数控机床主轴系统热特性分析及热补偿技术研究

论文摘要

随着数控机床向高精度、高速度、高柔性化的方向发展,对机床的加工精度及机床的可靠性提出了越来越高的要求。大量的研究表明：热误差占机床总误差的70%左右,因此机床的热特性分析及热补偿技术将成为一个研究热点,也是提高机床加工精度的重要途径。本课题来源于“高档数控机床与基础重大装备”科技重大专项（项目编号：2009ZX04001-053）的热变形控制和补偿等关键技术的子课题以及辽宁省攻关课题“高档数控机床快速响应创新设计关键技术研究”（科研批准文号：2010020076-301）,主要研究某型号精密机床车削中心主轴系统的热特性,并对该机床的主轴系统进行热补偿技术的研究,具体内容有以下几个方面：（1）通过传热学的相关理论建立了温度场的数学模型,并且基于热变形方程、弹性力学及有限元的相关理论建立了机床热变形的数学模型,为进一步分析机床主轴系统的热特性奠定了理论基础。（2）建立了机床主轴系统的三维模型,并通过ANSYS Workbench对机床主轴系统的有限元模型划分网格。通过相关理论对机床的边界条件及热源进行计算,并将结果加载到有限元模型上。通过试验对比有限元分析的结果并对有限元模型进行必要的修正,以温度场为条件计算机床主轴系统的热变形。（3）研究分析两种改变机床主轴系统边界条件,来观察改变机床主轴系统的边界条件对机床主轴热变形的影响,两种方法分别是：改变主轴箱体附近空气流动速度与在主轴箱体前端面加冷却套。通过比较这两种方法可以看出：在主轴箱体前端面加冷却套后可以有效地抑制机床主轴系统的热变形。（4）基于灰色系统理论及回归方法建立机床的热补偿数学模型。通过使用灰色系统关联度的方法对所有的测温点进行分类,选取每组关联度最大的值作为最优点进行数学建模,根据各测温点之间的组合建模的回归分析结果,确定最终用于建立热补偿数学模型的温升点,并根据R检验、T检验、F检验的方法对所建立的热补偿数学模型进行检验。最后对机床主轴系统的热补偿过程作了论述。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 数控机床的热源及热变形的机理分析
• 1.2.1 数控机床的热源
• 1.2.2 数控机床热变形的机理
• 1.3 数控机床热特性及热补偿技术国内外研究状况
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 论文的主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 第2章 数控机床结构及其关键部分说明
• 2.1 数控机床的结构分析
• 2.1.1 机床的整体结构
• 2.1.2 主传动系统结构说明
• 2.1.3 进给传动系统结构说明
• 2.2 液体动静压轴承结构及其说明
• 2.2.1 动静压轴承的结构
• 2.2.2 动静压轴承的功率消耗
• 2.3 电主轴结构及其主要参数
• 2.3.1 电主轴的结构
• 2.3.2 主轴电机
• 2.3.3 电主轴的工作原理
• 2.3.4 主轴轴承
• 2.3.5 高速电主轴的冷却
• 2.4 本章小结
• 第3章 数控机床主轴系统的热特性理论
• 3.1 数控机床主轴系统热能传递的基本方式
• 3.1.1 热传导
• 3.1.2 热对流
• 3.1.3 热辐射
• 3.2 数控机床温度场的数学模型及温度场的有限单元法
• 3.2.1 机床主轴系统温度场数学模型
• 3.2.2 机床主轴系统温度场的有限单元法
• 3.3 数控机床主轴系统热变形有限单元法
• 3.3.1 热变形基本方程
• 3.3.2 热变形的有限单元法
• 3.4 本章小结
• 第4章 数控机床主轴系统热特性分析
• 4.1 概述
• 4.2 ANSYS Workbench软件概述及主轴系统有限元分析过程
• 4.3 数控机床主轴系统的有限元模型建立
• 4.4 数控机床主轴系统的热源分析及相关参数的计算
• 4.4.1 机床主轴系统的热源
• 4.4.2 机床主轴系统发热量的计算
• 4.4.3 机床主轴系统边界条件的计算
• 4.5 数控机床主轴系统的温度场分析结果
• 4.5.1 稳态温度场的分析
• 4.5.2 瞬态温度场的分析
• 4.6 数控机床主轴系统热变形分析结果
• 4.7 改变数控机床主轴系统边界条件机床主轴的热变形
• 4.7.1 改变主轴箱体附近空气流动速度
• 4.7.2 主轴箱体前部加冷却套
• 4.8 本章小结
• 第5章 基于灰色系统理论的温度敏感点选取及热补偿模型的建立
• 5.1 热误差试验方法的设计
• 5.1.1 试验设备介绍
• 5.1.2 热误差试验工况的设计
• 5.1.3 热误差试验结果分析
• 5.2 车削中心热误差建模的测温点优化
• 5.2.1 灰色关联分析模型
• 5.2.2 基于灰色关联度的温度敏感点选取
• 5.3 热补偿数学模型的建立
• 5.3.1 多项式回归定理
• 5.3.2 多项式回归的假设检验
• 5.3.3 基于多项式回归的热补偿数学模型的建立
• 5.4 热补偿的实现
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢