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数控机床主轴系统多物理场耦合热态特性分析研究

邓小雷  
【摘要】:数控机床的热性能已成为影响高速机床工作性能的最重要的因素之一,主轴系统是数控机床的核心部件系统,其热态性能在很大程度上决定了整台数控机床所能达到的切削速度和加工精度,是制约数控机床精度提高的最主要因素。因此,如何快速、准确地获取多物理场耦合情况下的主轴系统热态特性,已发展为精密加工机械精度提高和保持稳定的瓶颈问题,也是当前数控机床热特性研究领域的热点和难点。本论文结合国家自然科学基金项目“复合机床多主轴热亲近理论及空间耦合热误差协同补偿基础技术研究”(No.51175461)、国家科技重大专项项目“高档数控机床数字化设计课题”(No.2012ZX04010-011)和国家科技重大专项项目“大型直线滚动导轨精密曲面成形数控磨床”(No.2009ZX04001-131),在分析数控机床热特性相关研究现状的基础上,进行了面向数控机床主轴系统多物理场耦合热态特性分析方法及其相关关键技术研究。本论文在积极吸收相关理论和研究成果的基础上,面向主轴系统多物理场耦合热特性分析与试验方法进行了理论和方法上的创新,开展了主轴系统多物理场耦合热特性模型建立,多物理场有限元仿真计算,热源法热特性计算,多参数多目标热模型修正等一系列关键技术的研究,并基于机床热平衡试验方法进行了理论研究的校验和实验研究。本学位论文的主要研究工作及研究成果归纳如下: 第一章,阐述了数控机床热态特性分析与试验技术方面的研究背景及意义,对数控机床尤其是主轴系统热态特性分析相关技术的研究现状进行了深入地分析,并针对当前研究中存在的不足,提出了论文的主要研究内容。 第二章,根据热传递理论所建立起来的导热微分方程式,建立了适合于数控机床多物理场耦合的计算模型。该模型主要包括流体-温度场耦合模型和温度场-结构场耦合两大部分,分析了耦合场边界条件的求解,耦合场的热载荷分类与计算,耦合场传热系数的计算,耦合场热应力及热变形计算等内容,为后续的有限元多物理场耦合分析模型计算做好铺垫。 第三章,在综合分析数控机床主轴系统的边界条件的基础上,建立了主轴系统的三维多物理场耦合流场—温度—结构场的稳态和瞬态热态特性有限元分析模型,所建立模型充分考虑了主轴系统的边界条件,还考虑了主轴系统在外加非圆截面弯管冷却液二次环流影响下的温度场分析与分布情况;然后,根据建立的模型,采用了有限元分析方法与Ansys软件对多种机床的主轴系统进行了仿真分析和优化,获取了主轴系统的热态特性,验证了模型的有效性,显示了良好的计算精度与优化效果。 第四章,混合响应面模型和多目标遗传算法,提出了一种多参数、多目标热模型修正方法,该修正方法根据热平衡实验所获得的数控机床主轴系统热态特性数据,采用中心复合设计的实验设计方法,在设计空间抽取样本点进行数值模拟,建立了由多个有限元热模型设计参数所决定的主轴系统热态特性的二阶响应面模型,利用多目标遗传算法对响应面模型进行循环逼近优化,取得Pareto最优解集,提高原有限元热模型的准确度;通过实例分析表明,该修正方法适用于机床主轴系统等复杂结构的模型修正,可以有效地利用实验数据,通过有限次的数值模拟计算获得需修正参数的最优解,减少了模型分析的计算误差,使得修正后的模型结果更为接近实际。 第五章,为准确并且快速地获取数控机床主轴系统的热态特性,根据热源温度场迭加法原理建立了有限大圆柱面热源瞬时或持续发热情况下的温度场计算数学模型,该数学模型可获得在发热强度为一定值的情况下持续发热一定时间后导热体上任一点处的温升值;利用所建立的数学模型对主轴系统的热态特性进行了解析计算,获得了主轴系统的温升特性、温度场分布、温升时间历程等热态特性;通过成熟的有限元分析法以及实例验证,该方法有简单易行、有足够的精度、物理概念清楚、对计算机配置要求低、计算速度快、占用资源少等优点。 第六章,提出了一种机床热平衡试验方法,可对现有精密数控机床主轴系统进行常规工况实验和空运转实验研究,获得了主轴系统的温度场、热敏感点、热变形以及热平衡状态等热态特性,还提出了热平衡时间计算方法。通过热平衡试验研究可校验前面所提出的多物理场耦合分析模型、热模型参数修正方法以及热特性快速计算方法等理论仿真分析有效性,还可以通过实验结果建立误差模型,实现对主轴系统热特性的快速校核与加工误差补偿。以热平衡试验为基础,对杭州某机床厂的直线滚动导轨精密曲面成形数控磨床为研究对象,开展了多主轴系统热平衡试验方法的具体案例研究,弥补了其在理论分析上的不足,提高了加工精度。 第七章,对论文的主要研究工作和创新性成果作了总结,并对后续的研究工作进行了展望。


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