三坐标测量机热特性分析及改善对策 - 文章

三坐标测量机热特性分析及改善对策

作者：曹岩梅林赵汝嘉王裕文

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由于机床类型的多样性、结构的复杂性及环境对温度场和热变形的影响较大，在研究坐标测量机热特性时，为了准确地判断出测量机内部主要热源的分布，以及由此而引起的温度场分布和在整个工作过程中测量机各部位的温度变化情况，并为进一步研究和解决热变形问题和最优结构设计提供原始数据。利用红外热像技术对三坐标测量机温度进行实时的、连续的、非接触的、大面积和高分辨率的测量具有重要的实际意义。

1试验方案与内容

1.1测试目的及要求

利用红外热像技术对青岛前哨英柯发测量设备有限公司的ZOO3系列三坐标测量机中的ZOO3/15107、ZOO3/1077及ZC866三种机型的温度分布及热源产生情况进行测试。要求如下：

(1)掌握所测试三种型号测量机温度场由瞬态到稳态的变化过程；
(2)掌握所测试三种型号测量机产生热变形的关键件的温度场及最大温差；
(3)了解所测试的三种型号测量机热源产生的情况及其周围的温度分布；
(4)为进行热特性分析及从热特性角度进行关键件的最优结构设计提供原始数据。

1.2测试场地与条件

测试在前哨英柯发测量设备有限公司恒温装配车间进行，室内的温度条件为20±1℃。测试对象是已经调试好符合出厂要求的三种型号的测量机。采用的测量设备是瑞士产的AGA780SW远红外测量仪，其分辨率为±0.1℃。其中，对ZOO3/15107的测试是在塑料棚内进行的。

1.3测试内容

在三坐标测量机空运转状况下(X、Y、Z三个方向的电动机全部启动)，全面测试温度场分布及温升—时间关系，并对机床热特性进行分析。具体内容如下：

(1)三种型号的测量机温度场从瞬态到稳态的变化过程；
(2)产生热变形的关键件——龙门框架的温度场分布及最大温差；
(3)寻求可能产生热源的组件；
(4)三个方向的电动机及其周围温度场分布情况；
(5)气浮块及其周围温度分布。

2试验结果与分析

2.1温升曲线——瞬态至稳态的变化过程

对三种机型的横梁上某一固定点进行瞬态温度测试，找出测量对象处于热平衡状态的转变点，三坐标测量机与精密机床对温度变化规律大同小异，服从下列指数变化规律为

T=T0+B(1-e^t/τ)

式中T——温度，℃
t——时间，min
T0——初始温度(室温)，℃
τ——常数

ZOO3/1077三坐标测量机进行了两次测量，第一次测试由于环境因素的干扰太大，恐怕测试数据不准确，所以进行了第二次测试。第一次测试温升曲线如图1a所示，第二次测试温升曲线如图1b所示。为了便于比较和分析，将三种机型的温升曲线汇总于图2。其中，ZOO3/15107、ZC866温升曲线如图2中曲线1、2所示，ZOO3/1077第一、二次测试温升曲线如图2中曲线3、4所示，对比这两条曲线可以看出周围环境干扰对于第一次测量结果的影响。

图1ZOO3/1077运行时机架上某点温度—时间关系拟合曲线

图2四次试验曲线关系对比图

从所测试数据及温升曲线得出如下的结论：

(1)三坐标测量机从静态到稳态的温升过程基本上与其它精密机床一样，符合指数曲线规律，即T=T0+B(1-et/τ)，其中各项系数随机型的不同而异。
(2)ZOO3/15107的测试数据基本上在曲线附近，而其它机型则较离散。因为ZOO3/15107是在塑料棚内测试的，从而可以看出在棚内进行测试可以减弱装配车间环境变化(如车间大门的开关、车间人员走动等因素)对测试结果的影响，这也正符合高精密机床应在大恒温室中另建小型的恒温调试房的观点。
(3)除去受环境变化影响较大的曲线3以外，从曲线1、2、4可以看出，从瞬态到稳态的过程大致需要120min左右。故建议在今后调试及验收时，应预先开机运行2h，然后再进行检测及调试工作。
(4)不同导热系数及热容量的材料制成机架，其从瞬态到稳态的温升过程各异，公司应根据不同机型、精度要求及应用场合制定出由开机到热平衡的时间。对于生产型三坐标测量机，应采取措施以缩短三坐标测量达到热平衡状态所需的时间。

2.2温度场

(1)以ZOO3/1077龙门框架在三个时刻，即开始运行时刻、运行30min后、接近热平衡状态(80min)时，来分析其温度场的情况。运行30min后温度场分布如图3所示。主要结论如下：

图3ZOO3/1077运行30min时温度场分布情况

①龙门框架温升不大，不超过1℃，由于在测试过程中，拆掉了外面的罩子，这样一来就加大了散热效果，故实际温升可能超过1℃；
②横梁水平方向最大温差为0.17℃；
③框架垂直方向最大温差为0.17℃；
④框架整体最大温差为0.41℃；
⑤就总体情况来看温差不大，温度场尚属均匀分布。

(2)热源的产生。从各个方向观察温度场分布情况，发现最高温度有三处：

①Y、Z两个方向电动机的温度为27.94℃；
②Y、Z两个方向减速器处的温度分别为28.47℃、28.21℃；
③X方向电动机的温度大于27℃，其减速器处的温度大于29℃；
这三处是热源，特别是减速器处的温升大于电动机温度，说明该处可能产生较强的热源，需采取措施对其进行改进。同样由于拆掉罩子，增加了散热效果，故其实际温升大于上述数值。
④X向气浮块周围虽然较附近处温度较高，但没有超过横梁、立柱温度均值，故实际上可以不予考虑。

(3)利用虚拟原型和仿真进行热特性分析。对三坐标测量机这类精密设备，由于温度分布不均，会产生热变形和热应力，热应力很小，可以不予考虑，主要是热变形对测量精度的影响，温度分布的测试为解决热变形问题提供了原始数据。为确定温度分布不均匀所产生的热变形，除测量方法外，还需采用虚拟原型及计算机仿真进一步对其进行全面分析与研究。

3改进对策

3.1降低热源

(1)为了减小装配车间环境变化(如车间大门的开关、车间人员走动等因素)对测试结果的影响。建议公司在装配调试恒温室建一个可拆的、可移动的小型装配调试房，以保证调试精度及调试时间。
(2)对装配调试恒温室的温度控制系统做进一步的改进，提高对环境温度、湿度等因素的控制能力，为三坐标测量机的装配和调试提供一个条件更好的环境。
(3)对减速器结构进行改进，减小摩擦，提高传动效率。

3.2热流控制

(1)在X、Y、Z轴电动机和减速器等主要热源部位，适当地安装绝缘物，进行被动热流控制，使主要结构件的温度场更加均匀，从而改善测量机的热特性。
(2)采用外部热源减少测量机从瞬态到稳态的时间，降低温度场温度分布的变化。

3.3热鲁棒结构设计

通过改变三坐标测量机设计来降低或消除热变形对测量机精度的影响，对于ZOO3/1077拟采用以下改进措施：

(1)针对测量机的主要结构件(左立柱、右立柱、滑架和横梁)分别采用不同的材料、结构和参数进行比较分析，确定热特性更好的结构类型。
(2)针对(1)所确定的主要结构件结构类型，进行热特性的最优结构设计，确定最优结构和参数。
(3)针对(2)所确定的主要结构件的最优结构，研究开孔、开槽等局部结构变动对其热特性的影响。

以上几个方面的讨论属于误差防止方面的措施。在上述研究的基础上，利用对三坐标测量机现有或改进结构的热特性分析，结合实际误差测量，进行热误差补偿也是提高测量机精度的一种有效手段。

4结语

本文利用红外热像技术对前哨英柯发测量设备有限公司的ZOO3系列三坐标测量机进行热特性研究，并主要讨论了ZOO3/1077温度变化、温度场分布情况以及改进措施。本文的研究为进一步进行热特性研究以及从热特性角度对三坐标测量机关键件进行最优结构设计提供了可靠的原始数据，与虚拟原型和仿真相结合，就能够对其热特性进行精确计算。

基金项目：西安交通大学研究生院博士学位论文基金资助
作者单位：曹岩（西安市西安交通大学机械工程学院CAD/CAM研究所710049）
梅林（西安市西安交通大学机械工程学院CAD/CAM研究所710049）
赵汝嘉（西安市西安交通大学机械工程学院CAD/CAM研究所710049）
王裕文（西安市西安交通大学机械工程学院CAD/CAM研究所710049）

参考文献：
［1］赵汝嘉，白作霖等.机床热特性研究的智能集成系统.中国机械工程，1996(2)
［2］陈元迪，赵汝嘉等.红外热像技术在机床热特性研究中的应用.红外技术，1987(1)
［3］赵汝嘉，褚启勤.机床立柱热变形规律的研究.西安交通大学学报，1986(5)
［4］杨建国，薛秉源.CNC车削中心热误差模态分析及鲁棒建模.中国机械工程，1998(5)
［5］Choi J K, Lee D G. Thermal Characteristics of the Spindle Bearing System with a Gear Located on the Bearing Span. International Journal of machine Tools & manufacture, 1998,38
［6］Weck M, McKeown P,Bonse R and Herbst U.Reduction and Compensation of Thermal Errors in Machine ToolS. Annals of the CIRP,1995(2)(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/27/2005)


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