專利名稱：一種基于多孔金屬的保證機床立柱熱穩(wěn)定性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)控機床誤差控制及補償?shù)姆椒?，尤其是涉及一種基于多孔金屬的保
證機床立柱熱穩(wěn)定性的方法。
背景技術(shù)：
數(shù)控機床在不斷向著柔性化、高速化、高精度化方向發(fā)展的同時，仍有很多復(fù)雜因 素阻礙著加工精度的提高。在阻礙機床加工精度進一步提高的因素中，熱變形誤差已成為 極其關(guān)鍵的因素。大量研究表明，熱誤差是數(shù)控機床等精密加工機械的最大誤差源，占總 誤差的70%左右，而對于超精密機床而言，甚至達到近90%。由于數(shù)控機床在加工過程中 不可避免地存在內(nèi)外部熱源，特別是內(nèi)部熱源，必然導(dǎo)致熱變形誤差的產(chǎn)生，因而簡單有效 的消除機床熱誤差所造成的精度影響就成為超精密加工中亟需解決的重要問題。在數(shù)控 銑床中機床的主軸是加工中的主要熱源，由于主軸的發(fā)熱導(dǎo)致立柱上下具有較大的溫差， 使得立柱出現(xiàn)不均勻變形從而大幅影響機床的加工精度。通?？梢酝ㄟ^以下一些方法來 降低熱誤差的影響1.在立柱內(nèi)布置油路進行冷卻，其代表專利為"Machine tool with a feature for preventing a thermal deformation，，US6923603 B2 ;2.米用精密測量 裝備測出其加工時熱誤差，建立誤差模型，并進行補償，其代表專利為"Measurement and compensation system for thermal errors in machinetools"，該方法也被很多研究人員 所采用。3.將機床置于一個恒溫的工作環(huán)境中，以降低熱誤差的影響。方法l很難避免立 柱的局部過冷卻、溫度分布不均現(xiàn)象的出現(xiàn)，也不能解決溫度控制裝置帶來的溫度變動的 影響，無法抑制其熱傳遞所引起的熱變形。而方法2需要先進行機床加工實驗，通過激光干 涉儀等設(shè)備測出其熱誤差然后建立補償模型進行補償。其缺點是補償模型與機床的工況及 機床的自身特性等密切相關(guān)，不同的機床熱誤差補償模型大相徑庭，即使是一臺機床在加 工不同材料，或處在不同季節(jié)時補償模型也不盡相同。此外機床在傳熱和散熱時，由內(nèi)外部 熱源引起的溫度梯度變化，會因為間隙、摩擦等引起熱滯現(xiàn)象，進而因為零部件之間接觸面 復(fù)雜的熱應(yīng)力引起熱變形，導(dǎo)致熱誤差表現(xiàn)為時滯、時變、多方向耦合及綜合非線性特征， 這也增加了用數(shù)學(xué)模型描述熱誤差的復(fù)雜性。這都使得超精密加工中的熱誤差補償多停留 在實驗室研究階段，難以獲得廣泛的工業(yè)應(yīng)用。目前為了減小機床熱誤差的影響，方法3雖 然可以減小加工過程的熱誤差，但仍然無法解決機床中溫度分布不均勻所導(dǎo)致的熱變形。
相變材料(PCM)是一種在其相變溫度附近發(fā)生相變，釋放或吸收大量熱量的材 料，常用于能量存儲及溫度控制。因而通過在機床立柱中填充入相變材料，利用相變材料的 相變特性來吸收掉機床加工過程所產(chǎn)生的熱沖擊，從而保證機床立柱處在均勻的溫度場將 是一個很有潛力的控制機床熱變形的方法。但直接利用相變材料填充入機床立柱控制機床 的熱變形中存在一些問題1、由于相變材料是熱的不良導(dǎo)體，在受到熱沖擊后容易局部相 變后升溫，不利于保證整個構(gòu)件處于一個均勻的溫度場。2、大區(qū)域的相變材料容易發(fā)生退 化并沉積到裝置底部，從而大幅影響裝置抗熱沖擊的性能。3、相變材料在相變過程中能夠 吸收大量的熱量，但如果熱沖擊持續(xù)作用使相變材料變?yōu)橐合鄷r，相變材料就失去了抗熱
3沖擊的能力。 多孔金屬材料是最近幾年發(fā)展起來的新型材料，其具有重量輕、熱傳導(dǎo)性能佳、減 震等諸多優(yōu)異特征。將相變材料填充入多孔金屬結(jié)構(gòu)中，使得每一小塊相變材料都被金屬 骨架所包圍，顯然可以大幅提高相變材料的傳熱特性。當(dāng)相變材料受到熱沖擊后，熱量可借 助多孔金屬迅速傳到其他區(qū)域，可保證整個立柱溫度場的均勻性。此外通過多孔金屬將 相變材料劃分為若干個小區(qū)域，可有效防止相變材料性能出現(xiàn)退化。此外為了確保相變材 料能將吸收的熱量及時散發(fā)出去，通過在立柱外布置帕爾貼致冷器進行主動地散熱。當(dāng)立 柱內(nèi)溫度傳感器測得溫度高于相變溫度時，PLC控制帕爾貼致冷器工作，向外界散熱，從而 最終保證機床溫度場的均勻。

發(fā)明內(nèi)容
為了防止機床立柱的溫度不均勻，避免機床立柱的不均勻變形，本發(fā)明的目的在 于提供一種基于多孔金屬的保證機床立柱熱穩(wěn)定性的方法。該方法不僅能使機床立柱保持 恒溫，消除機床立柱內(nèi)溫差所帶來的變形。此外，由于機床立柱內(nèi)部填充了多孔金屬及相變 材料，還可以吸收機床運行時所產(chǎn)生的振動，得到降低機床振動，提高加工精度的目的。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下 在機床立柱的孔內(nèi)填充多孔金屬材料，在多孔金屬材料中再填充入相變材料，在
機床立柱內(nèi)布置溫度傳感器監(jiān)控相變材料的溫度，通過PLC對采集到的溫度數(shù)據(jù)進行處理
后輸出模擬電壓，控制貼在機床立柱外的帕爾貼致冷器進行制冷，將機床加工中所產(chǎn)生的
熱量釋放到環(huán)境中，避免相變材料完全液化后喪失吸熱能力，最終使得機床立柱成為一個
熱穩(wěn)定機構(gòu)，從而達到控制機床立柱在外界的熱沖擊作用下始終保持均勻的溫度場。 所述的多孔金屬材料為鋁或銅，其孔的截面是六邊形、三角形或四邊形，其孔直徑
應(yīng)小于2mm。 所述的相變材料的潛熱為100KJ/Kg-1000KJ/Kg，儲熱密度為50MJ/Kg-1000MJ/ Kg，相變溫度為5t: _29°C。 所述的相變材料填充到機床立柱的容積為70-95%，以留出相變材料膨脹空間，填 充溫度應(yīng)該保證要比相變材料的相變溫度高出6°C -l(TC，以保證相變材料都處在液態(tài)。
所述的溫度傳感器選用熱電偶或熱電阻，其分辨率要達到0. 5°C ;四片帕爾貼致冷 器布置于立柱的前、后、左和右的1/2處。
本發(fā)明具有的有益的效果是 能夠使精密數(shù)控機床在加工時，加工過程中產(chǎn)生的熱量不會導(dǎo)致整個立柱出現(xiàn)溫 差，從而避免立柱出現(xiàn)不均勻熱變形；同時由于立柱內(nèi)部填充有多孔金屬將相變材料分割 成一系列的小區(qū)域相變材料，使得加工中產(chǎn)生的振動可以很快轉(zhuǎn)化為熱量被相變材料迅速 吸收，具有一定的減振效果，可以吸收一部分機床加工時所產(chǎn)生的振動，確保精密加工的精 度。較常用的油路冷卻方法而言，可以避免立柱的局部出現(xiàn)過冷卻及冷卻滯后、從而產(chǎn)生溫 度分布不均勻，導(dǎo)致立柱變形等缺點。和通過實驗測量熱誤差然后進行建模補償?shù)姆椒ǘ?言，本發(fā)明具有通用性更強，與機床的加工工況無關(guān)、與機床的類型無關(guān)等優(yōu)點。本發(fā)明作
為一種主動控制熱變形的方法，可以從根本上避免立柱的不均勻熱變形。


圖1是使用了本發(fā)明的典型機床結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是一種典型的多孔金屬結(jié)構(gòu)(四邊形)。 圖3是帕爾貼致冷器布置位置的俯視圖。 圖4是溫度傳感器及帕爾貼致冷器的布置位置的正視圖。 圖5是帕爾貼致冷器的具體結(jié)構(gòu)圖。 圖中1.機床立柱，2.多孔金屬，3.相變材料，4.溫度傳感器，5.帕爾貼致冷器， 6.主軸，7.工作臺面，8.PLC(可編程邏輯控制器)，9.鋁或銅制的散熱器，IO.帕爾貼致冷 器芯片。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。 如圖1所示，在機床立柱1中填充多孔金屬塊2，并在多孔金屬塊中填充相變材料
3，通過機床立柱1內(nèi)的溫度傳感器4測量機床立柱1的溫度，PLC 8(可編程邏輯控制器)
實時采集機床立柱1內(nèi)的溫度并比較其與設(shè)定溫度間的溫差，通過控制在機床立柱1表面
布置的帕爾貼致冷器5冷卻功率，6是機床主軸，7是工作臺，最終保證機床立柱1處于均勻
的溫度場下，無熱變形狀態(tài)。 本發(fā)明具體實施步驟如下 1、預(yù)處理對于機床立柱內(nèi)部要進行防水防銹處理，避免相變材料滲漏。對于多 孔金屬材料將多孔金屬切成塊狀，大小以機床立柱內(nèi)部截面尺寸的1/8為宜，并填充入機 床立柱中。圖2中的多孔金屬結(jié)構(gòu)可以通過線切割等方式加工，多孔金屬的截面可以是六 邊形、三角形、四邊形等，其孔徑大小應(yīng)小于2mm，方可保證孔中所填充的相變材料的性能不 會出現(xiàn)退化，并能顯著提高相變材料的熱傳導(dǎo)性能，其中優(yōu)選的多孔金屬材料為鋁或銅。
2、按以下標準選擇適合填充于多孔金屬中的相變材料a、相變材料的相變溫度應(yīng) 該比機床恒溫工作車間的工作溫度要高2°C _8°C，比如機床的恒溫車間通常為22t:，則相 變材料的相變溫度應(yīng)選取在24°C _301:范圍內(nèi)。b、要求相變材料單位質(zhì)量的相變潛熱高， 不能小于100KJ/Kg，以保證能迅速吸收機床加工時的熱沖擊。c、相變引起的體積變化小、熱 膨脹系數(shù)小、性能穩(wěn)定、無毒、不會影響環(huán)境。 一種優(yōu)選的適合于機床立柱中使用的相變材 料配方為72%的Na2S04 101120，7%的NaC1，7. 2%的NH4C1，3. 2%的Na2B407 10H20，7. 5% 的聚羧酸(PCA)，1.8X的硼酸，0.3X的六偏磷酸鈉(SHMP)。該材料的潛熱為240KJ/Kg，儲 熱密度為336MJ/Kg，相變溫度為29°C。 3、相變材料填充相變材料填充到立柱內(nèi)容積的70-95%，優(yōu)選為90%，以留出一 定的相變材料膨脹空間，填充溫度應(yīng)該保證要比相變材料的相變溫度高出6°C -l(TC，優(yōu)選 為高出8°C，以保證相變材料都處在液態(tài)。 4、溫度傳感器的布置在立柱內(nèi)上1/4處及下1/4處，溫度傳感器可選熱電偶或熱 電阻，其分辨率要達到0.5t:。四片帕爾貼致冷器布置于立柱外前、后、左、右l/2處，如圖3 及圖4所示。典型的帕爾貼致冷器5如圖5所示，為了能夠?qū)⑴翣栙N致冷器芯片IO從機床 立柱上吸收的熱量及時散發(fā)到空氣中，必須在帕爾貼致冷器芯片io表面固定鋁或銅制的 散熱器9。本發(fā)明中采用PID算法來控制溫度，由PLC來實現(xiàn)。PLC讀入預(yù)設(shè)的相變材料相
5變溫度值，然后與溫度傳感器的測量值進行比較，于是由設(shè)定溫度和測量溫度的差作為一
個誤差函數(shù)e(t)。由誤差函數(shù)e(t)可以得到響應(yīng)函數(shù)^) = ^(0 + /^(0^ + "學(xué)，然后
響應(yīng)函數(shù)r(t)被轉(zhuǎn)換成控制帕爾貼致冷器打開時間的信號。響應(yīng)函數(shù)r(t)中的三個系數(shù) P， I， D就是PID算法中的三個參數(shù)，該參數(shù)需要根據(jù)實際立柱大小及相變材料的不同進行 調(diào)整。
本發(fā)明的一個典型實施實例如下 1)在數(shù)控立式銑床的立柱中填充好多孔金屬及相變材料，并將該機床置于恒溫車 間，接通機床電源開始正常的切削，主軸6轉(zhuǎn)速達到2000r/min，工作臺7的運動速度達到 5000mm/min。由于主軸的旋轉(zhuǎn)及工作臺的運動，其產(chǎn)生的熱量開始向機床立柱傳遞，導(dǎo)致立 柱開始升溫。 2)PLC8監(jiān)控立柱的溫度變化，當(dāng)溫度超過相變材料相變溫度0. 5。C后，表明相變 材料中吸收的熱量已經(jīng)超出它能儲存的熱量范圍，PLC啟動帕爾貼致冷器將立柱內(nèi)的熱量 主動向外散發(fā)。 3)當(dāng)PLC檢測到立柱內(nèi)的溫度低于相變材料的相變溫度rC后，停止主動散熱。
因為多孔金屬的存在，整個立柱內(nèi)的熱量傳遞起來熱阻很小，結(jié)合相變材料的強 儲熱能力，使得加工過程機床所產(chǎn)生的熱量能夠迅速的被立柱吸收。又因為外加了主動散 熱裝置，當(dāng)立柱內(nèi)相變材料的吸熱超出其能力的時候，帕爾貼致冷器可以及時將其散發(fā)到 外部的環(huán)境中。采用本裝置可將立柱各部位的溫差控制在2°C內(nèi)，從而從根本上避免了立柱 的熱變形。
權(quán)利要求
一種基于多孔金屬的保證機床立柱熱穩(wěn)定性的方法，其特征在于在機床立柱的孔內(nèi)填充多孔金屬材料，在多孔金屬材料中再填充入相變材料，在機床立柱內(nèi)布置溫度傳感器監(jiān)控相變材料的溫度，通過PLC對采集到的溫度數(shù)據(jù)進行處理后輸出模擬電壓，控制貼在機床立柱外的帕爾貼致冷器進行制冷，將機床加工中所產(chǎn)生的熱量釋放到環(huán)境中，避免相變材料完全液化后喪失吸熱能力，最終使得機床立柱成為一個熱穩(wěn)定機構(gòu)，從而達到控制機床立柱在外界的熱沖擊作用下始終保持均勻的溫度場。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多孔金屬的保證機床立柱熱穩(wěn)定性的方法，其特征在于所述的多孔金屬材料為鋁或銅，其孔的截面是六邊形、三角形或四邊形，其孔直徑應(yīng)小于2mm 。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多孔金屬的保證機床立柱熱穩(wěn)定性的方法，其特征 在于所述的相變材料的潛熱為100KJ/Kg-1000KJ/Kg，儲熱密度為50MJ/Kg-1000MJ/Kg，相 變溫度為5°C _29°C。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于多孔金屬的保證機床立柱熱穩(wěn)定性的方法，其特征 在于所述的相變材料填充到機床立柱的容積為70-95%，以留出相變材料膨脹空間，填充 溫度應(yīng)該保證要比相變材料的相變溫度高出6°C -l(TC，以保證相變材料都處在液態(tài)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多孔金屬的保證機床立柱熱穩(wěn)定性的方法，其特征 在于所述的溫度傳感器選用熱電偶或熱電阻，其分辨率要達到0. 5°C ;四片帕爾貼致冷器 布置于立柱的前、后、左和右的1/2處。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于多孔金屬的保證機床立柱熱穩(wěn)定性的方法。在立柱的孔內(nèi)填充多孔金屬材料，在多孔金屬材料中再填充入相變材料，在立柱內(nèi)布置溫度傳感器監(jiān)控相變材料的溫度，通過PLC對采集到的溫度數(shù)據(jù)進行處理后輸出模擬電壓，控制貼在立柱外的帕爾貼致冷器進行制冷，將機床加工中所產(chǎn)生的熱量釋放到環(huán)境中，避免相變材料完全液化后喪失吸熱能力。本發(fā)明通過相變材料在相變時能夠吸收/釋放大量的熱的特性來平滑機床加工過程中的熱沖擊效果，利用多孔金屬良好的熱傳導(dǎo)特性大幅增加相變材料的傳熱性能，使得加工過程中產(chǎn)生的熱能夠通過立柱表面的致冷器傳遞到外部環(huán)境中。避免立柱的受熱不均勻?qū)е抡麄€機床本體產(chǎn)生變形，確保機床的加工精度。
文檔編號B23Q1/00GK101745819SQ20091015712
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月22日
發(fā)明者傅建中, 甘文峰, 賀永 申請人:浙江大學(xué)