一种数控机床变形协同控制方法

1.本发明涉及机床变形，尤其是涉及数控机床变形协同控制方法。


背景技术：

2.数控机床运动过程中，机床振动是影响加工精度和妨碍提高生产效率的重要因素之一，刀具与工件的接触、电机的颤动、主轴的摆动和地面的振动是产生数控机床振动的主要原因。减小和抑制加工中的机床振动主要有调整加工工艺和调整机床结构两种方法。调整加工工艺根据机床振动特性来合理选择工艺参数，避开机床结构的共振点和加工中的颤振区，该方法成本低但是抑制效果不够明显；调整机床结构通过加强机床刚度、改变机床固有频率来抑制振动产生的误差，该方法相对来说较明显，但是会增加机床复杂程度。
3.数控机床加工过程中必然会产生热量，而热源一般可以分为内部热源和外部热源两种。内部热源主要包括电机、轴承和丝杠螺母副等，外部热源主要为环境温度，在这两种热源共同作用下构成了数控机床温度场，温度场的不均匀分布产生了热变形，进一步导致加工热误差。目前降低数控机床加工热误差主要有关键部件冷却和热误差补偿两种方式。冷却方式效果显著但是需要添加冷却系统，增加了加工成本；补偿方式成本较低，但是热误差控制效果没有冷却明显。
4.数控机床加工时产生的加工误差是由于机床振动和热变形等因素共同作用的结果。由于振动使得运动副接触变化，会使热源生热量发生变化，进一步影响温度场；同样，热变形会影响数控机床接触刚度，进一步影响振动规律。故数控起床的振动变形和热变形存在耦合现象。针对从振动和热单一方面控制变形无法满足精密加工需求的现状。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种综合考虑机床热变形和振动变形的耦合影响，分析冷却系统和刚度调节系统的相互影响，通过冷却控制系统和刚度调节系统的相互补偿，最终实现热变形与振动变形协同控制的数控机床变形协调控制方法。
6.本发明的目的之一采用如下技术方案实现：一种数控机床变形协同控制方法，包括以下步骤：建立机床热变形仿真模型：根据机床的工作状态和热源的材料参数，建立温度场模型，将温度场模型仿真结果以热载荷的形式加入变形场，得到工作状态下的机床热变形场和热变形数据；布置冷却系统：根据机床结构和热变形数据布置冷却系统；建立机床振动仿真模型：将进给系统运动模块作为影响因素，设计仿真实验，建立不同运动规律下的机床振动仿真模型，研究动载荷对机床振动变形的影响规律；布置刚度调节系统：根据机床振动仿真模型得出的刚度薄弱位置，将刚度调节系统布置在机床刚度薄弱的位置；
获取刚度调节系统对机床热变形影响规律：对安装了刚度调节系统的机床建立热变形仿真模型，分析刚度调节系统对机床热变形的影响，对冷却系统布局进行调整；获取冷却系统对机床振动变形影响规律：对安装了冷却系统的机床建立振动仿真模型，分析冷却系统对机床振动的影响，对刚度调节系统布局进行调整；协同控制仿真模型构建：对安装了刚度调节系统以及冷却系统的机床建立仿真模型，对模型进行热变形和振动多场耦合仿真，获得机床最终变形。
7.进一步的，在所述建立机床热变形仿真模型步骤中，建立温度场模型具体为：计算热源的生热效率，为有限元模型施加载荷和边界条件，获得温度场模型。
8.进一步的，在所述建立机床热变形仿真模型步骤中，还包括修正温度场模型，所述修正温度场模型具体为：获取机床热源与热敏感点温度瞬态变化数据，根据机床热源与热敏感点温度瞬态变化数据修正温度场模型。
9.进一步的，在所述布置冷却系统步骤中，采用热敏感部位优先冷却方法，优先冷却热变形集中部位，布置冷却装置。
10.进一步的，所述冷却装置为外部风冷装置和/或内部液体冷却装置。
11.进一步的，在所述建立机床振动仿真模型步骤中，设计仿真实验具体为：设计正交仿真实验，实验覆盖机床常规加工的所有运动状态。
12.进一步的，在所述布置刚度调节系统步骤中，所述刚度调节系统为机床外部加强结构，通过改变机床局部刚度与固有频率，进而改变机床振动变形。
13.进一步的，对冷却系统布局进行调整以及对刚度调节系统布局进行调整具体为：调节冷却系统以及刚度调节系统的位置、冷却系统冷却强度、刚度调节系统的刚度以及刚度调节系统的形状中的任意一种。
14.进一步的，对冷却系统布局进行调整以及对刚度调节系统布局进行调整时，约束条件为冷却系统和刚度调节系统调整比例均方差最小，保证耦合分析不出现反复振荡问题。
15.进一步的，在所述协同控制仿真模型构建步骤中，当机床最终变形未满足需求时，调节刚度调节系统布局参数和/或调节冷却系统布局参数，然后回到建立机床热变形仿真模型和振动仿真模型步骤进行循环，直至机床最终变形满足需求。
16.相比现有技术，本发明数控机床变形协同控制方法通过从多因素导致机床变形的角度出发，综合考虑了机床温度场和机床振动对机床变形的影响，流体冷却系统的布局和刚度调节系统的布局根据温度场和振动的耦合分析确定，在初始机床振动规律的基础上，考虑了冷却系统对机床振动规律的影响，通过分析热变形产生原理和机床振动原理，确定最佳的协同控制布局方案，最终实现热变形与振动变形协同控制，降低加工误差。
附图说明
17.图1为本发明数控机床变形协同控制方法的流程图；图2为机床温度升高曲线图；图3为冷却系统分布图；图4为不同因素下的丝杠热变形；图5为冷却系统位于侧部位置的振动变形；
图6为冷却系统位于顶部位置的振动变形；图7为测头误差分布规律。
18.图中：1、侧部位置；2、顶部位置。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在另一中间组件，通过中间组件固定。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在另一中间组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在另一中间组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
21.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
22.图1为本发明数控机床变形协同控制方法的流程图，本发明数控机床变形协同控制方法包括以下步骤：建立机床热变形仿真模型：根据机床的工作状态和热源的材料参数，建立温度场模型，将温度场模型仿真结果以热载荷的形式加入变形场，得到工作状态下的机床热变形场和热变形数据；布置冷却系统：根据机床结构和热变形数据布置冷却系统；建立机床振动仿真模型：将进给系统运动模块作为影响因素，设计仿真实验，建立不同运动规律下的机床振动仿真模型，研究动载荷对机床振动变形的影响规律；布置刚度调节系统：根据机床振动仿真模型得出的刚度薄弱位置，将刚度调节系统布置在机床刚度薄弱的位置；获取刚度调节系统对机床热变形影响规律：对安装了刚度调节系统的机床建立热变形仿真模型，分析刚度调节系统对机床热变形的影响，对冷却系统布局进行调整；获取冷却系统对机床振动变形影响规律：对安装了冷却系统的机床建立振动仿真模型，分析冷却系统对机床振动的影响，对刚度调节系统布局进行调整；协同控制仿真模型构建：对安装了刚度调节系统以及冷却系统的机床建立仿真模型，对模型进行热变形和振动多场耦合仿真，获得机床最终变形。
23.建立机床热变形仿真模型步骤具体为：测试机床在初始状态和一定条件下稳态温度场。主要包括热源（包括电机、导轨、丝杠、轴承），其次是其他对加工误差影响较大的结构件。通过mt-x多路温度记录仪，记录机床瞬态温升曲线，如附图2所示。根据机床的工作状态和热源的材料参数，计算热源的生热
效率，为有限元模型施加载荷和边界条件，获得温度场模型。依据机床热源与热敏感点温度瞬态变化数据修正温度场模型。具体实施时，温度场室温23℃，总体温度介于23.7℃与43.8℃之间，其中x轴电机温度最高为43℃左右，最低温度为工作台部分，接近室温。实验温度测点处稳态温度与仿真对应点温度相接近。丝杠靠近电机一端温度较高约30℃，远离电机端温度较低约25.6℃。丝杠温度梯度为4℃。综合实验结果与温度场仿真结果，有限元方法所得温度场结果是正确的。将温度场仿真结果以热载荷的形式加入变形场，计算得出在实验工作条件下的变形场，并得出局部变形数据。具体实施时，在x方向上，靠近电机端和远离电机端向外膨胀剧烈，在中间区域热变形较小。整体偏移在0～53μm之间。在y方向上，由于底端与工作台接触，采用固定接触，整体向上偏移。最大偏移量为90μm。在z方向上整体偏移量较少，正反两个方向约为15μm左右。丝杠在x方向上偏移量较少，正反两个方向上的偏移量约为1μm左右。丝杠在y方向上，整体偏移量较大，靠近电机一端偏移量为56μm，远离电机端偏移量约为20.5μm。丝杠在z方向上，整体偏移量较小，靠近电机端和远离电机端偏移量约为3μm，丝杠中间部位偏移约为11μm。
24.布置冷却系统步骤具体为：根据机床结构和热变形分布规律布置冷却系统。采用热敏感部位优先冷却方法，优先冷却热变形集中部位，布置冷却装置。冷却系统为外部风冷装置和/或内部液体冷却装置。在本实施例中，采用风扇作为外部风冷装置。风扇的数量为两个，两风扇分别安装在侧部位置1和顶部位置2处，如附图3所示。侧部位置1处风扇：固定于机床内表面，风扇中心位置距离机床顶部150mm, 保持风向正对于竖直方向的电机。顶部位置2处风扇：固定于机床顶部表面，风扇中心轴线平行于竖直方向丝杠。分别在侧部位置1和顶部位置2施加同样的冷却强度，对比观察冷却效果。通过风扇强冷仿真实验可知，风扇的位置对冷却效果有很大影响。风扇离电机越近冷却效果越好，顶部位置2是最佳风扇放置位置，最佳冷却强度为3w，如图4所示。
25.建立机床振动仿真模型步骤具体为：将8个丝杠系统（模组、固定板、内滑块）作为8个因素，在每个半平面里，每个丝杠系统的工作位置有左侧和右侧两个位置可选。为了探究动载荷作用下的机床变形，设计12组正交试验，仿真丝杠系统在不同位置组合下的变形。其中，动载荷以23.52m/s2加速度结合内滑块及测头的质量（1.65kg）确定，以均布载荷（0.06mpa）作用于各个内滑块上表面。每组仿真试验中，8个内滑块均布置于丝杠中间位置。重力加速度取9.8m/s2。一台机床有正反两个板块，呈对称结构，同时工作。每个板块有水平丝杠2个，竖直丝杠2个，整台机床共8组丝杠。内滑块是测头和丝杠的连接部分，内滑块带动测头移动。在进行振动仿真时考虑动载荷的影响，内滑块和测头作为移动部件都被考虑。动载荷通过实际计算得到，内滑块质量、测头质量、重力加速度和实际测头运动加速度共同确定动载荷。
26.布置刚度调节系统步骤具体为：根据机床振动仿真模型得出的刚度薄弱位置，将刚度调节系统布置在机床刚度薄弱的位置。刚度调节系统为机床外部加强结构，通过改变机床局部刚度与固有频率，进而改变机床振动变形。在本实施例中，刚度调节系统为加强筋结构，连接形式影响结构的共振，因而针对丝杠系统采用两种不同的连接形式（固定板上滑块内表面与滑轨的接触分别取上表面和侧表面，丝杠系统下端连接采用完全约束方式）。对添加刚度调节系统前后的机床进行一阶和二阶模态分析。改动前，一阶共振
±
8μm，二阶共振
±
16μm；改动后，一阶共振
±
2μm，二阶共振
±
1μm。
27.获取冷却系统对机床振动变形影响规律具体为：冷却系统影响机床的共振，因而对比分析冷却系统位于侧部位置1和顶部位置2的共振变形，如图5和图6所示。从图中可知冷却系统位于顶部位置2振动变形最小。对比无冷却系统前的振动变形可知冷却装置引入的新误差约5μm左右。
28.在协同控制仿真模型构建步骤中，当机床最终变形未满足需求时，调节刚度调节系统布局参数和/或调节冷却系统布局参数，然后回到建立机床热变形仿真模型步骤进行循环，直至机床最终变形满足需求。上述布局调整是在最先确定布局参数上进行调整，不仅可以调整位置布局参数，也可以调整冷却装置强度和刚度调节装置形状等参数。调整的目标是让总变形最小，约束条件为冷却系统和刚度调节系统调整比例均方差最小，保证耦合分析不出现反复振荡问题。整体误差分析：测头误差概括为“x轴合格，y轴递增超差”，且出厂前后的误差分布特征近似，如图7所示。图7描述了未做任何误差控制前机床实际误差分布。横坐标是位置测点，单位为mm，纵坐标为误差，单位为
µ
m。“x”和“y”代表机床坐标系下误差的方向，“x1”和“y1”是第一次测量结果，“x2”和“y2”是第二次测量结果，“y3”是第三次测量结果，由于x方向误差远低于y方向误差，部分x方向误差数据未展示。其中误差负值代表未达到理想位置，正值代表超过理想位置，0代表实际位置与理想位置重合。从该图中可以看出，每次测量结果略有差别，但是总体x方向误差远低于y方向误差。实际生产要求x方向和y方向误差均不超过
±
80
µ
m，y方向误差超过了允许误差，且从图可以看出随着测量点坐标增加y方向误差逐渐增加，此处坐标增加对应测头自上而下运动。协同控制效果分析：流场冷却系统使温度场产生了较大改变，冷却部位的丝杠温度接近室温，相比于冷却前降低了约4℃。丝杠的最大热偏移降低了约40μm，丝杠的最大热变形降低了约30μm。刚度调节系统单独作用下降低了约16μm振动变形。综合整体效果观察，刚度调节系统不仅调节了机床自生热误差，也包括冷却系统引入的新误差（约5μm）。故该协同控制系统可降低机床51μm误差，占机床原来误差26%。
29.本技术从多因素导致机床变形的角度出发，综合考虑了机床温度场和机床振动对机床变形的影响。采用流体冷却系统抑制热变形。对关键热源周围布置冷却装置，调控周围温度场，加快热源热量流动，这样既能快速降低温度场，也不会导致热量聚集。冷却装置位置可调节，可以随着热源强度的变化调整位置，从而达到理想的控制效果。采用刚度调节系统抑制振动变形。对机床刚度薄弱环节添加固定板和滑动加强筋等结构，可以调节刚度调节装置位置，使得刚度调节系统可以动态适应机床振动的变化。流体冷却系统的布局和刚度调节系统的布局根据温度场和振动的耦合分析确定。在初始机床振动规律的基础上，考虑了冷却系统对机床振动规律的影响。通过分析热变形产生原理和机床振动原理，确定最佳的协同控制布局方案。
30.以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进演变，都是依据本发明实质技术对以上实施例做的等同修饰与演变，这些都属于本发明的保护范围。