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。     

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。     

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。     

高速空心/实心滚珠丝杠螺母副热特性分析

滚珠丝杠作为机床伺服进给系统的重要部件,由螺母副摩擦热而引起的滚珠丝杠热变形降低了伺服进给系统的定位精度,在机床高速化发展的过程中,滚珠丝杠热变形成为其发展的瓶颈,采用通有冷却油的空心滚珠丝杠为解决这一问题提供了方法。通过理论计算螺母副摩擦热及热边界条件,运用ANSYS有限元分析软件将计算结果加载到同刚度的空心/实心滚珠丝杠上进行分析:首先对滚珠丝杠温升与载荷、温升与转速的关系进行分析,然后分析了冷却油的流速对滚珠丝杠温升的影响,最后对空心/实心滚珠丝杠变形进行了比较分析。分析表明:空心滚珠丝杠温升受到载荷和转速的影响更小;增加冷却油的流速增强对丝杠的冷却效果但却是有限的;空心滚珠丝杠有效的减小了螺母副摩擦热和热变形。     

高速实心/空心滚珠丝杠热动态性能分析与研究

针对高速机床滚珠丝杠副摩擦生热导致滚珠丝杠产生轴向热变形,从而影响机床定位精度的问题,提出采取全面冷却与重点冷却相结合的方式冷却滚珠丝杠,即采用空心滚珠丝杠替代实心滚珠丝杠通入冷却介质全面强制冷却,同时对空心螺母局部重点冷却,共同抑制空心丝杠的温升与热变形。对不同进给速度下实心/空心滚珠丝杠的热特性进行理论分析,空心滚珠丝杠的热变形要比实心滚珠丝杠的热变形小(1~2)个数量级,从而提高了伺服进给系统的定位精度。同时,仿真了实心/空心滚珠丝杠模型的温度分布与热变形,分析了空心滚珠丝杠的温度场与热变形规律。总之,为空心滚珠丝杠在高速伺服进给系统的应用提供理论依据。     

同刚度同载荷下高速空心/实心滚珠丝杠轴承端热特性研究

机床正在朝着高速高精度的方向发展,同时高速机床进给系统的滚珠丝杠也在进入一个新的发展阶段,为了解决高速滚珠丝杠高温热变形对进给系统精度降低的问题,提出了采用空心滚珠丝杠来抑制温升,从而提高滚珠丝杠的定位精度以及机床的加工精度。将计算得到的轴承摩擦热和热边界条件,运用ANSYS有限元分析软件加载到同刚度的空心和实心滚珠丝杠上,再在滚珠丝杠的相同位置加载相同的载荷,通过仿真分析对比同刚度同载荷下高速空心和实心滚珠丝杠的热变形,得出通入冷却油的空心滚珠丝杠可以有效的抑制温升和全面减小热变形的结论,为空心滚珠丝杠的研究提供理论依据。     

实心/空心滚珠丝杠动态、静态的热特性分析计算

通过对滚珠丝杠系统的热源、热边界条件的确定和计算,分别建立实心/空心滚珠丝杠系统的热稳态仿真分析模型,利用有限元的方法,得到滚珠丝杠系统的热稳态温度场分布,进而利用多场耦合对滚珠丝杠系统进行热结构耦合分析得到实心滚珠丝杠和空心滚珠丝杠的热变形情况,并分析热变形对滚珠丝杠系统的影响;然后分别对实心/空心滚珠丝杠系统进行模态分析和静态分析,分析滚珠丝杠中空后动静态特性的变化和影响,为立式加工中心的优化和改进提供理论依据。     

螺母副摩擦热对高速空心滚珠丝杠热特性影响分析

滚珠丝杠作为机床伺服进给系统的重要功能部件,其热变形会降低伺服进给系统的定位精度,在机床高速化发展的过程中,滚珠丝杠热变形成为其发展的瓶颈。其中螺母副摩擦热是影响滚珠丝杠热变形的主要因素。采用通有冷却介质的空心滚珠丝杠为解决此问题提供了一种方法。将通过计算得到的螺母副摩擦热加载到空心滚珠丝杠滚道内,分析空心滚珠滚珠丝杠温度受轴向载荷、转速、通入空心滚珠丝杠的冷却介质的种类、冷却介质流速以及空心滚珠丝杠内孔的大小的影响及内孔大小对空心滚珠丝杠变形的影响。通过分析,结果表明:轴向载荷和转速对空心滚珠丝杠温度影响较小;专业冷却油更适合用于空心滚珠丝杠的冷却,合理控制其温升和热变形;热变形和热-结构耦合的分析,给出了最佳内孔直径。为空心滚珠丝杠的设计及研究提供理论依据。     

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.     

高速实心/空心滚珠丝杠热变形受轴承副摩擦热影响分析

机床高速高精度的发展方向,迫切需要提高机床滚珠丝杠的进给速度,然而随着滚珠丝杠进给速度的提高,轴承副摩擦热也在急剧增加,增大了滚珠丝杠的热变形,进而降低了滚珠丝杠的定位精度,为了解决这一问题,文中提出采用通入冷却油的空心滚珠丝杠抑制温升。先对轴承摩擦生热、热边界条件及滚珠丝杠变形进行理论计算,再通过刚度计算得到与给定空心滚珠丝杠等刚度的实心滚珠丝杠外径,运用有限元分析软件分别对空心、实心滚珠丝杠轴承副热特性进行分析,得出通入冷却油的空心滚珠丝杠可以有效地抑制温升和热变形,最后对不同载荷不同转速下实心滚珠丝杠和空心滚珠丝杠的热特性进行分析,为空心滚珠丝杠的设计和研究提供理论依据。     

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.     

基于RBF神经网络的丝杠热误差模型研究

数控机床的定位精度是反映机床性能的一项重要指标,由丝杠和螺母相对运动产生的热变形严重影响定位精度。结合丝杠热变形的非线性等特点,采用径向基函数神经网络方法建立丝杠热变形误差模型。同时在XHFA2420大型仿形定梁龙门加工中心,对模型进行了实验验证。     

高速精密滚珠丝杠副综合性能测试仪

为满足高档数控机床对滚珠丝杠副的高速、高精度、高刚度、高寿命、高可靠性等的要求,山东济宁博特公司研制开发了精密滚珠丝杠副综合性能试验台、高速精密滚珠丝杠副速度噪声试验台、精密滚珠丝杠副刚度试验台、精密滚珠丝杠副载荷试验台、精密滚珠丝杠副摩擦力矩测试仪等。利用这些试验装置可对滚珠丝杠副的加速度、速度、温升、热位移、噪声、定位精度及重复定位精度、静刚度、静载荷及动载荷、摩擦力矩等性能参数进行测试,为产品改进及用户提供准确可靠的检测数据。文章主要介绍测试仪器的部分性能。     

高速滚珠丝杠副气液二元冷却系统设计与仿真

针对高速滚珠丝杠进给系统由于摩擦发热而导致丝杠产生热变形误差的问题,提出一种高速滚珠丝杠副整体循环冷却和重点发热区域局部冷却的气液二元冷却方法,用于抑制机床因高速运转产生热变形而导致传动刚度和加工精度的变化。通过对不同冷却方式下滚珠丝杠副温度场的变化,以及不同冷却速度情况下滚珠丝杠热变形的仿真分析,验证了气液二元冷却系统的可行性。     

影响滚珠丝杠副热伸长的因素及解决对策

滚珠丝杠副热伸长的大小与丝杠副预紧力、安装方式、机床的移动速度以及采用的冷却介质、冷却方式、环境状况都有密切的关系。弄清各种因素的内在联系，对改进滚珠丝杠副的设计，提高机床整体性能有非常重要的意义。     

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.     

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.     

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.