红外热成像技术在机床主轴系统温升实验中的应用

主轴系统是构成机床的重要组成部分。它的热特性是影响工件加工的重要因素,因此对主轴系统的热特性进行实验分析具有重要意义。应用红外热成像技术得到热特性数据,可以优化主轴系统及机床结构,从而提高机床性能和加工精度。     

影响车铣复合机床双主轴系统精度的因素分析

主轴系统的精度是决定双主轴车铣复合机床整机加工精度的重要因素,而主轴系统的精度又受机床的多方面因素如机床的几何精度、静态和动态刚度及热性能等的影响。因此,机床设计的关键就归结为如何提高主轴系统的精度。通过对复合加工机床双主轴系统精度影响因素的分析,提出相应的解决方法。     

机床主轴热设计研究综述

机床的热态性能已成为影响高速机床工作性能的最重要的因素之一。主轴是机床的关键功能部件,其热态特性在很大程度上决定了机床的切削速度和加工精度,是影响机床精度提升的最重要因素。因此,在主轴的设计阶段减少机床热误差的影响,对于提高机床的热态特性十分重要。在过去的近一个世纪时间中,国内外众多学者针对主轴热设计方法开展了研究探索,基于热设计的过程可以分成三部分内容:热态特性分析方法,热设计与优化方法和热态特性试验方法。先通过主轴热态特性(如温度场分布、热变形、热平衡时间等)建模与分析获取必要的参数,然后以此为基础开展主轴结构设计优化、材料设计优化和冷却系统设计等热设计措施,获得较佳的主轴热态特性,最后通过热态特性试验来校验分析和设计优化的结果,整个过程循环直至达到满意结果为止。本文以此为脉络展开,分别探讨了三部分内容的国内外典型研究现状、主要研究内容和所存在的优缺点,并对未来的研究趋势进行了展望。     

龙门加工中心主轴系统的热态性能分析技术研究

龙门加工中心主轴系统热态特性是提升机床性能的一个关键问题。针对龙门加工中心主轴系统热态特性分析的需要,建立有限元分析模型,计算主轴轴承的发热量以及主轴系统各个表面的对流换热系数,利用ANSYS WORKBENCH对其温度场、热变形状况以及热-结构耦合问题进行了分析计算,得到了不同位置轴承对总热变形的影响以及不同转速条件下主轴系统的稳态热态性能。实验测试数据表明分析计算结果的准确性较高,可用于指导该型龙门加工中心主轴系统结构优化设计和热变形补偿。     

TK6920DA重型数控落地铣镗床主轴-滑枕系统热态特性结构优化研究

针对TK6920DA重型数控落地铣镗床主轴-滑枕系统的热态特性展开研究,首先采用有限元法(FEM)建立了主轴-滑枕系统的热态特性有限元模型,通过分析该系统的热源并确定热边界条件,利用ANSYS软件对系统温度场与热变形场进行了数值仿真,获得了影响机床精度的关键部位。其次,分析了主轴前端轴承冷却套流量对系统热态特性的影响规律。最后,通过改进液压冷却方式和优化滑枕结构提高了主轴-滑枕系统的热态特性。为重型落地铣镗床结构优化设计和热变形误差补偿提供参考依据。     

数控车床主轴系统热特性有限元分析及验证

以某数控车床主轴系统为对象,研究了主轴系统的热态特性及其对机床性能的影响。在建立了主轴系统有限元分析模型后,仿真计算了主轴系统的稳态温度场分布情况,并利用热-结构耦合技术仿真分析了主轴系统在热和结构耦合作用下的热变形情况,分析确定了主轴部件和主轴箱的热变形趋势。为了验证分析结果的有效性,进行了实际的热特性测试(包括温度场和热漂移测试),研究工作为主轴系统的优化设计和热误差补偿奠定了基础。     

接触热阻效应下的数控机床主轴系统热态特性

为了更为精确地获取数控机床主轴系统的热态特性,基于W-M分形函数与赫兹接触理论获取主轴系统的接触热阻,并在综合考虑机床热源、传热系数计算等因素影响的情况下,建立了主轴系统热态特性分析模型。通过有、无加载接触热阻的主轴系统模型仿真分析与实验研究可知:有接触热阻的主轴系统热态特性模型相较于无热阻的有更高的精度。有接触热阻的主轴系统热态特性模型仿真结果与实验测点获得的温度结果最大绝对误差和相对误差分别1.25℃、4.74%,而热变形结果的绝对误差和相对误差分别为0.73μm、4.27%。该研究为数控机床的热设计与分析提供了参考。     

龙门数控机床主轴热误差及其改善措施

依据ISO和ASME标准建立龙门数控(Numerical control,NC)机床热误差测试条件,通过主轴恒转速和变转速热误差试验分析主轴箱温度场分布及其对主轴热误差的影响趋势。建立龙门机床误差元素模型,分析影响机床各坐标轴加工精度的主轴热误差分量。研究发现,主轴热误差和主轴箱温度存在单调对应关系,温度对主轴轴向的热伸长误差的影响要远大于主轴径向的热漂移误差,但温度变化相对各坐标变形存在热延迟和热惯性等特性。对主轴径向精度影响最大的热误差分量是由机床生热产生的同方向的偏移误差和与之垂直的偏转误差;对轴向精度影响最大的则是轴向的偏移误差。针对热误差特点和分布规律,提出结构优化、热平衡、误差补偿建模等3种减小热误差的措施,并对其各自优点进行了分析。     

数控机床主轴系统热特性有限元分析

机床主轴系统的热变形是影响机床精度的主要因素,本文使用有限元法对数控螺纹磨床主轴系统建立了温度场模型并计算了温度分布,然后计算出系统的热变形。计算结果为主轴系统的进一步设计计算和热变形控制提供了基础。     

基于粒子群优化灰色神经网络的机床主轴热误差建模

主轴热误差是影响机床精度的主要因素,建立准确的主轴热误差模型是进行机床误差补偿的关键。研究了温度测点优化和神经网络建模的方法,给出了粒子群优化灰色神经网络建模的流程。开展了主轴热误差热特性试验,得到了主轴热变形随主轴转速的变化规律。基于粒子群优化灰色神经网络建立了主轴轴向伸长和俯仰角热误差模型,并与灰色神经网络和BP网络的预测性能进行了对比,结果表明该模型可有效提高网络模型的收敛性和预测精度。     

精密数控机床主轴系统热动态特性分析与研究

解决了因主轴热变形引起的数控机床加工精度下降的问题,建立了精密数控机床主轴径向和轴向动态热变形的计算机精细数值计算模型和主轴热误差动态预报理论模型,以期揭示温度变化对精密数控机床加工精度的影响机理,为精密数控机床综合误差补偿提供理论依据和技术支撑。本文采用理论分析、数值计算和试验研究相结合的方法,利用有限元方法的数值特点和实际工况实时测量数据的可靠性,为数控机床主轴系统热态特性研究提供理论与实际的依据。     

数控机床主轴轴心线热偏移测试与分析

采用激光非接触式位移传感器和红外热像仪,得到数控机床主轴箱温度场数据和主轴回转运动中心线的偏移数据,结合数控机床各系统结构运行原理,分析机床主轴热态特性及其热敏感点,利用特定机床热敏感点处的温升与主轴各方向热位移关系的数学模型,进行温升热偏移补偿的可行性研究。     

内装式电主轴电机的发热和温升问题

电主轴电机的功率损耗发热和高速滚动轴承的摩擦发热所产生的热变形严重影响了机床的加工精度,改善电主轴的温升和发热状况是当前电主轴研究的一大内容.就相关问题有针对性地提出了几种具体的处理措施.     

Spindle Thermal Error Optimization Modeling of a Five-axis Machine Tool

Aiming at the problem of low machining accuracy and uncontrollable thermal errors of NC machine tools, spindle thermal error measurement, modeling and compensation of a two turntable five-axis machine tool are researched. Measurement experiment of heat sources and thermal errors are carried out, and GRA(grey relational analysis) method is introduced into the selection of temperature variables used for thermal error modeling. In order to analyze the influence of different heat sources on spindle thermal errors, an ANN(artificial neural network) model is presented, and ABC(artificial bee colony) algorithm is introduced to train the link weights of ANN, a new ABCNN(Artificial bee colony-based neural network) modeling method is proposed and used in the prediction of spindle thermal errors. In order to test the prediction performance of ABC-NN model, an experiment system is developed, the prediction results of LSR(least squares regression), ANN and ABC-NN are compared with the measurement results of spindle thermal errors. Experiment results show that the prediction accuracy of ABC-NN model is higher than LSR and ANN, and the residual error is smaller than 3 lm, the new modeling method is feasible. The proposed research provides instruction to compensate thermal errors and improve machining accuracy of NC machine tools.     

Suppression of thermal deformation of machine tool spindle using TiC-Fe composite

The minimization of error generation in machine tool spindle is important because high-speed and ultra-precision machining are extensively utilized in industrial fields. The thermal deformation of the machine tool spindle generated by the frictional heat between the outer and inner bearings can deteriorate the machining accuracy. In this study, a TiC−SUS431 composite was fabricated using the liquid pressing infiltration method to suppress thermal deformation, and its thermal properties were obtained by thermal characteristic tests. For the transient thermal analysis with finite element analysis, the parameters of the machine tool spindle-bearing model were selected, and the boundary conditions were calculated. The temperature and thermal deformation of the analysis model were compared by applying SCM415 and TiC−SUS431 to the material of the machine tool spindle and changing the rotation speed. From the analysis results, it was demonstrated that the TiC−SUS431 machine tool spindle can improve the machining accuracy by minimizing the spindle thermal deformation.

     

精密数控机床主轴热伸长补偿技术研究

针对目前精密数控机床热误差补偿问题,在基于主轴热误差测量系统的基础上,提出一种基于FCM聚类、多元线性回归的热误差补偿模型。通过对某卧式加工中心主轴恒定转速和变速工况下进行温敏点测量,建立关键温敏点与机床主轴热伸长的几何关系,通过补偿结果和切削试验表明该方法可以有效地降低主轴热伸长误差,提升零件的加工精度。     

数控机床主轴热变形伪滞后研究及主轴热漂移在机实时补偿

为研究数控机床热变形规律,实现数控机床误差在机实时补偿,进行数控机床主轴热变形理论及试验分析,结果表明,数控机床主轴热变形与主轴温变在距热源约1/3位置存在近似线性关系,即主轴热变形存在伪滞后现象,这一结果为数控机床测温点优化布置及热误差鲁棒建模提供理论依据。为验证机床热变形伪滞后现象,对VM850加工中心主轴热漂移误差在机实时检测并建模,通过自主研发数控机床误差在线实时补偿系统对主轴热漂移误差进行实时补偿,经补偿,机床主轴热漂移误差减少90%以上,有效提高了数控机床主轴精度。     

Thermal influence of the Couette flow in a hydrostatic spindle on the machining precision

Hydrostatic spindles are increasingly used in precision machine tools. Thermal error is the key factor affecting the machining accuracy of the spindle, and research has focused on spindle thermal errors through examination of the influence of the temperature distribution, thermal deformation and spindle mode. However, seldom has any research investigated the thermal effects of the associated Couette flow. To study the heat transfer mechanism in spindle systems, the criterion of the heat transfer direction according to the temperature distribution of the Couette flow at different temperatures is deduced. The method is able to deal accurately with the significant phenomena occurring at every place where thermal energy flowed in such a spindle system. The variation of the motion error induced by thermal effects on a machine work-table during machining is predicated by establishing the thermo-mechanical error model of the hydrostatic spindle for a high precision machine tool. The flow state and thermal behavior of a hydrostatic spindle is analyzed with the evaluated heat power and the coefficients of the convective heat transfer over outer surface of the spindle are calculated, and the thermal influence on the oil film stiffness is evaluated. Thermal drift of the spindle nose is measured with an inductance micrometer, the thermal deformation data 1.35 μm after running for 4 h is consistent with the value predicted by the finite element analysis's simulated result 1.28 μm, and this demonstrates that the simulation method is feasible. The thermal effects on the processing accuracy from the flow characteristics of the fluid inside the spindle are analyzed for the first time.     

HSK-1OOA型刀柄/主轴联接性能分析

将机床主轴与刀具相联接的刀柄是影响机床加工精度、刀具磨损及加工效率的关键部件.针对高速切削对刀柄的要求,建立了HSK-100A型刀柄的三维实体模型,同时利用有限元方法,对影响HSK-100A型刀柄/主轴联接性能的参数进行了分析,为HSK刀柄的实际应用提供一定的依据及指导.