外文翻譯(陳鵬)

1、2014屆機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文翻譯機(jī)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(cuò)誤的最新研究，weck更多的做了對(duì)機(jī)床誤差的減少和補(bǔ)償工具的研究，自從他們做了前面這兩個(gè)主題演講之后，在這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)做了很多的研究。本文是在前兩個(gè)主題演講基礎(chǔ)上做的最新研究。機(jī)床定位的不確定性會(huì)直接影響所加工零件的尺寸精度。典型的誤差來源是運(yùn)動(dòng)誤差，機(jī)械熱誤差，載荷，動(dòng)力，以及運(yùn)動(dòng)控制軟件。本文主要研究機(jī)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(jī)床熱誤差管理的重大改變。直到最近，機(jī)床制造商給了機(jī)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(jī)

2、器預(yù)熱程序下產(chǎn)生這樣的錯(cuò)誤的管理責(zé)任。如今，機(jī)床制造商越來越頻繁的承擔(dān)對(duì)于控制熱致位移的責(zé)任。這一變化之所以會(huì)發(fā)生，是因?yàn)闄C(jī)床用戶意識(shí)到，有些類似的機(jī)床可以顯示顯著不同的熱錯(cuò)誤，并且在一些機(jī)床上大部分所提供的能量被用于平衡機(jī)床的溫度。此外，高達(dá)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(gè)話題是最近的活動(dòng)的顯著研究重點(diǎn)。制造業(yè)對(duì)這個(gè)主題的興趣可以在最新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)上看到。在過去的二十年已經(jīng)發(fā)展了計(jì)量規(guī)則和性能參數(shù)來評(píng)估空載和精加工條件下機(jī)床的發(fā)熱特性的多項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。如今，用戶經(jīng)常會(huì)問機(jī)床制造商，包括這樣的測(cè)量進(jìn)行驗(yàn)收測(cè)試。新的測(cè)量設(shè)備經(jīng)常用于延長(zhǎng)熱誤差和檢測(cè)機(jī)床熱誤差源。特別是在

3、測(cè)溫測(cè)量設(shè)備，如紅外攝像機(jī)價(jià)格的下降導(dǎo)致在分析機(jī)床的發(fā)熱特性的新選項(xiàng)。在第2節(jié)，將呈現(xiàn)在熱誤差和溫度測(cè)量方面的進(jìn)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(jī)床設(shè)計(jì)或模擬溫度對(duì)機(jī)床的影響來檢測(cè)熱誘發(fā)工具中心點(diǎn)（TCP）位移的來源。由于計(jì)算時(shí)間的瞬態(tài)仿真的費(fèi)用，工程師們往往對(duì)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(yùn)行期間改變其方向的瞬態(tài)行為的觀察，如果兩個(gè)不同的時(shí)間常數(shù)都參與或者如果溫度場(chǎng)的熱源向外擴(kuò)散，通過監(jiān)管陡峭的坡度后會(huì)變得均勻。另外，穩(wěn)定狀態(tài)的結(jié)果不會(huì)導(dǎo)致在穩(wěn)定狀態(tài)的情況下產(chǎn)生時(shí)間依賴行為，這期間可以表示若干小時(shí)。機(jī)電一體化的發(fā)展進(jìn)一步提高了機(jī)床的精度。然而，為了實(shí)現(xiàn)更

4、高的精度，機(jī)床的熱穩(wěn)定性的可預(yù)測(cè)性變得越來越重要，尤其是為了避免后期基于實(shí)驗(yàn)研究的機(jī)床發(fā)展的巨大花費(fèi)。計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步帶來了在TCP溫度分布和熱致位移上更好的估計(jì)。當(dāng)今最先進(jìn)的個(gè)人計(jì)算機(jī)的處理能力已經(jīng)足以滿足處理這樣的計(jì)算的要求。即使使用有限元方法對(duì)一個(gè)完整的機(jī)床瞬態(tài)效應(yīng)進(jìn)行密集型模擬（FEM）計(jì)算，也可以在合理的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。關(guān)于建模和發(fā)熱計(jì)算錯(cuò)誤的概述將在第3節(jié)給出。關(guān)于減少在機(jī)床TCP熱錯(cuò)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(dòng)烤架上發(fā)現(xiàn)。在這個(gè)時(shí)鐘鐘擺上的時(shí)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(shí)現(xiàn)的。在機(jī)床

5、的設(shè)計(jì)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(jī)電一體化經(jīng)常用于誤差補(bǔ)償。熱誤差計(jì)算各種數(shù)值算法和一個(gè)移動(dòng)，以補(bǔ)償熱引起的誤差是由一個(gè)控制致動(dòng)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(jī)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(jì)和能源效率。在機(jī)床的能源效率的討論中已經(jīng)確定，要求進(jìn)一步減少機(jī)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(fèi)。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(jī)床熱誤差的領(lǐng)域的最新研究活動(dòng)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(cè)量上的進(jìn)步。第三章介紹用于計(jì)算機(jī)床熱誤差的方法以及開發(fā)的研究工作。在第4節(jié)，對(duì)減少熱誤差的研究活動(dòng)進(jìn)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(dòng)以及液體和能源效率的影響的概要。本文是對(duì)活動(dòng)和未來發(fā)展趨勢(shì)的總結(jié)。圖1-1 一個(gè)鐘擺的簡(jiǎn)化模型，1：鋼，2：黃銅2、熱誤差和溫度測(cè)量的進(jìn)展2.1熱變形的測(cè)量如今，存在許多測(cè)量機(jī)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(cè)量，因?yàn)檫@些測(cè)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(cè)量；l 其中包括的有關(guān)工作容量；l 具有足夠低的測(cè)量不確定度；l 在一個(gè)短的時(shí)間內(nèi)

7、，溫度變化對(duì)幾何誤差參數(shù)的影響可通過測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。選擇正確的測(cè)量系統(tǒng)取決于誤差源。環(huán)境的影響如機(jī)加工車間的溫度一般會(huì)導(dǎo)致機(jī)床溫度的緩慢變化，但影響整個(gè)體積的性能。內(nèi)部影響如軸承和導(dǎo)軌產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致機(jī)床結(jié)構(gòu)的局部變形，從而導(dǎo)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(yù)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）發(fā)表的一些標(biāo)準(zhǔn)：ISO 230-3機(jī)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(biāo)準(zhǔn)提供了進(jìn)行機(jī)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(dòng)造成的線性熱變形。測(cè)量刀具和工件之間的熱位移是常見的標(biāo)準(zhǔn)。通常測(cè)試芯棒夾持在主軸里，一個(gè)可以測(cè)量五個(gè)位移的測(cè)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(dòng)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(jī)床安裝在溫度變化的環(huán)境中，沒有任何方法可以預(yù)測(cè)頻率與階躍響應(yīng)。圖2-1 由一個(gè)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(jī)床的測(cè)量裝置對(duì)于測(cè)量移動(dòng)的線性軸所造成的熱位移，標(biāo)準(zhǔn)建議檢測(cè)軸線行進(jìn)距離的兩端的錯(cuò)誤，如圖5。如果這種熱變形引起軸的傾斜運(yùn)動(dòng)，該行駛距離的兩端的角位移是不同的。如果只有一個(gè)位置的測(cè)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(dòng)，位移距離可以在不同位置進(jìn)行測(cè)量。此外，比較器系統(tǒng)被用于檢測(cè)沿機(jī)床軸各種位置到兩個(gè)方向的熱位移。為了測(cè)量環(huán)境對(duì)機(jī)床的影響，溫度室被開發(fā)出來。該溫度室可控制隨時(shí)間變化的空氣和基礎(chǔ)溫度?；A(chǔ)部分的熱影響進(jìn)行了研究。對(duì)旋轉(zhuǎn)軸機(jī)床的熱變形的測(cè)量還沒有列入標(biāo)準(zhǔn)。R-檢驗(yàn)設(shè)備和另外兩個(gè)長(zhǎng)度測(cè)量探頭，旋轉(zhuǎn)主軸引起的熱位移可通過測(cè)量五軸機(jī)床的五個(gè)位置進(jìn)行檢測(cè)。通過在夾緊在主軸里面的主球和安裝在機(jī)床表面的R-test傳感器，可以對(duì)五軸機(jī)床各軸的熱位移進(jìn)行三個(gè)方向的測(cè)量。機(jī)床旋轉(zhuǎn)臺(tái)的熱位移可以通過夾緊在臺(tái)面上的主球檢測(cè)到。臺(tái)面溫度的上升將導(dǎo)致臺(tái)面的尺寸增長(zhǎng)。這種測(cè)量被建議用

10、于了解五軸機(jī)床的工件誤差。如果在高的相對(duì)速度下使用接觸探頭檢測(cè)TCP引起的熱位移，例如，測(cè)量旋轉(zhuǎn)主軸導(dǎo)致的熱位移，機(jī)床在測(cè)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(cè)旋轉(zhuǎn)主軸誘導(dǎo)的TCP熱位移。要使用伸縮式球桿檢測(cè)到它們，一種特殊的適配器被設(shè)計(jì)出來。當(dāng)需要測(cè)量主軸的影響導(dǎo)致的TCP位移時(shí)，該適配器會(huì)被安裝在靠近正在運(yùn)行的銑削頭附近。因此，該適配器本身的熱變形會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果。在水平方向上選擇對(duì)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(fù)荷進(jìn)行最小化。使

11、用夾緊在機(jī)床主軸上的觸發(fā)式探頭有一定的優(yōu)勢(shì)。用一個(gè)探針就能檢測(cè)多達(dá)三個(gè)方向上的熱誘導(dǎo)的TCP位移，并且是在機(jī)床的主軸中心線上進(jìn)行檢測(cè)的。接觸式探頭經(jīng)常用于測(cè)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(cè)實(shí)際的熱誘導(dǎo)的TCP位移需要換刀。通常在臺(tái)面上夾緊測(cè)量裝置的幾個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。該測(cè)量裝置是根據(jù)需要被加工的材料，機(jī)床的材料結(jié)構(gòu)或者具有低的熱膨脹的材料進(jìn)行選擇的。傳統(tǒng)上的殷鋼，陶瓷玻璃，或碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）被用于此目的。碳纖維復(fù)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(cè)的電容式測(cè)量探頭和裝 圖2-3 一種五軸機(jī)床熱變形伸縮雙球桿測(cè)量裝置有主球的主軸的軸向膨脹的測(cè)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(cè)量機(jī)床框架（圖2-4）的熱變形。機(jī)床框架的變形被用來確定TCP位移。圖2-4 對(duì)加工中心使用觸發(fā)式探頭測(cè)量一個(gè)移動(dòng)的直線軸的熱變形 1：機(jī)床平臺(tái)，2：機(jī)床主軸，3：觸發(fā)式探頭，4：探測(cè)點(diǎn)（共12個(gè)）標(biāo)準(zhǔn)中所描述的測(cè)量程序是在無負(fù)載或精加工條件用于機(jī)床的。模擬工件的影響力的時(shí)候會(huì)給機(jī)床工作臺(tái)裝一個(gè)壓塊。用液壓制動(dòng)模擬來自切割工藝的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，主軸加載如圖2-5所示。負(fù)載的大小取決于油的壓力并且通過手動(dòng)調(diào)節(jié)控制。一件裝雙球吧（LDBB）用于評(píng)估負(fù)載條件下機(jī)床的靜態(tài)行為。溫度在時(shí)間和空間上的變化引起的機(jī)器的錯(cuò)誤可以由溫度不變的參考對(duì)象或獨(dú)立長(zhǎng)度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)確定。方

13、法和程序在這里面說明了?；诙帱c(diǎn)的新測(cè)量技術(shù)使在線修正專用機(jī)床的運(yùn)動(dòng)得以實(shí)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(cè)量三維位置的m3d3系統(tǒng)。先進(jìn)的測(cè)試程序允許在一個(gè)幾乎無阿貝誤差的模式下估計(jì)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(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校正。各個(gè)數(shù)值是從一組分布于測(cè)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(jì)算可以按照克里格方法。圖2-5 測(cè)量在單位應(yīng)力負(fù)載下的熱畸變（模擬力和液壓泵）獨(dú)立的糾正熱誤差的可能性，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程的質(zhì)量應(yīng)進(jìn)行量化時(shí)確定測(cè)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(zhǔn)的文物，如球或孔板，另一

14、種方法是在虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（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(biāo)系的機(jī)械。2.1.1 體積定位誤差的測(cè)量有幾個(gè)測(cè)量系統(tǒng)可用于機(jī)床的體積校正，如幾何標(biāo)準(zhǔn)，激光干涉儀，和重力測(cè)量系統(tǒng)。如果要測(cè)量空間定位精確的熱影響，校準(zhǔn)程序必須在不同溫度水平下重復(fù)。測(cè)量過程中，機(jī)床的溫度應(yīng)足夠穩(wěn)定。因此，測(cè)量時(shí)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(jī)床的快速容量校準(zhǔn)的方案，是使用多點(diǎn)跟蹤干涉儀的機(jī)床校準(zhǔn)（TI）。這種方法是基于測(cè)量Ti和固定在機(jī)床的刀架上并沿著一個(gè)預(yù)定的路徑運(yùn)動(dòng)的反射器之間的位移。這種誤差參數(shù)是根據(jù)名義和測(cè)量長(zhǎng)度之間的差別計(jì)算出來的，考慮適應(yīng)機(jī)器模型。

15、校準(zhǔn)的結(jié)果可以被用來生成一個(gè)幾何誤差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)牟檎冶?。該?biāo)定方法可以顯著的加快測(cè)量。測(cè)量一個(gè)1m3工作容積的時(shí)間可以減少到小于1小時(shí)，一個(gè)刀具長(zhǎng)度。使用一個(gè)四誤差跟蹤干涉儀對(duì)一個(gè)處于大致恒定的溫度水平狀態(tài)的機(jī)床的連續(xù)校準(zhǔn)的快速測(cè)定，大約1小時(shí)。因此，在不同溫度水平下校準(zhǔn)機(jī)床和使用這些信息對(duì)溫度變化進(jìn)行體積補(bǔ)償是可能的。2.1.2 測(cè)量局部位移矢量類似體積校準(zhǔn)，有幾種測(cè)量系統(tǒng)可用于測(cè)量位移矢量，如幾何標(biāo)準(zhǔn)，三維文物，觸發(fā)式探頭，或雙球吧。體積誤差的連續(xù)校準(zhǔn)（例如，使用三維文物，或跟蹤干涉儀）使快速測(cè)量一個(gè)定義在恒定溫度狀態(tài)下的機(jī)床成為可能。因此，在不同溫度下校準(zhǔn)機(jī)床以及使用這些信息對(duì)溫度變化進(jìn)

16、行體積補(bǔ)償是可能的。2.2 溫度測(cè)量溫度測(cè)量對(duì)于更好地了解機(jī)床熱誤差也是很重要的。通常電阻溫度計(jì)被用來測(cè)量機(jī)床的溫度。在過去，鉑電阻溫度計(jì)（Pt100，Pt1000）由于其良好的線性特性經(jīng)常被使用。基于計(jì)算機(jī)的線性化技術(shù)允許其他類型的溫度計(jì)使用，如熱電偶，負(fù)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(jì)的電磁敏感引起電域的測(cè)量誤差。最近開發(fā)的半導(dǎo)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(duì)機(jī)床的離散溫度通?？梢酝ㄟ^接觸探針測(cè)量。在60年代初，熒光漆被用于測(cè)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(gè)頻率的光源照射時(shí)可以吸收光照。光的吸收依賴于溫度。作者使用這種測(cè)量方法計(jì)算了整體溫度±1.65 K的誤差。如今，紅外攝像機(jī)通常用于測(cè)量機(jī)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(zhǎng)由短