如熱電偶，負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC熱敏電阻）正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC熱敏電阻）。電阻溫度計的電磁敏感引起電域的測量誤差。最近開發(fā)的半導體熱電偶，如“智能探針”，由于其高電磁兼容性（EMC）可以保證良好的穩(wěn)定性。對機床的離散溫度通?？梢酝ㄟ^接觸探針測量。在60年代初，熒光漆被用于測量車床主軸箱的溫度分布。一種特殊類型的化合物接受另一個頻率的光源照射時可以吸收光照。光的吸收依賴于溫度。作者使用這種測量方法計算了整體溫度±1.65 K的誤差。如今，紅外攝像機通常用于測量機床零部件的表面溫度分布。一切超過0 K的溫度都可以發(fā)射電磁波。隨著溫度的升高，發(fā)射的光譜波長由短