进给系统热特性分析与测温点的选取

滚珠丝杠副由于摩擦产生的热变形是进给系统热误差产生的主要原因.论文以TX1600数控镗铣加工中心为例,首先对丝杠建立了简化的三维模型,根据实际运动状态,通过施加移动热载荷,利用Ansys仿真出丝杠的温度场和热变形,得到了丝杠表面温度场的分布趋势和达到热平衡的时间,确定了滚珠丝杠的热变形.其次通过模糊聚类法对温度变量进行分组,找到关键的测温点的数量和位置,为后续建立补偿模型奠定基础.     

数控机床进给系统温度场与热变形有限元分析

为了改善丝杠轴向热位移对机床加工精度的影响,通过对丝杠进给系统的摩擦学、传热学研究,建立了丝杠进给系统的热学模型,并运用有限元法探讨了丝杠进给系统在热源作用下的稳态温度场和热变形情况。通过仿真实验得到丝杠轴向热位移为31.86μm,而理论计算得到的丝杠轴向热位移为31.74μm,通过热伸长仪测得的丝杠轴向变形量为31.81μm,因此验证了该模型的正确性,可以为丝杠进给系统的误差补偿提供参考。     

滚珠丝杠螺母副热态特性建模方法

以某外循环滚珠丝杠螺母副为研究对象，对其热态特性及其建模方法进行研究。在分析滚珠丝杠进给系统的热源和边界条件的基础上，建立了丝杠稳态温度分布的数学模型，并通过软件编程求解得到丝杠温度场和滚道的存在对丝杠稳态温度的影响；建立了考虑滚道影响的滚珠丝杠进给系统有限元分析模型，获得了滚珠丝杠进给系统稳态和瞬态热特性分析结果；最后通过滚珠丝杠螺母副热特性试验，获得了滚珠丝杠进给系统关键点的温度及其变化情况。研究结果表明：所建立的滚珠丝杠螺母副热特性分析数学模型可以较准确地获得滚珠丝杠的温度场，忽略滚道会使滚珠丝杠螺母副的温度场仿真结果产生15%～20%的误差。     

基于改进松鼠搜索算法优化神经网络的数控机床进给系统热误差预测

为探究数控机床进给系统中各因素对热误差的影响规律,建立精准的热误差预测模型。 在进给速度为 10 m/ min、环境 温度 20℃的条件下进行进给系统热误差测量实验,获得进给系统关键点的温升及热误差。 为提高预测精度,采用 Tent 混沌改 进松鼠搜索算法,并利用改进的算法对神经网络进行优化,建立热误差预测模型。 利用热误差测量实验获得的数据进行验证, 结果表明改进前的神经网络预测误差为 12. 23% ,改进后的模型预测误差为 8. 92% ,精度有较大提升。 利用预测模型针对不同 进给速度下相同位置处热误差进行分析,结果表明,进给系统中关键测温点的温度和丝杠各点的热误差随着进给速度的增加而 增加。 因此提出的预测模型可实现进给系统热误差的准确预测,为误差补偿提供理论依据。     

双驱同步控制的误差预补偿算法与试验

针对双驱进给系统的同步控制,设计了一种新的补偿算法。首先,根据双丝杠工作台的结合部刚度,建立滚珠丝杠运动系统的动力学模型。然后在不同进给速度和工作台位置下,对双驱进给的同步误差进行检测,得到同步误差的多元线性回归模型,利用动力学模型与多元线性回归模型可综合得出双驱同步控制的误差预补偿模型。采用自主研发的双驱进给试验平台进行双驱进给的补偿试验,对比传统的虚拟主轴同步控制策略、主从同步控制策略与本文所提出的误差预补偿控制策略,对双驱进给的速度跟随精度与位置同步精度进行对比分析,试验结果表明,双驱同步控制的误差预补偿策略具有同步精度更高,稳定性更好的优点。     

基于传感标签技术的滚珠丝杠热误差监测与实验

针对高速滚珠丝杠进给系统热源分布广、有线监测方式布线困难、热误差数据难以获取的问题,设计一种滚珠丝杠热误差在线监测系统。该系统通过传感标签和读写器实现温度数据无线收发,基于LabVIEW开发的上位机系统采用RS232串口对热误差数据实时存储。实验表明该系统测量精度高,运行稳定可靠,适用于丝杠进给系统多热源分布的实时在线测量。     

单热源作用下滚珠丝杠的温度场建模与热误差预测

研究了滚珠丝杠在单热源作用下的温度场模型,以便快速、准确地预测滚珠丝杠的热误差.根据丝杠的导热方程,在合理修改边值条件的基础上,建立滚珠丝杠的温度场理论模型,引入随温度变化的参数α’修正该模型,并提出模型参数的辨识方法.结合机械热变形理论,用所建立的温度场模型预测滚珠丝杠的热误差,进行温度场模型参数辨识实验和模型预测效果的验证实验.结果显示:基于温度场模型预测的温升值与实验测得的温升值之间的最大误差为0.8℃;热误差预测结果与实测结果的最大误差为3.8 μm.结果表明所建立的温度场模型可以较准确地反映滚珠丝杠在单热源作用下的温度分布,进而可以较准确地预测滚珠丝杠的热误差.     

滚珠丝杠磨削过程中热变形规律的研究

通过建立滚珠丝杠磨削过程中其温度场及热变形的离散数学模型,分析研究了温度、冷却液及半径对热变形和补偿系统的影响,进而得出有益于提高螺距误差补偿系统实时性和准确性的结论.     

基于GA-BP神经网络系统的滚珠丝杠热误差建模

滚珠丝杠是数控机床进给系统的关键部件,其热变形影响机床的定位误差。为提高数控机床的精度,提出一种基于GA-BP神经网络的热误差预测方法。以TX1600G镗铣加工中心进给系统的滚珠丝杠为研究对象,运用有限元法对丝杠进行热特性分析,并据此获得其温度和热误差数据。针对BP神经网络模型训练时间长,容易陷入局部极值等缺点,运用遗传算法优化BP神经网络的阈值和权值,并建立滚珠丝杠的热误差预测模型。通过MATLAB完成仿真实验,结果证明,GA-BP神经网络模型比BP神经网络模型拟合性能更好,预测能力更强。     

实心/空心高速滚珠丝杠轴承副热变形研究

随着机床滚珠丝杠进给系统速度的提高,滚珠丝杠轴承副摩擦产生的热量传递到丝杠,并引起了滚珠丝杠的热变形。通过分析轴承发热原理及理论计算方法,以及实例计算轴承副生热,运用有限元分析软件ANSYS仿真,得到实心滚珠丝杠和空心滚珠丝杠的温度分布和热变形,并分析热变形对滚珠丝杠变形的影响,得出通有冷却液的空心滚珠丝杠可以有效的抑制滚珠丝杠温升并减小热变形的理论,为空心滚珠丝杠热特性研究提出理论依据。     

Thermal characteristics of a CNC feed system under varying operating conditions

In high-speed and high-precision feed systems, thermal positioning errors are mainly caused by the non-uniform temperature variations and resulting time-varying thermal deformations under different operating conditions. The research presented here ultimately aims to develop a generic method capable of evaluating the thermal characteristics (such as temperature rise of heat sources, thermal positioning error) of the feed system induced by varying operating conditions (feed speed, cutting load and preload of ball screw). The thermal contact resistance between the balls and the inner and outer rings of supporting bearing is calculated using the Hertzian theory and JHM method. Experiments were carried out on a high-speed feed system experimental bench, and the influences of operating conditions on temperature rises of supporting bearings and ball screw nut were analyzed. Based on a WNN-NARMAL2 model, the relationship between temperature rise of supporting bearings and operating conditions was established. Furthermore, with the temperature of the ball screw nut set to be a moving heat source load, the temperature and thermal deformation distributions of the ball screw were simulated. The work described lays a solid foundation for thermal error prediction and compensation of a feed system under varying operating conditions.     

Time-varying positioning error modeling and compensation for ball screw systems based on simulation and experimental analysis

Thermal expansion of ball screw systems affects the machining accuracy of machine tools significantly. This paper intends to provide a comprehensive error compensation method for the time-varying positioning error of machine tools. To confirm the thermal deformation mechanism of ball screw systems, experiments have been designed to study the thermal behaviors of a ball screw system under varying temperature conditions. An exponential algorithm is proposed to predict the temperature variation pattern of the ball screw based on finite element analysis, and the actual thermal boundary conditions of the ball screw system are exactly defined according to the proposed algorithm and the experimental results. Then, a comprehensive compensation model is established based on the decomposition of the initial geometric error and thermal error components. Finally, a real-time error compensation system is developed for machine tools based on the function of external machine original coordinate shift and fast Ethernet data interaction, and satisfactory results have been achieved for the compensation experiments on a machining center.     

中空滚珠丝杠副热动态特性分析

以传热学理论为基础,研究滚珠丝杠进给系统主要热源分布及热传导计算,分析中空滚珠丝杠副的热态特性及达到热稳定状态后进给系统的温度场。探讨了多热源作用下滚珠丝杠的一维温度响应,给出了滚珠丝杠系统的热传导方程。通过实验验证了理论结果的正确性,根据滚珠丝杠系统各主要部件的升温曲线对比,获得滚珠丝杠系统的温度场变化规律,并在此基础上分析了滚珠丝杠的热变形,确定滚珠丝杠的热伸长量,从而为滚珠丝杠的优化设计提供了参考。     

基于有限元法的中空冷却滚珠丝杠温升及热变形研究

针对高速机床工作过程中滚珠丝杠进给系统的发热及热变形问题,基于传热学理论,建立了中空冷却滚珠丝杠传动过程中温度场和热变形的数学模型,并通过有限元仿真模拟和丝杠冷却模拟运行试验对该模型进行验证.结果表明,随着丝杠转速的提高和运行时间的增加,丝杠温升和热变形先是逐渐增大,然后趋于一个稳定值.     

Research on thermal dynamics characteristics and modeling approach of ball screw

Empirical modeling of machine tools on thermal error has been widely researched, which can compensate for thermal error to some extent but not suitable for thermal dynamic error produced by dynamics heat sources. Ball screw is the main member of feed system of machine tool. On the basis of the theory of heat transfer, thermoelastic phenomenon of unidimensional heat transferring of the ball screw influenced by changeable heat sources is analyzed. A method to establish a dynamics characteristics model of thermal deformation of the ball screw based on least square system identification theory is put forward. Through simulation data, correctness and validity of modeling approach is proven. By this method, modeling of thermal error of X-axis of feed system of DM4600 vertical miller is established which has good identification effect.     

基于热网络的某主轴系统稳态热分析

以某主轴系统为研究对象,用热网络法建立了该主轴系统的热平衡方程组;针对主轴系统的结构件、轴承转速、冷却液温度等给定的工况建立了热阻、功率损失、对流传热的计算模型;通过MATLAB求解热平衡方程组,计算出主轴系统的稳态温度场分布;考虑了轴承转速、冷却液温度、润滑剂黏度大小对主轴系统中关键节点温度的影响,为该主轴系统的瞬态热分析提供了有效的初始条件。     

无温度传感器的数控机床进给轴热误差补偿

分析了目前常见的进给轴热误差补偿方法的缺点,如需要多个温度传感器、模型的鲁棒性较差等。提出一种基于无温度传感器的、强鲁棒性的机床进给轴热误差补偿方法,在恒温环境下实现对运动生热导致的热误差的补偿。给出了热误差模型的推导过程以及应用ISIGHT平台进行参数优化的过程。热误差模型基于摩擦生热、热传导和散热机理实时预测滚珠丝杠的温度场,以实现预测并补偿丝杠热误差的目的。在一台立式加工中心VMC850上对x、y、z轴进行了热误差测试并给出了模型的仿真效果。在另一台立式加工中心VMC850上采用激光干涉仪进行了热误差补偿前后的对比试验和加工对比试验。试验结果表明,该热补偿方法具有很高的精度稳定性和强鲁棒性。