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。     

龙门加工中心主轴系统热特性的有限元分析

基于热弹性力学与有限单元法,建立了一台国产新型龙门式加工中心主轴系统的有限元模型,计算了轴承发热量、热对流系数,进行了主轴温度场有限元分析,并采用“热-结构”耦合模型计算了主轴系统的热变形。计算和分析结果表明,在主轴转速为3000r/min时,主轴系统经过33min后达到热平衡状态,最高温升出现在前轴承内圈处。计算分析结果为后续加工中心主轴系统的优化提供了基础。     

加工中心主轴-轴承系统温度场求解与结果分析

用COSMOS有限元分析软件对加工中心主轴-轴承系统的温度场进行计算分析.先计算出轴承发热量和传热系数,再根据主轴的约束条件,得到主轴稳态温度场分布,最后得到主轴热变形情况,为主轴的进一步优化设计提供理论依据.     

立式加工中心主轴热误差的实验与分析

主轴是立式加工中心最精密最核心的零件之一。主轴内轴承长时间工作会产生大量的热能,导致主轴发生热变形,进而影响被加工零件的精度。以某型号高速钻铣立式加工中心主轴系统为研究对象,对主轴进行了热位移实验,得到了主轴的温度分布和X、Y、Z三方向的热变形位移,进而分析得出了主轴热位移对加工精度的影响,为主轴的热误差补偿提供了依据。     

数控卧轴平面磨床砂轮主轴-轴承系统的热-结构耦合分析

以某型数控卧轴矩台平面磨床为研究对象,对其砂轮主轴-轴承系统进行了温度分布与热变形的有限元仿真。基于滚动轴承热态特性理论与传热学理论,利用ANSYS Workbench软件对主轴-轴承系统进行稳态和瞬态的温度场仿真,得到了轴承滚子与内外圈滚道温度随时间的变化规律;根据热-结构耦合分析理论和温度场仿真结果,对主轴-轴承系统进行了热-结构耦合分析,得到了主轴在径向、切向与轴向3个方向的热位移与热应力的变化规律,从而揭示了由轴承摩擦产生的热效应造成的温度升高与主轴产生热变形及热位移之间的关系。     

卧式HMC500主轴系统热特性分析及结构优化

以HMC500主轴系统的特有结构为研究对象,建立主轴系统的温度场模型。实验结果表明,主轴系统热变形与温度有较好的对应关系,主轴发热量增大引起主轴变形增大,而主轴轴承的摩擦生热是主轴系统热量产生的重要原因,主轴系统的最高温升位于前轴承内圈处。进一步仿真计算主轴系统的热变形,通过对主轴箱体散热凹面的优化设计,可有效降低主轴系统温升,使主轴系统的热变形达到最小,从而使关键部位变形小于10 μm,满足机床的设计要求。在优化后的主轴箱系统上布置温度传感器和位移传感器,在8 000 r/min转速下进行实时测量,将实验结果与ANSYS的模拟结果进行对比,验证了优化结构的可行性与可靠性。     

基于材料热特性的轴承预紧力自调节设计方法

采用滚动轴承支承的机床主轴在转速上升过程中摩擦发热产生温度变化,引起轴承预紧力变化限制了机床转速。提出材料热特性轴承预紧力自动调节方法,该方法是根据温度变化时金属材料受热伸长的特性,通过分析机床主轴转速上升时摩擦功率损耗产生的热量,建立主轴温度场模型。采用有限元计算主轴工作温升引起的热变形,按照两种金属材料受热伸长的差值,建立温差与位移关系的数学模型,并求解应用双金属材料结构设计参数。仿真计算结果表明,通过使用轴承预紧力自调节方法,可以有效地扩大机床转速范围,应用在加工中心的主轴上,主轴最高转速由2.5 kr/min 提高到了3 kr/min,取得了明显的效果。     

主轴三维温度场及热变形分析

基于热传导及热弹性力学知识,建立了主轴工作状态下的稳态温度场和热变形的三维热分析有限元模型。运用ANSYS有限元软件,准确分析了主轴在工作过程中处于热平衡状态下的温度分布及热变形特点,计算结果为后续加工中心主轴系统的优化提供了理论背景。     

液体动静压轴承的温度场与热变形仿真分析

在基于有限体积法的流体仿真软件FLEUNT中,对层流状态下的液体动静压油膜-轴承这一流固耦合模型进行了数值仿真,得出了动静压轴承的温度分布情况;并进一步在有限元软件ANSYS中对轴承的热变形情况进行了分析计算。结果表明:轴承的最高温升及径向最大热变形随主轴转速和偏心率的增大而迅速增大,随环境温度的升高而减小;而供油压力对轴承热变形的影响不大。且轴承径向最大热变形值和轴承间隙在同一数量级,因此热变形在动静压轴承性能分析中不可忽略。     

磨床主轴热特性分析及热变形补偿策略

针对五轴数控可转位刀片周边工具磨床建立了砂轮-主轴-轴承-主轴箱的主轴部件有限元模型,分析了主轴部件的热源及其发热量的计算公式,通过有限元仿真计算得到磨床主轴的热稳态温度场和热变形量,进行了主轴热特性分析。在不增加温度、位移传感器的基础上提出了有效的主轴热变形补偿策略,实现刀片加工精度达到5μm的精度要求。     

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。     

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。     

Dynamic modeling for thermal error in motorized spindles

This paper proposes a new modeling methodology to predict thermal error in motorized spindles. The dynamic model predicts thermal errors that are caused by deformation in the motorized spindle structure due to heat flow from internal sources. These thermally induced errors become more serious and dominate the total error when it comes to high speed and high precision. If these thermal errors can be predicted, they can be compensated in real time. In this paper, a new thermal errors model (ARX model) is presented which capitalizes on the notion that the motorized spindle thermoelastic system has very complicated dynamics. Furthermore, the selection principle of temperature key points, which are indispensable for building a robust thermal error model, is provided using the thermal error sensitivity technology. At last, an experiment on the thermal error in a motorized spindle is conducted to verify the effectiveness of the ARX model, the experimental results show that above 80 % of axial thermal errors are predicted for a variety of motorized spindle cycles and the dynamic model has good accuracy and robustness.     

加工中心主轴热误差数值建模方法的探讨

在测量加工中心主轴系统的温度场和热误差数据的基础上,研究了温度变化与主轴热误差之间的关系,并用不同的回归方法建立了两者的多元线性回归模型。经研究分析,利用偏最小二乘回归法进行建模,具有较强的预测能力和较为理想的精度,可以满足加工中心热误差实时补偿的应用要求。     

Utilization of heat quantity to model thermal errors of machine tool spindle

Thermal error modeling of the spindle plays an important role in predicting thermal deformation and improving machining precision. Even though the modeling method using temperature as the input variable is widely applied, it is less effective due to severe loss of thermal information and pseudo-hysteresis between temperature and thermal deformation. This paper presents a novel modeling method considering heat quantity as the input variable with theoretical analysis and experimental validation. Firstly, the change of thermal state of a metal part being heated is discussed to reveal the essence of the relationship between heat, thermal deformation and temperature, and the theoretical basis of the modeling method proposed in this paper is elaborated. Subsequently, the relationship between thermal deformation and heat quantity is further studied through modeling the thermal deformations of stretching bar and bending beam using heat quantity as the independent variable, and the stretching model is verified based on finite element method. Then, the thermal error models of the spindle are developed with the heat elastic mechanics theory and the lumped heat capacity method. In succession, the parameter identification of thermal error models is carried out experimentally using the least square method. The average fitting accuracy of these models is up to 91.3%, which verifies the good accuracy and robustness of the models. In addition, these models are of good prediction capability. The proposed modeling method deepens the research of thermal errors and will help to promote the application of relevant research results in the actual production.     

Modified Elman network for thermal deformation compensation modeling in machine tools

Thermal deformation is one of the most significant causes of machining errors in machine tools. One effective method is to build a compensation system to offset the thermal errors. Therefore, an accurate model is the key part of the compensation system. This study proposed a modified Elman network (EN) to improve the prediction accuracy of the compensation model in machine tools. And the improved EN can be regarded as a feed-forward neural network with feedback from hidden layer and output layer as an additional set of inputs. The structure of this network determines its dynamic characteristic with memory function. On the other hand, thermal deformation of the spindle contributes the largest part of total thermal errors in precision machining. Then a precise finite element model of machine tool spindle was established. And a new method for calculating the heat transfer convection coefficient on the surface of the spindle was proposed in this paper. The improved EN was used to map the nonlinear relationship between temperature field and thermal errors of the spindle. At last, a verification experiment was implemented on a CNC center and some satisfying results were achieved.     

小型数控车床热态性能的分析优化与实验辨识

针对CMK系列小型数控车床运行过程中普遍存在的主轴"翘头"问题,试图通过热变形分析与实验辨识相结合的方法找出上述问题的成因,并给出相应的优化方案,因此,建立了基于有限元法的机床热态特性分析模型来解析整机温度场,同时,通过热应力耦合分析预测了机床各部分的热变形以及主轴的热倾斜,随后,利用红外热成像仪测量、验证了整机温度分布,通过特别设计的六个测点三个方向的热变形实验辨识了主轴系统的热倾斜特性,最后,以降低主轴热倾斜角为目标,给出了提升机床热态性能的两种方案,热优化设计和采用人造花岗岩床身。     

五轴联动数控机床中高速电主轴的热误差研究

建立了高速电主轴的一维简化模型,利用传热学中的傅里叶定律以及主轴的两个边界条件,推得主轴热源与主轴轴向热形变之间的关系。通过机器人学中的齐次坐标变换原理,建立各个运动副坐标系之间的变换矩阵,并求得数控机床各个误差量与五个联动轴补偿量之间的关系,利用该关系式即可对高速电主轴中的热误差进行补偿。