精密机床热平衡设计与工作空间热误差智能主动控制关键技术研究

The thermal deformation errors caused by general thermal resources are of great effects on precision and precision stability of precison machine tools. Traditional thermal balance design methods for precison machine tools mainly resolve the problems of simulation analysis of thermal characteristics. The general thermal errors measurement, modeling and compensation is of poor envirement adaptability and robustness, discreted changing compensation data, which make it difficult to satisfy the requirements for precision stability of preceison machine tools and high surface quality of workpieces. To solve these problems, this project will study thermal characteristics of preceison machine tools. Firstly, the thermal deformation mechanism of the structural components of machine tools is analyzed, and the novel directed measurement and representation technologies for thermal deformation errors of structural components and volumetric thermal errors in working space will be proposed. Secondly, thermal deformation tendence of structural components under general thermal resources will be explored, as well as thermal rigidity sensitivity analysis of structural components and thermal error average effects of slide and guide rail. Thirdly, the thermal error mapping models between structural components and working space of precision machine tools are constructed. Finally, the methodologies of differentiated multi-loop active contols for thermal fields of precision machine tools are proposed, with on-time feedback of tempreture fields and thermal stress fields. The final porpurse of this project is to provide a novel solution to improve thermal stability, precision stability and precision adaptability for changing ambient temperature for precision machine tools.

由于综合热源作用下所产生的热变形误差对精密机床的精度和精度稳定性具有重要影响。传统的精密机床热平衡设计侧重于热特性的仿真分析，而机床热误差测试、建模与补偿技术由于模型的环境适应性和鲁棒性差、补偿数据的离散阶越性，难以满足精密机床加工的精度稳定性和加工工件表面质量的要求。本项目以精密机床热态特性为研究对象，以机床结构热变形机理和结构-工作空间热变形误差测试表征技术为基础，系统研究精密机床在综合热源作用下的结构-工作空间热变形规律，通过精密机床结构热刚度灵敏度分析和进给系统运动副热误差均化效应研究，建立精密机床结构-工作空间热变形误差映射模型，提出一套以温度场和热应力场均衡为目标的精密机床温度场多回路差异化主动控制方法，为提高我国精密机床的热态稳定性和精度稳定性提供全新的解决方案和使能技术支撑，最终全面提高我国精密机床的热态精度、精度稳定性和精度环境适应能力三个关键质量特性的水平。

良好的精密机床热态特性主要体现在高热精度、高热稳定性和高热适应性三个方面。但是，由于精密机床热态特性的影响因素多，且具有难以建立精确解析模型、温度场变化连续动态缓变、温度-结构热变形耦合关系复杂等特征，其关键科学问题及技术难点体现在多热源引起的热变形耦合规律复杂、热源布局与能力匹配困难、温度-热变形时间缓变且存在迟滞效应等。本项目以精密卧式加工中心为代表的精密机床为对象，以机床内生热源生热功率计算和结构-功能部件热变形有限元仿真分析技术为基础，建立结构-运动副-工作空间热变形误差映射模型；研究精密卧式加工中心在综合热源作用下的热平衡设计理论方法，通过结构热灵敏度分析和结构热变形机理等问题研究，形成以精密卧式加工中心关键部位热变形均衡和最小为目标的机床热平衡设计方法体系，实现精密卧式加工中心内生热源和主动温控源布局优化设计、主动温控源温控能力匹配设计；通过综合热源作用下精密卧式加工中心复杂结构热变形规律的研究，开展精密卧式加工中心温度场智能主动控制策略和算法等研究，形成通过精密卧式加工中心温度场和结构热变形场等多重反馈，以实现精密卧式加工中心工作空间热误差均衡稳定为目标的精密卧式加工中心温度场多回路差异化主动控制方法。最终，形成以热平衡设计为事前管理、以热主动控制为事中管理的精密卧式加工中心热管理理论方法和技术体系，为提高精密卧式加工中心的热态稳定性和精度稳定性提供全新的解决方案和使能技术支撑，对提升精密卧式加工中心的热态精度、热精度稳定性和热环境-工况适应能力等关键质量特性的水平具有重要意义。