数控机床主轴系统热误差分析与补偿技术研究
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摘 要
热误差是影响数控机床精度最重要的因素之一。主轴系统作为数控机床的关
键零部件，其热变形误差又是引起机床热变形误差的重要因素，因此主轴系统精
度的高低在很大程度上决定了数控机床的加工精度。本文以此为研究背景，利用
有限元分析方法，同时结合实验结果，对数控机床主轴系统的热特性进行了分析
与设计，并对主轴系统产生的热误差进行实时补偿。
首先基于有限元法对主轴系统进行三维温度场建模和详细的热特性分析，计
算出热--力结构耦合条件下主轴系统在加工过程中达到热平衡时的温度场分布及
热变形大小，结果包含了主轴系统的力学和热学性能。
采用 SK7520/H 数控万能螺纹磨床作为研究对象，完成数控机床主轴系统的温
度与热误差测量实验。基于信息论原理，本文提出一种最优测温点的选择方法，
详细阐述了互信息量在最优测温点选择中的原理和应用。同时结合多元线性回归
法，进行主轴系统热误差建模。
对比实验结果和有限元分析方法，本文对有限元分析方法的有效性进行验证。
同时结合正交有限元法和单因素优选法，对主轴系统的有限元模型进行修正，使
得其有限元分析结果在最大程度上接近实际主轴热变形情况。
通过对西门子 840D 数控系统二次开发建立实时通信系统，设计了主轴系统热
误差补偿软件，研究完成了该补偿软件与数控系统的数据交换，实现了在加工过
程中，实时补偿主轴系统热误差。
最后优化主轴系统结构。重点考察了箱体散热筋板布置与尺寸对主轴系统热
变形的影响，结合实际主轴系统的安装结构与装配空间，完成结构优化。优化后
的主轴具有更好的热特性。
关键词：主轴系统 最优测温点 正交有限元法 840D 二次开发
结构优化
ABSTRACT
Thermal error is one of the most important factors to affect the precision of CNC
machine tools. The thermal deformation of the spindle system which as the key
component of the machine tools is the main reason causing the machine tools thermal
deformation. Therefore, the CNC machine tools’ precision is determined by that of the
spindle system. Based on this research background, the thermal characteristics of
spindle system are analyzed and designed with the combination of the finite element
method and experiment, and then the real-time thermal error compensation of the
spindle system is presented.
First of all, the three-dimensional thermal model of the spindle system is built and
the thermal characteristics are fully analyzed with FEM, the temperature filed and the
thermal deformation are calculated based on the thermal-structure coupling, and the
mechanical and thermal properties of the spindle system are gained along with.
The temperature and thermal displacement of the CNC thread grinding machine
tools are measured. Based on the information theory principles and mutual information,
this paper presents a new optimal method for choosing the temperature measurement
points. And the same time, the thermal deformation model of the spindle system is built
up using the multiple linear regression method.
Experiment result and finite element method are compared, to valid the FEM
modeling method. Then the spindle model is modified according to the orthogonal finite
element method and the single factor optimization method, making the output of the
FEM close to the actual thermal deformation of the spindle system to the max extend.
A thermal error compensation software is developed using the secondary
development tool of Siemens 840D numerical control system, the data exchanging
between the software and NC system is set up to realize the real-time compensation for
spindle system during the processing.
Finally, the structure of the spindle system is optimized. The arrangements and the
dimensions of the rid plate are researched; combined with the assembly structure and
spacing, after the optimization, the spindle system has better thermal characteristics.
Key Words: spindle system, optimal temperature measurement points,
orthogonal finite element method, 840D development,
structure optimization
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论.............................................................................................................1
§1.1 课题的背景及意义....................................................................................1
§1.2 主轴系统热变形分析国内外研究现状....................................................1
§1.3 本文研究的内容及论文结构...................................................................3
第二章 机床主轴系统热特性分析.........................................................................4
§2.1 温度场问题的有限单元法.......................................................................4
§2.1.1 热传递基本方式................................................................................4
§2.1.2 温度场导热微分方程........................................................................5
§2.1.3 导热过程的边界条件........................................................................7
§2.2 机床主轴系统热源和发热量计算...........................................................8
§2.2.1 机床主轴系统的热源........................................................................8
§2.2.2 主轴系统轴承发热量的计算............................................................8
§2.3 机床主轴系统温度场分析.......................................................................9
§2.3.1 主轴系统有限元分析模型的建立....................................................9
§2.3.2 主轴系统边界条件的确定..............................................................10
§2.3.3 主轴系统温度场分析结果..............................................................11
§2.4 机床主轴系统热变形分析.....................................................................13
§2.4.1 主轴系统热变形衡量标准..............................................................13
§2.4.2 主轴系统热变形分析......................................................................14
第三章 机床主轴系统热变形测量及热误差分析...............................................17
§3.1 机床主轴系统的热误差测量.................................................................17
§3.1.1 实验目的..........................................................................................17
§3.1.2 实验对象和实验设备......................................................................17
§3.1.3 实验过程..........................................................................................18
§3.2 机床主轴系统热误差补偿模型的建立.................................................20
§3.2.1 基于信息论的热误差敏感点选择方法..........................................21
§3.2.1.1 信息熵及互信息原理...............................................................21
§3.2.1.2 热误差敏感点确定方法...........................................................23
§3.2.1.3 热误差敏感点选择...................................................................25
§3.2.2 基于多元线性回归的热误差补偿模型建立..................................25
§3.2.2.1 多元线性回归法.......................................................................25
§3.2.2.2 回归模型的假设检验...............................................................27
§3.2.2.3 热误差补偿模型建立...............................................................29
§3.2.2.4 热误差回归模型的显著性检验...............................................30
§3.3 本章小结.................................................................................................31
第四章 主轴系统有限元分析方法的有效性研究...............................................32
§4.1 基于有限元分析的互信息计算..............................................................32
§4.2 主轴系统热误差模型影响因素分析......................................................34
§4.3 基于正交试验的主轴系统有限元分析..................................................35
§4.3.1 正交试验设计原理...........................................................................35
§4.3.2 正交有限元分析方法.......................................................................36
§4.3.3 机床主轴系统正交有限元分析.......................................................37
§4.3.3.1 正交有限元分析方案................................................................37
§4.3.3.2 主轴系统正交有限元分析结果...............................................37
§4.3.3.3 主轴系统正交有限元试验极差分析.......................................39
§4.4 机床主轴系统有限元有效模型的建立.................................................41
§4.4.1 修正后主轴系统的有限元分析.......................................................41
§4.4.2 修正后主轴系统模型的有效性验证...............................................42
§4.5 本章小结..................................................................................................43
第五章 主轴热误差补偿技术研究及主轴结构优化...........................................44
§5.1 热误差补偿方法研究.............................................................................44
§5.2 机床主轴系统热误差补偿的程序实现.................................................45
§5.2.1 数控系统的开放性研究...................................................................45
§5.2.2 热误差补偿系统开发工具..............................................................47
§5.2.2 热误差补偿系统的程序实现..........................................................48
§5.3 基于热-力耦合的机床主轴系统结构优化........................................... 49
§5.3.1 主轴系统散热筋板布局设计与优化..............................................50
§5.3.2 结构优化后主轴系统有限元计算..................................................52
§ 5.4 本章小结................................................................................................54
第六章 结论与展望...............................................................................................55
§ 6.1 总结........................................................................................................55
§ 6.2 展望........................................................................................................55
参考文献.................................................................................................................57
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.....................................61
致 谢.....................................................................................................................62
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题的背景及意义
机床制造业是国家工业的基础，它直接影响到国家各个工业部门的装备自动
化水平、劳动生产率的提高和国防现代化的实现。随着生产和科技的高速发展，
机床日益向高速、高效、高精度和自动化方向发展。其中高速精密数控机床因其
生产上的高柔性、高精度、高速度、高效率和高可靠性，而广泛应用于汽车、摩
托车、纺织、仪器仪表、航空航天、机械、机床等各行各业，其所处的地位就变
得越来越重要。目前，机床结构的动态优化设计技术己经广泛地应用在各类新机
床的开发中，而我国机床行业至今仍大多沿用经验、类比、静态的传统设计方法，
设计出的机床不仅性能差，结构笨重，速度精度不高，而且设计周期长、制造成
本高，这些问题使得国产机床在高档次机床领域内无法与国外机床相抗衡。随着
中国加入 WTO，中国机床制造行业的形势将变得更为严峻，并面临更为强大的竞
争对手。为此，中国的机床制造企业必须改变原有的传统设计方法，以先进的设
计制造手段作为技术支撑，来提高我国机床的设计与制造水平，在新的市场环境
中积极参与竞争。
随着现代制造业对机械产品的质量要求越来越高，提高机床的加工精度显得
尤为重要。热误差是影响机床精度的最重要的因素之一。机床内部和外部的热源
对机床的热干扰导致机床产生热变形，从而产生热误差。机床的误差主要有几何
误差、热误差和切削力误差，其中热误差占机床总误差量的 40％－70%左右[1,2]。
热误差对高精度机械产品的尺寸精度影响很大，进而也会影响到产品加工过程质
量、生产效率和成本。随着机床制造技术的发展，几何误差已经得到较好的解决，
热误差成为影响机床加工精度的最主要因素，也是最难以解决的问题。大量研究
表明，主轴系统的热变形误差又是引起机床热变形误差的重要因素，因此，主轴
系统的热特性分析与设计对机床精度的保证至关重要,是高速高精度机床必须要考
虑的关键技术之一。
§1.2 主轴系统热变形分析国内外研究现状
在国外，从事机床热误差补偿技术比较有影响的机构有美国的密西根大学、
国家标准和技术所（National Institute of Standards and Technology）、辛辛那提大
学，日本的东京大学、日立精机、大阪工业机床，德国的阿亨大学、柏林工业大
学等。其中，美国的密西根大学在 1997 年成功的将热误差补偿技术实施于美国通
摘要：
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摘要热误差是影响数控机床精度最重要的因素之一。主轴系统作为数控机床的关键零部件，其热变形误差又是引起机床热变形误差的重要因素，因此主轴系统精度的高低在很大程度上决定了数控机床的加工精度。本文以此为研究背景，利用有限元分析方法，同时结合实验结果，对数控机床主轴系统的热特性进行了分析与设计，并对主轴系统产生的热误差进行实时补偿。首先基于有限元法对主轴系统进行三维温度场建模和详细的热特性分析，计算出热--力结构耦合条件下主轴系统在加工过程中达到热平衡时的温度场分布及热变形大小，结果包含了主轴系统的力学和热学性能。采用SK7520/H数控万能螺纹磨床作为研究对象，完成数控机床主轴系统的温度与热误差测量...
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作者：赵德峰
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：68 页
大小：4MB
格式：PDF
时间：2024-11-19
