楊紅芳，張 了

(1.西安工業(yè)大學(xué) 工業(yè)中心，陜西 西安 710021；2.陜西電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710054)

齒輪測(cè)量機(jī)熱變形的控制方法

楊紅芳1，張 了2

(1.西安工業(yè)大學(xué) 工業(yè)中心，陜西 西安 710021；2.陜西電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710054)

目前，齒輪測(cè)量機(jī)主要應(yīng)用在恒溫室內(nèi)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和測(cè)量需求的不斷提高，將齒輪測(cè)量機(jī)應(yīng)用到普通生產(chǎn)車(chē)間內(nèi)將會(huì)成為現(xiàn)代機(jī)床發(fā)展的方向。當(dāng)齒輪測(cè)量機(jī)應(yīng)用到生產(chǎn)車(chē)間內(nèi)時(shí)，在眾多影響因素中，環(huán)境溫度變化因素是影響最大的，會(huì)對(duì)其精度造成不可忽視的影響。本文通過(guò)對(duì)齒輪測(cè)量機(jī)機(jī)械部件熱變形分析，得出了產(chǎn)生熱變形的主要表現(xiàn)形式，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)有關(guān)于減少機(jī)械機(jī)床熱變形的方法和措施，提出了為防止齒輪測(cè)量機(jī)產(chǎn)生熱變形而采取的有效控制方法。

環(huán)境溫度；齒輪測(cè)量機(jī)；熱變形；預(yù)防；控制

熱變形是普遍存在的現(xiàn)象，也是影響機(jī)械精度的重要因數(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及普通車(chē)間對(duì)測(cè)量要求的增加，將精密機(jī)床運(yùn)用到普通車(chē)間已經(jīng)成為現(xiàn)代發(fā)展的需求。根據(jù)相關(guān)資料的統(tǒng)計(jì)與分析，目前在常用儀器總誤差中，熱變形所帶來(lái)的誤差約占總誤差的1/3，經(jīng)過(guò)對(duì)其他誤差源修正后，雖然儀器總誤差將顯著減小，但熱變形誤差所占的比例卻上升到總誤差的一半以上(見(jiàn)圖1)。在精密加工中，熱變形誤差對(duì)加工精度的影響同樣為人們所重視，熱變形誤差己占總誤差的40%～70%[1-2]。由此可見(jiàn)，重視研究溫度引起熱誤差對(duì)機(jī)械的影響，深入研究機(jī)械熱變形理論與應(yīng)用技術(shù)，可以有效減小與控制熱變形誤差，對(duì)精密加工、精密測(cè)試和機(jī)械設(shè)備的使用都具有重大的意義和良好的應(yīng)用前景。

1 齒輪測(cè)量機(jī)熱變形的來(lái)源

齒輪測(cè)量機(jī)熱變形的熱源可以分為內(nèi)熱源和外熱源2種：內(nèi)熱源是齒輪測(cè)量機(jī)自身工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量，主要包括各軸向運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱、導(dǎo)軌之間的摩擦以及其他電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生；外熱源主要是由環(huán)境溫度影響引起的，主要包括室內(nèi)溫度變化、季節(jié)性變化和晝夜溫差的變化。

圖1 溫度引起誤差同測(cè)量到的總誤差關(guān)系

2 齒輪測(cè)量機(jī)熱變形對(duì)精度的影響

齒輪測(cè)量機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)[3]參數(shù)主要包括上下頂尖跳動(dòng)、上下頂尖同軸度、切向(T軸)導(dǎo)軌的直線(xiàn)度、徑向(R軸)導(dǎo)軌的直線(xiàn)度、軸向(Z軸)導(dǎo)軌的直線(xiàn)度、T軸與頂尖連線(xiàn)的垂直度、R軸與頂尖連線(xiàn)的垂直度、T軸與R軸的垂直度、主軸旋轉(zhuǎn)精度以及Z軸與上下頂尖連線(xiàn)的平行度。

當(dāng)齒輪測(cè)量機(jī)所受的環(huán)境溫度變化時(shí)，從上下頂尖的整體變形圖(見(jiàn)圖2)可以看出，齒輪測(cè)量機(jī)的各機(jī)械部件都向外膨脹，特別是上下頂尖，下頂尖處的變形量要比上頂尖處的變形量較大，同時(shí)在立柱與上頂尖連接處的變形量卻較小。引起上述變形的主要原因是由于底座尺寸比較大，其內(nèi)部溫度場(chǎng)由于溫度的升高而使吸收的能量不能很快地傳遞出去，導(dǎo)致了總體的變形量與上頂尖相比就較大一些；而對(duì)于上頂尖立柱與上頂尖來(lái)說(shuō)，這些部件的尺寸相對(duì)較小，吸收的能量能夠很快擴(kuò)散出去，這樣引起的變形量與底座相比不大。根據(jù)圖2可知，在X向的變形量只影響齒輪測(cè)量機(jī)的上下偏移量，對(duì)同軸度沒(méi)有影響，因而在此不予考慮X向的變形。

圖2 上下頂尖整體變形圖

上下頂尖Y向和Z向的變形圖如圖3和圖4所示。從圖3中可知，上頂尖立柱發(fā)生彎曲而引起了上頂尖在Y向的伸長(zhǎng)，從而造成了Y向的變形。根據(jù)對(duì)圖3和圖4的分析，造成齒輪測(cè)量機(jī)同軸度發(fā)生變化的主要原因是來(lái)源于上下頂尖在Y向和Z向的變形。

圖3 上下頂尖Y向的變形圖 圖4 上下頂尖Z向的變形圖

齒輪測(cè)量機(jī)受熱變形的表現(xiàn)形式可以概括為下述幾個(gè)方面。

1)線(xiàn)性位移變化。由于熱量擴(kuò)散后造成齒輪測(cè)量機(jī)的不同部件在不同方向上的移動(dòng)，破壞了測(cè)量機(jī)的安裝調(diào)試精度，同時(shí)也造成了工作臺(tái)上的位置變化，從而導(dǎo)致測(cè)量精度誤差。

2)同軸度變化。對(duì)于齒輪測(cè)量機(jī)來(lái)說(shuō)，由于溫度的變化，齒輪測(cè)量機(jī)的上頂尖立柱的變形，以及上頂尖的變形量與底座的變形量不同，使上下頂尖的同軸度發(fā)生了變化，而齒輪測(cè)量機(jī)的上下頂尖是用來(lái)固定工件的，當(dāng)上下頂尖的同軸度發(fā)生了變化，在以后的測(cè)量過(guò)程中都會(huì)有誤差的產(chǎn)生。

3)直線(xiàn)度變化。對(duì)于齒輪測(cè)量機(jī)來(lái)說(shuō)，由于固定各軸的支架內(nèi)部溫度場(chǎng)分布不均勻，引起機(jī)械部件的結(jié)構(gòu)部件發(fā)生變形，而由于各軸的支架平面發(fā)生彎曲，使運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)時(shí)出現(xiàn)直線(xiàn)度的變化。

總之，齒輪測(cè)量機(jī)熱變形后會(huì)改變工藝系統(tǒng)中各部件的相對(duì)位置，破壞了其相對(duì)運(yùn)動(dòng)的正確性，使測(cè)量機(jī)本身的精度降低。在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)和先進(jìn)制造技術(shù)中，為保證精度，應(yīng)采取措施防止和控制熱變形，使誤差減少到最低。

3 減少熱變形的方法

根據(jù)上述對(duì)齒輪測(cè)量機(jī)機(jī)械部件變形表現(xiàn)形式的分析，為了防止由于溫度變化而導(dǎo)致的精度變化的影響，提出了下述幾個(gè)減少熱變形的方法。

1)對(duì)于容易變形的部位加保護(hù)罩，可以減少熱變形的影響，形成一個(gè)局部恒溫空間。M.Donmez等[4]在2007年提出利用壓縮空氣來(lái)達(dá)到熱平衡的新方法，該方法所需要用到的材料僅為一種廉價(jià)的、具有特殊形狀和充滿(mǎn)小縫的硅型管材，當(dāng)壓縮空氣被注入這種管材時(shí)，由于康達(dá)效應(yīng)，熱耗會(huì)大大增加，從而使空氣被迅速冷卻。本文闡述了在模擬熱源和加工中心環(huán)境的基礎(chǔ)上評(píng)估和改進(jìn)此種方法的試驗(yàn)流程。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該方法能夠較容易地應(yīng)用于現(xiàn)有的各種機(jī)械，并能顯著減少熱累積，是諸多非傳統(tǒng)方法中的一種減少熱效應(yīng)誤差的有效措施。

2)對(duì)于容易變形的部位，在不影響使用情況的前提下，采用低膨脹系數(shù)的材料來(lái)制造易于發(fā)熱的重要零件，這樣即使溫度變化，所引起的熱變形也很小，對(duì)設(shè)備精度的影響不會(huì)很大。Ikuo Tanabe等[5]在1986年提出利用與鑄鐵具有近似相同的線(xiàn)膨脹系數(shù)，但具有比較小的熱傳導(dǎo)率的環(huán)氧復(fù)合樹(shù)脂混凝土，以這種復(fù)合結(jié)構(gòu)為例子，在鑄鐵的車(chē)床及車(chē)頭之間加入環(huán)氧復(fù)合樹(shù)脂混凝土材料的板材，再研究該種車(chē)床的熱變形情況，結(jié)果顯示，主軸中心線(xiàn)和縱向方向之間的平行度變化比普通的完全由鑄鐵構(gòu)成的機(jī)床小得多，而兩者之間的相對(duì)位移則稍大于普通機(jī)床。德國(guó)蔡司(Zeiss)公司[6]還研發(fā)了一種CARAT的技術(shù)，即帶涂層、抗時(shí)效的鋁合金技術(shù)。它是在無(wú)時(shí)效的鋁合金基體上，涂覆一層具有耐高溫磨性能的陶瓷，利用它制作測(cè)量機(jī)的橫梁與主軸，具有高的熱傳導(dǎo)特性，使溫度梯度及由此引起的彎曲變形減小。

3)建立實(shí)際熱變形模型，對(duì)熱變形誤差進(jìn)行軟件補(bǔ)償和修正。研究人員主要是利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、熱誤差建模法、多元回歸分析、動(dòng)態(tài)仿真以及有限元差分方法來(lái)提高精度，消弱熱變形。上述方法都經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并且在很大程度上減少了熱變形誤差，提高了精度。楊建國(guó)等[7]在2009年結(jié)合以前所提出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以不同結(jié)構(gòu)和訓(xùn)練算法的反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為例，提出了一種數(shù)控機(jī)床熱誤差的最優(yōu)線(xiàn)性組合建模方法，該方法是通過(guò)線(xiàn)性和的方式，綜合了基于不同數(shù)學(xué)理論所建立的熱誤差模型，建立了最優(yōu)線(xiàn)性組合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)在一臺(tái)CNC機(jī)床的實(shí)際加工驗(yàn)證該建模方法，試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法不僅能夠節(jié)省建模時(shí)間，同時(shí)大幅提高了所建立模型的預(yù)測(cè)精度，是一種性?xún)r(jià)比較高的建模方法。Z. Lin等[8]在2007年分析了關(guān)于加速度軸的熱位移的問(wèn)題，在以前回歸方法的基礎(chǔ)上，提出了采取復(fù)雜多元回歸分析法來(lái)建立主軸熱位移模型，在實(shí)際高速工藝上，該模型是為了預(yù)測(cè)每個(gè)時(shí)間段所引起的主軸熱位移，在沒(méi)有補(bǔ)償時(shí)，主軸熱位移引起的切削孔深最大誤差值是62 μm，利用主軸位移補(bǔ)償模型后，最大切削孔深最大誤差值是4.62 μm，并且切削深度的平均誤差是1.58 μm；因此，通過(guò)主軸熱位移的補(bǔ)償模型，能夠有效提高機(jī)床精度。J. Zhu等[9]利用熱誤差建模方法合理地表示了熱變形過(guò)程，并在熱模態(tài)分析的基礎(chǔ)上評(píng)估了機(jī)床的熱變形，提供了深入了解機(jī)床熱誤差的現(xiàn)有類(lèi)型和大小，這有助于確定與熱誤差相關(guān)的機(jī)床構(gòu)件，并運(yùn)用這些知識(shí)來(lái)決定溫度傳感器的位置。在整個(gè)熱變形過(guò)程中，由占少數(shù)主導(dǎo)地位的熱模態(tài)表示，然后由適當(dāng)?shù)臒嵴`差模型推導(dǎo)出描述的特定的熱誤差模型。該熱誤差的合理性通過(guò)仿真和試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，在文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]中，就幾種數(shù)控機(jī)床的主軸系統(tǒng)熱特性進(jìn)行了有限元分析，得到了數(shù)控機(jī)床的主軸傳動(dòng)過(guò)程中溫度場(chǎng)的分布以及溫度對(duì)主軸變形的影響，為機(jī)床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了參考。

綜上所述，方法1和方法2都是在機(jī)械部件上進(jìn)行的修改，主要是材料的替換，這2個(gè)方法在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不是很成熟的情況下應(yīng)用比較廣泛，相對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)很成熟的前提下，應(yīng)用方法1和方法2，資金消耗比較大，經(jīng)濟(jì)性不是很好。相比而言，方法3易于實(shí)現(xiàn)，環(huán)境要求不高，經(jīng)濟(jì)性好，但應(yīng)準(zhǔn)確獲知設(shè)備或零部件的熱變形規(guī)律，建立數(shù)學(xué)模型；因此，根據(jù)目前齒輪測(cè)量機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r，選擇方法3更實(shí)際，更合適。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)齒輪測(cè)量機(jī)熱變形結(jié)果圖，分析了齒輪測(cè)量機(jī)熱變形的主要表現(xiàn)形式，通過(guò)總結(jié)機(jī)械及儀器行業(yè)常采用減少熱變形的方法，比較各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了適合齒輪測(cè)量機(jī)減少熱變形的有效辦法，為進(jìn)一步分析熱變形方法奠定了基礎(chǔ)。

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責(zé)任編輯馬彤

TheControllingMethodofThermalDeformationofGear-measuringMachine

YANG Hongfang1，ZHANG Liao2

(1.Industrial Training Center，Xi′an Technological University，Xi′an 710021，China;2.Shaanxi Electric Power Research Institute, Xi′an 710054, China)

The gear measuring machine is mainly used in thermostatic chamber with technological advancements and measurement requirements. It will be a development direction of machine tools that gear-measuring machine will be used in workshop.When the gear-measuring machine is applied to workshop, environment temperature change is the biggest in all influence factors, which affecting the accuracy of the instrument, and can not be ignored. In this paper, through analyzing the deformation of the gear-measuring machine mechanical parts, and we can obtain form of thermal deformation. At the same time, combining the existing methods and measures about reducing the machine tool thermal deformation, put forward the control method of the thermal deformation of gear-measuring machine.

environment temperature，gear-measuring machine，thermal deformation， controlling，prevention

TH 39

：B

楊紅芳(1984-)，女，助教，主要從事機(jī)械及機(jī)械電子等方面的研究。

2014-12-04