有限元分析法有效评估由温度扰动引起的机床失真.docx
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有限元分析法有效评估由温度扰动引起的机床失真
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题目有限元分析法有效评估由
温度扰动引起的机床失真
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二〇一年月日
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有限元分析法有效评估由温度扰动引起的机床失真
美国弗莱彻,A.P.龙斯达夫,a·迈尔斯
英国哈德斯菲尔德大学精密技术中心
摘要
机床易受外因影响,主要来自不同的环境条件，如日夜或季节转换期间导致的大的温度的动的发生。
热梯度引起热流动通过机械结构的非线性结构变形判断是否在机床在操作或在静态模式。
在机床的长期使用中，这些环境刺激结合内部生成的热量共同导致操作误差。
在大多数工程产业中，环境测试通常是被避免的，因为需要机器停机时间和相关的实证关系及相应的生产成本。
摘要提出了一种新颖的离线热误差建模方法使用有限元分析（FEA）显著减少机器停机时间要求建立热响应。
它还描述了校准模型所需使用的高效的在机测量策略。
这项技术是创建一个机器紧随其后的有限元分析模型的应用提出的方法中,初始热状态的计算机和模拟计算机模型相配。
一个额外的好处是,该方法确定所需的最小实验测试时间的机器上,然后充分了解生产管理的生产成本建立这一重要参数的准确性。
这项工作的最重要贡献是提出了在一个典型的案例研究;热模型校准从两周减少到几个小时。
验证工作已经进行了超过一年的时间建立全面的季节性变化，在一年中的不同时间明显不同的日变化的鲁棒性。
样本的数据提出了基于有限元分析的方法和相关技术,表明实验结果导致的残余误差小于12微米。
关键词有限元分析精度机床精度环境温度的波动环境温度热误差
1介绍
数控机所在的车间环境对制造精度至关重要。
温度控制的环境要求较高的资本投资和运行成本，这是不可取的,有时不切实际。
温度控制的环境中,不断变化的昼夜循环转换和无数其他来源会导致环境温度在规模和变化率上都发生显著的变化。
这些时间的波动会引起空间在机床热梯度;热流通过结构随着时间的推移会导致非线性的变形。
几个研究项目已经进行识别、预测和补偿的总体影响机床温度分布，但主要强调解决内部产生热量的影响,尤其在加工过程中从主轴传来的。
例如，郝用一种基于遗传算法的BP神经网络（GA-BPN）方法，用16温度计放在主轴上，主轴箱，轴丝杠和对车床动态和高度非线性的热误差补偿。
只使用一个环境温度传感器，可能不足以捕获机器周围的详细环境行为。
作者报道了热误差补偿提高63%。
如果进一步减少详细的外部环境温度波动被认为是可能的。
同样,杨等人的研究。
[4]测试INDEX-G200车削中心和使用MRA技术来预测它的热的准确性。
分析结果表明,热误差范围半径方向机大约是18微米，高于预期。
14热传感器被安装在组和只有一个环境传感器使用。
而建模，6温度组别变量被构造和该模型被认为是对环境温度升高的线性函数。
经过长达四小时的测试，主轴与道具之间的预测误差热大约是5微米到18微米。
建模时间没有提到。
曾和陈在[5]中提到的热误差预测模型来自神经模糊理论。
集成电路型温度传感器和一[英国]雷尼肖的一个4探测系统被分别用来测量度变化和热变形。
传感器被安装到主轴电机，主轴套筒侧与一个传感器测量环境的变化。
预测模型提高了机械加工的精度，从80微米到3微米。
预测模型，进一步与MRA相比，揭示了精度的从±10微米到±3微米的提高。
然而，模型的训练时间和停机时间是研究的主要问题和责任。
回归的技术称为正交回归技术是受雇于杜等人。
这个技术被应用到相同类型和规格的100多个车削中心。
结果发现，该技术能够降低切削直径热误差从35微米到12微米。
该技术被表述为稳定的，因为它常年重复提高了精度。
如果长期被认为是车间环境温度的波动，精度预计将增加。
许多研究人员注意各种来源对机床环境的热漂移出现，而他们强调的详细环境测试所需的停机时间，以及分析建模方法和建模的时间。
在金刚石车削机床，进行切削试验24小时，雷克夫和博德特注意到环境温度变化的误差的重要性和影响（环境温度变化误差）。
弗莱彻等人[8]，通过65小时的测试，提供了有关环保的循环波动和漂移与误差减少了50％的信息，但提醒注意由量热测试中有害的停机时间。
龙斯达夫等人[2]显示由环境波动加上长期加工产生的热误差测量进行多次测试。
作者还强调了一些意想不到的，对机床精度的影响环境的快速波动。
他们还强调了与测量相关的停机时间问题。
吉德瑞等人，论述了提高机床设计时减少焦点热误差的复杂性。
机器的高度精确的热模型需要考虑各种参数的热行为。
例如，设计标准为2.5天的环境变
化的影响，由于保护和轴承套高速主轴的热效应出现。
石英直边被安装在机器中间支撑梁为蓝本的环境效应。
结果发现，固定在左侧直边产生的误差是在其他三个地点进行测试误差中最低。
以有限元分析等建模时间不明确、操作条件不明确的相关信息。
由把曼和纳普[10]，同时显示了如何增加测量点的数量（4至60）所示的有关热漂移的影响的担忧可能会导致减少不确定性和更高的精度旋转C轴确定的位置误差。
作者报道,进一步提高测量的点只会导致有限的改进,因为它可能会导致额外的时间测量,增加了不确定性的环境或环境温度变化引起的热效应,直到测量完成。
这是一个激烈的从伟大的强调给定的控制到内部加热热效应的讨论。
其结果是大多数现有的商业误差补偿系统处理轴生长和主轴发热，而忽略了其对结构的其余部分环境影响。
这是很明显的，大量的停机时间是由于每天或每周的环境测试占据主导地位。
龙斯达夫等人，[2]报道对于经历一个周末关机的机器一个显著的问题。
在大多数情况下的环境测试，以建立温度与反应之间的关系，避免因成本与生产机器的停机时间有关。
然而，这种遗漏可能争取机床的最佳的精度时是至关重要的。
问题是，因为条件在此期间，测试数据可以被收购是非常有限相比，真正的变化在设备操作和自然季节的范围加剧。
本文提出了一种新的脱机环境热误差建模方法，基于有限元分析，大大降低了有效的热特性所需的停机时间。
在生产机床在一年多时间，该建模方法已成功测试和验证，发现非常稳定（本文的样本数据提出了两个赛季期间测量）。
验证证实了该方法的潜力，以减少机器的停机时间通常需要几个小时到一两周的环境测试。
该文件还强调了在一台机床的季节性环境温度变化和垂直温度梯度内的车间环境中存在的影响。
本文还介绍了在任何方便的维护期间，有效地放置温度传感器机测量的方法来获得所需的数据。
2提出方法
一般情况下，环境温度的变化并不像快速那些从内部产生的来源，如主轴。
此外，可以有几种不同的结构响应需要不同的计量设备来测量,不能同时使用。
因此，环境试验通常需要来自两个天至数周，以获得足够的数据来建立不同的温度分布和本机的响应之间的各种关系。
为了克服机器的停机问题，基于两个阶段的有限元分析的新的建模方法，提出了在计算机辅助绘图（CAD）是在有限元软件创建的机器模型（本文采用ABAQUS6.7-1/standard）[11]。
在本研究中。
2.1有限元建模
在实际中，机械工具很少存在热平衡。
因此，建立用于FEA模拟的初始条件环境变化呈现出显著问题，因为它的有限元分析和比较实验结果。
为了代表机器结构的实际初始热状态，进行实际温度梯度测量，并应用到该模型，是个具有挑战性的任务。
实验中，每个温度传感器在机器内部结构环位置的应用程序是费力，而且容易定位在敏感地区的不确定性。
而相比之下，热误差从运行的机器所在的热源是很容易以确定应用程序中的传感器，环境的变化会影响整体结构。
然而，即使这样的实现，造型机中的有限元分析软件的初始热状态仍然具有挑战性。
图。
1。
机器组件的与Z轴头产生的CAD模型向上移动相比，[1]在本质上呈现对应于新的测试条件较新的模型。
分段建模的部分软件和应用单独的温度可能代表了最初的热状态，可能会导致不正确的温度梯度由于段接头，但它是一个艰巨的任务。
这个问题是通过将所提出的方法，用于确定机器模型的初始热状态，还提供了所需的一台机器（第2.3节）上的环境试验的最小时间的估计解决。
2.1.1机器型号
需要机器的模型。
对于案例学习机，由文献[1]对于内部产生的热量所描述的模型来估算长期的环境响应。
本机是一种精密3轴立式加工中心（VMC）与精度可达3微米，通过制造一台NAS-979组件[12]进行测试。
机器的简化模型被用来进行环境的脱机模拟其详情在机器的行为，示于图1。
该模型进行网格划分使用四面体，六面体和六面体为主（六面体/楔形）在适用的使用ABAQUS默认的网格技术，揭示了49919个单元和20418节点的总元素。
图2显示了啮合，机器装配。
所有的模拟进行瞬态热模拟，从温度传感器的数据用表格幅技术在软件。
2.2机器的初始热状态估计
通常，之前的任何试验开始时，机器元件表现出温度的变化，由于时间和空间的热梯度的存在。
特别是，垂直温度梯度已被发现是显著[2,13].因此,它是不可能实现的精确设置组件的初始温度有限元分析软件符合现实。
两级仿真的新技术在有限元分析设计和应用来解决这个问题。
第一阶段模拟实际上会估计所需的时间跨度机有限元分析模型“吸收”的全球应用温度温度变化代表最大的变化可能发生在机器结构.。
这个时间称为“沉淀时间”和代表的温升时间稳定状态机模型当“吸收”应用的温度。
稳定时间也代表了这是第2.3节所述所需的上机测试的最小时间。
这是紧随其后的是第二阶段的正常环境模拟,可用于误差模型,并与实验进行验证。
建立了模拟，一个标准的车间温度20◦C作为一个统一的参数对机器的完整的模型在ABAQUS软件一个预定义的字段。
由于本文的重点是企图证明的方法，并在有限元分析过程中保持相对简单，整个模型应用于具有的对流传热系数6W米-2◦C-1[1]这是实验计算出的各个传热系数的平均值[1]。
人们承认，表面特定系数的更详细的应用可以提高仿真精度（参见4.2节）。
估计时间，模型进行了仿真直到它达到一个温度变化反映了全球之间的变异假设20◦C和应用的温度。
仿真进行了1◦C的温度变化来估计温度上升时间。
●
图。
2。
机器的网状模型。
N.S.勉等人。
/精密工程37（2013）372-379
图。
3。
12.5ħ稳定时间终被外界关注这款机器的有限元模型。
在模拟结束整个机器型号的温度是均匀的，这确保了随机节点的选择来绘制的稳定时间。
模拟的结果显示，该机器模型从20◦下在12.5ħ其初始温度达到1◦C的温度变化为99.99％，如图所示3。
这表明，沉降时间因为机器的初始热状态是未知的在模拟的开始，本机的有限元模型需要沉淀的时间来吸收应用记录环境温度数据结束时的温度分布应与实机的热状态同步。
2.3模型校准
模型校准序列与沉降时间的确定。
沉淀时间显示所需的最小环境试验时间这机床都是一个重要的参数;生产管理估算成本对生产和准确性，尤其是当实现进行环境模拟前机器有限元模型的初始热态有限元分析的结果。
因此环境测试机器上进行必须确保稳定时间。
该测试随后必须继续经过一段长时间诸如两天或三天来建立本机的热行为和第二阶段在模拟过程中在车间内发生的环境波动之间的关系。
为了连续记录在机器生产，记录数据的环境传感器必须位于左侧。
由于建立时间的确定，因此几乎没有停机的时间是在模型校准和这种建模方法的应用程序所需的脱机处理。
温度传感器可以位于机器在任何方便的维修计划位置。
3方法的验证
案例研究机器，在2.1.1中描述，建模和描述的校准。
标准环境温度变化误差（ETVE）[14]试验，对3轴立式加工中心历时整整一年，不仅验证，但确认拟议的方法的鲁棒性进行的，但是从两个季节（夏季数据的样本和冬季）呈列。
被选择三天（连续）测试期间，以确保在设定时间（12.5小时）的数据记录，以及过程上的标称静态机床正常24小时期间以突出的热性能。
这意味着机器的驱动器处于非活动状态，以避免来自位置编码器反馈校正;在本质上取得的机器结构的实际变形。
在该验证阶段没有以任何方式修改本机的机型。
3.1温度和位移传感器的位置
该机器已经配备了65表面温度传感器独特的带[15]，用于测量所造成的内部热源详细的热梯度。
另外七面传感器放置在列来跟踪这个高的环境温度梯度分布结构和一个表面传感器固定在底座上。
三个环境传感器被放置在机器内部,在机器的列和相邻基础测量环境温度变化。
五个非接触式位移传感器（NCDTs）置于围绕一个心轴试验监测试验心轴的X，Y的位移和倾斜轴和Z轴方向。
400毫米厚殷钢被用于支持NCDTs。
殷钢是合金钢,热膨胀系数很低（1.2m−1K−1）从而降低环境温度变化的影响。
传感器位置如图4所示。
参照相应的传感器，内部环境传感器是位移由1米左右垂直0.5米水平，而柱式传感器约为1.2米垂直2米水平距离。
图4。
温度和位移的测量位置。
图。
5。
3天期间（夏季测试）得到的温度曲线。
3.2夏季测试
从上主轴首领和环境传感器，用于3天的期间内面传感器获取的温度信息被显示在图5。
在开始测试、垂直温度梯度的存在的机器1◦C测量基础环境传感器和列之间的环境传感器,产生上述复杂的初始状态。
它也可能是感兴趣的，该柱环境传感器和基底周围的传感器之间的垂直温度差波动约为2.5◦C范围内，在试验范围是从各种来源产生的车间的环境温度范围内的温度不稳定的进一步证据，如作为日夜转换。
打开和关闭车间大门时，温度的波动也会发生。
图6示出了室内空气的温度和在Y轴和Z轴的心轴的位移测量。
Y轴位移跟着温度变化相当密切，而Z轴位移滞后多达3.6小时有些地方的温度。
Y轴上的分析结果（使用NCDTs顶部和底部）显示30m/m的倾斜礼物可能会造成非均匀复杂几何结构的扭曲导致了快速反应温度变化;。
而反应迟缓的z轴可能是来自纯扩张。
整体位移范围大约是Y的12米。
大约4◦C，28米的z轴的整体温度摆动超过3天，x轴结果可以忽略不计,因为机器在这个方向的对称。
该测试将验证环境的波动引起的热变形的机械结构，并证明了在一台机床的精度劣化的假说。
还发现了,在车间垂直温度梯度随高度增大而升高的关键。
图。
6。
Y和Z轴的位移和测量的环境温度机器内部（夏季测试）
7。
温度梯度在整个结构中的第一阶段之后（12.5小时）即
图。
7。
温度梯度在整个结构中的第一阶段之后（12.5小时）即代表实际的初始热状态（夏季测试）-（NT11-节点温度）。
3.3验证稳定时间的方法
这台机器模型的沉降时间确定为12.5h因此数据覆盖这个时间跨度选择从第一阶段中使用的测量环境数据和模拟。
如前所述，温度数据作为仿真阶段使用表格幅技术软件中的一个短暂的功能。
从基部传感器的温度数据被施加到基，从里面的环境传感器的信息被施加到载体/主轴/刀具和被施加到柱从柱环境传感器所获得的表和温度信息。
从第一级仿真结果必须不仅提供了正确的温度分布也是正确的热存储器，以匹配实际机器的起动条件。
必须指出只使用环境数据进行模拟,可以捕获没有机器停机时间,表面只传感器是用来比较和相关模拟结果。
图7示出了模拟的温度梯度在整个结构中的沉降后时间应该代表了12.5ħ范围后的实际表面温度梯度已失效。
预测的
初始热态显露是在哪里在传感器表面放置和表1所示点测量±0.2◦C范围内。
建立时间仿真后，一个正常的环境模拟，然后在使用所记录的环境温度数据的剩余部分的第二阶段运行。
所测量的和模拟的更新结果绘制为主要第二阶段模拟，得到的模拟误差表和工具（测试心轴）之间的位移的差异。
相比，测得的结果，该相关系数分别为60％，而Y位移剖面（图8）和Z轴位移曲线（图9）的63％。
残余误差不到5微米的Y轴和Z轴少于11微米。
包括沉淀时间,单独模拟温度和位移分别花了大约30和40分钟（70分钟）。
所使用的电脑有典型的PC规格：
AMD羿龙9950四核2.60GHz处理器，4GB内存，NVIDIA的GeForce9400GT显卡和WindowsXP32位操作系统的大约3◦C范围内对测试范围的阐述，即使是垂直温差变化范围内类似的垂直距离在不同的季节。
峰值是怀疑是短时间内的开放车间门送货导致车间环境温度降低。
N.S.勉等人。
/精密工程37（2013）372–379
图。
8。
实测和模拟Y轴位移之间的相关性稳定时间删除。
图9。
测量和模拟的Z轴位移之间的关系建立时间删除。
图。
11。
Y和Z轴的位移和测量的环境温度机器内部。
图11示出内的空气温度和机器的变形，在Y轴和Z轴方向测得。
两个轴的运动遵循的温度变化而Z轴位移，但随后与大约5小时的滞后这个时候。
Y轴的整体运动是18米和35mZ轴的整体温度约5◦C的摇摆3天.这一增长预期,因为一天和夜晚加热转换被夸大。
。
图。
12。
温度梯度在整个结构中的第一阶段之后（12.5小时）即代表实际的初始热状态（冬季测试）。
12.5H（冬季测试）后，表2的比较测量和模拟表面温度。
结构测量温度模拟温度
主轴版面21.721.7
圆柱面2120.9
承载头表面21.621.9
基面21.921.9
表3总结结果
Y漂移（微米）Y模型误差（微米）Y的改进（﹪）Z漂移（微米）Z模型误差（微米）Z的改进（﹪）
夏天124.660281063
冬天186.3633511.767
图。
13。
实测和模拟Y轴位移之间的相关性稳定时间删除。
4.1有限元模拟（离线评估-冬季测试）
一个类似的过程，使用模拟模型。
在第一阶段中，记录的数据为12.5h的用于建立时间和以前一样，随后在第二阶段中的环境模拟。
图12显示了稳定时间它代表了
真正的表面温度梯度的12.5ħ跨度已失效后后模拟温度梯度结构。
预测的初始热态显露是在哪里在传感器表面被放置在表2所示点测量±0.2◦C的范围内。
4.1.1冬季测试的相关性
模拟结果与实测断面的关联63%Y移动配置文件（图13）和67%的Z运动概要文件（图14）。
残余误差小于7米Y和Z少于12米。
冬季测试不仅验证了建模方法的能力，但也证实了它的坚固性。
CAD模型，获得稳定时间和有限元仿真环境的发展是离线进行。
温度传感器可以安装在任何方便的维护计划和环境温度数据可被记录在机器中的生产，因此是非侵入性的，以生产和成本涉及有效作为一般没有机器的停机时间。
它也强调，稳定时间12.5H可代表所需要的，可以同时该机在生产中记录的温度数据采集的最短时间。
图。
14。
实测和模拟Z轴位移之间的相关性稳定时间删除。
4.2业绩概要
这里介绍的，一个有限元分析得到的电机热模型的建立是在夏天使用一个12.5小时的沉降时间的方法。
表3总结了结果。
可以观察到，相对于良好的温度相关性（>90％），本机的预测定位与测得的运动匹配的60-67％范围内。
这被怀疑是由于在这种情况下，研究中所用的有限元分析模型中的平均传热系数的值。
可以预料的是，定位结果可以关联时更好的FEA模型施加与该变化周围包围的空隙产生的气穴，将各不相同的温度独立于散装环境温度的表面的特定热传递系数[1]。
5结论
环境热测试通常是避免行业由于成本和不便与机器停机时间。
本文提出了一种基于有限元分析了一种新的离线环境的热误差建模方法，随着机器的停机时间问题，成功地处理采用两阶段模拟方法，短在线检测周期和非破坏性离线温度监控。
该方法的步骤是先创建机器的CAD模型，确定该计算机模型的建立时间和在第一阶段，接着，在第二阶段的环境模拟建立初始条件。
建立时间可确保最短的时间都花在了数据采集。
温度传感器可以在机器上，在任何方便的预定机维修安装和模拟可以一两个小时内完成，所以这是非常有效的。
该方法被成功验证了3轴立式铣床在一年内；在两个季节从两个环境温度变化误差测试数据样本（夏季和冬季）提出的波动的车间环境和对机床精度的影响的临界性质也被高亮显示。
结果显示良好的实验和有限元模拟结果之间的相关性一般在60%至70%之间。
该建模方法已显著减少所需的典型环境试验机器的停机时间从两周到几个小时。
几乎没有停机的时间，与本建模方法的应用，除了短相关验证（如果需要）。
可以预测的投机性条件的影响来获得更多的有用信息。
致谢
作者非常感谢该中心的高级计量的英国工程和物理科学研究委员会（EPSRC）在其创新的制造方案提供资金。
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