主轴直驱式车床热特性分析与优化设计

论文摘要

直驱式车床采用内置电机主轴部件,完全取消了从电动机到工作部件之间的一切中间环节,由电机直接驱动主轴进行回转运动,从而使车床的传动链长度为零,实现了车床的“零传动”。直驱式车床不仅完全消除了传动链的几何误差对加工精度的影响,而且消除了齿轮传动机构产生的热误差对加工精度的影响。但是,直驱式车床必然会产生电机、轴承等其他环节发热,对加工精度造成较大的影响。本文在研究主轴直驱式车床CMK0220结构的基础之上,分析其整机热特性,重点从仿真分析和试验角度研究电主轴发热对机床整体带来的变形,并利用有限元仿真方法对机床热特性进行优化设计,为直驱式车床热特性相关研究提供依据。首先介绍了机床热特性分析的理论基础,详细分析了热传递的三种方式以及热应变产生的原因,列出了热应力的热弹性方程及求解方法,并对计算温度场和耦合场的有限元理论进行了概述。其次,对车床结构和电主轴结构进行了研究,并在此基础上分析了直驱式车床的整机热特性,建立了整机热流模型。热特性分析主要包括机床发热与散热因素分析、热流过程分析、发热及边界条件的计算等。机床发热和散热分析是进行热特性分析的基础。直驱式车床热特性仿真及试验研究是本文研究的重点。根据对机床热特性的分析和计算,利用软件对直驱式车床整机温度场进行了仿真分析。并对初步计算的温度模型结果进行必要地试验修正。由热—结构耦合方法计算出整机变形模型,并通过试验验证了仿真分析的结果。最后,根据对机床整体的热特性分析,选取适合的方法对机床主轴水平倾斜和竖直倾斜进行了优化设计。优化结果表明,采取加设散热筋板结合附加热源的方法可以有效改善直驱式车床主轴倾斜的大小。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 电主轴技术的发展现状
• 1.3 机床及其主轴系统热特性研究现状
• 1.4 研究内容
• 2 机床热特性分析理论基础
• 2.1 热传递三种方式及导热微分方程
• 2.1.1 热传导
• 2.1.2 热对流
• 2.1.3 热辐射
• 2.1.4 导热微分方程
• 2.2 热弹性理论基础
• 2.2.1 热应力概念
• 2.2.2 热弹性理论基本方程
• 2.3 有限元理论概述
• 2.3.1 温度场计算的有限元法
• 2.3.2 热—结构耦合的有限元法
• 2.4 本章小结
• 3 直驱式车床结构及热特性理论分析
• 3.1 机床热特性分析及优化流程
• 3.2 车床与电主轴结构介绍
• 3.2.1 车床结构
• 3.2.2 电主轴介绍
• 3.3 机床发热与散热因素分析
• 3.3.1 机床发热因素分析
• 3.3.2 机床散热途径分析
• 3.4 整机热流模型的建立
• 3.4.1 整机热流模型建立
• 3.4.2 热分析方案研究
• 3.5 发热与边界条件计算
• 3.5.1 电机发热计算
• 3.5.2 轴承发热计算
• 3.5.3 对流换热系数计算
• 3.6 本章小结
• 4 直驱式车床热特性仿真及试验研究
• 4.1 ANSYS 热—结构耦合分析
• 4.1.1 热—结构耦合分析的基本原理
• 4.1.2 热—结构耦合分析的基本步骤
• 4.2 整机温度模型初步计算
• 4.2.1 温度模型计算条件
• 4.2.2 温度模型计算结果
• 4.3 试验修正及温度模型结果比较
• 4.3.1 试验装置及试验方案
• 4.3.2 试验结果与数据比较
• 4.3.3 改进后的温度模型
• 4.4 变形大小及试验验证
• 4.4.1 仿真变形大小计算
• 4.4.2 试验验证变形大小
• 4.5 本章小结
• 5 直驱式车床热特性优化设计
• 5.1 优化方案分析
• 5.2 筋板散热优化设计
• 5.2.1 散热筋板位置优化
• 5.2.2 散热筋板尺寸优化
• 5.3 附加热源优化设计
• 5.4 热特性优化对机床动态特性的影响
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A 作者攻读硕士学位期间发表的论文
• B 作者攻读硕士学位期间参与的课题