卧式数控机床主轴系统热特性测试及研究

数控机床主轴系统的热特性成为影响机床加工精度的主要因素之一,有必要对数控机床主轴系统的热特性进行相关的研究。以AH130卧式镗铣床为研究对象,分析了数控机床的热变形机理,对数控机床热变形进行了描述,构建了机床主轴热特性测试实验,利用FLIR红外热像仪测温技术、激光三角测距技术测得机床主轴箱温度场分布以及主轴热变形。实验研究发现,主轴上越靠近主轴后部其温升越快,并且主轴Z方向的伸长量大于X、Y方向的变形量,研究工作对数控机床主轴系统的优化设计以及进一步热分析提供了有效的支持。     

镗铣加工中心主轴热特性分析

应用有限元方法对卧式镗铣加工中心主轴进行建模,通过对主轴模型导热系数等参数的计算、热边界条件的确定,以及机床主轴轴承在不同转速下发热功率的计算结果,运用ANSYS Workbench对模型进行网格划分,并对其进行了热特性分析。结果表明:3号轴承发热量较大,对主轴温度场分布有着较大的影响,在机床主轴设计过程中,可以考虑通过改善冷却条件、热误差补偿等手段对主轴进行温度控制,以减小对机床加工精度的影响;轴承的发热量随着主轴转速的提高而提高,系统的热平衡温度也随之提高,达到热平衡所需时间也变长。分析结果为机床主轴的设计以及结构优化提供参考。     

高速高精密立式加工中心主轴热态特性分析北大核心

主轴的热特性是影响机床加工精度的主要因素之一,文章针对某高速高精密立式加工中心主轴首先进行三维模型构建,分析其主要热源并确定热边界条件,然后采用有限元方法进行温度场和热—结构耦合分析,得到主轴温度场和热变形分布图,最后分析了冷却液流量对主轴热特性的影响。结果表明:主轴达到热平衡时,最高温升为7.9℃,总变形量为22.6μm,且当冷却液流量为4.5L/min时,主轴热特性最佳,该结果为后续的立式加工中心主轴结构优化设计及热误差补偿奠定了基础。     

数控机床主轴的神经网络热评价模型研究

热误差作为影响机床加工精度的重要因素之一,严重制约着机床加工精度的提高。而主轴是数控机床的关键功能部件,对其进行热特性研究对提高机床的加工精度具有重要的意义。将同一类型、不同使用年限的机床主轴温度值和热变形值作为评价指标,建立数控机床主轴的神经网络热评价模型;针对BP神经网络易陷入局部最优值、收敛速度慢等问题,采用粒子群优化（PSO）算法优化加权朴素贝叶斯（WNB）的初始权值,获取权值全局最优解,构建了粒子群优化加权朴素贝叶斯机床主轴热评价模型,实现对机床主轴热特性的评价。MATLAB仿真结果表明：PSO-WNB模型精度为941%,收敛速度快,预测精度高,优于BP神经网络,为数控机床热特性评价提供了新思路。     

加工中心主轴部件及其主轴箱的热特性有限元分析

现代机械工业对机床精度提出了越来越高的要求.机床主轴部件和主轴箱的热特性是影响机床精度的主要因素之一.文章建立了加工中心主轴部件及其主轴箱的温度场模型并进行了数字模拟仿真.首先预测了机床主轴部件的热平衡时间能,并以温度曲线的形式表示出来,然后计算出主轴部件和主轴箱的热变形.依据这些我们能够得到主轴的轴向和径向误差,为主轴部件的设计计算奠定了基础.     

HL-46数控车铣复合机床主轴组件的动态优化设计

建立了HL-46数控车铣复合机床主轴部件的有限元动力学模型,对主轴组件进行了有限元分析,根据有限元分析结果,对主轴跨距变化对主轴动态性能的影响进行了分析,得到了主轴的最优跨距.     

精密卧式加工中心主轴轴向热误差补偿方法

热误差是精密机床最主要的误差源之一。主轴是机床的关键部件,其热误差直接影响机床的加工精度。文章以某型号精密卧式加工中心主轴为对象,对其温度场和热变形进行了仿真分析。根据仿真结果发现主轴轴向热变形更严重,并结合机床结构确定温度传感器布置位置。在此基础上,对不同转速下主轴部分位置温度和轴向热误差进行现场测试。运用最小二乘法建立热误差补偿模型,直接结合机床FANUC数控系统实施主轴轴向热误差补偿。经实验验证,补偿后主轴轴向热误差减小了85%以上。     

基于模糊聚类与灰色理论的机床主轴温度测点优化方法

数控机床主轴热误差是影响机床加工精度的主要因素之一,主轴热误差温度测点优化对于准确建立机床主轴热误差模型、提高机床精度具有十分重要的意义。提出一种基于模糊聚类与灰色理论的机床测温点优化方法,通过对主轴测温点进行模糊聚类分析,根据Xie-Beni有效性指标评定,将温度点归为几类,然后通过对模糊聚类后的测温点与主轴热误差进行灰色相关性分析,实现机床主轴温度测点的进一步优化。试验结果验证了该方法的可行性与有效性。     

精密主轴热变形误差的实验研究

主轴是机床的关键部件,其热变形误差是影响精密机床工作精度的主要因素之一。文章对镗床主轴的不同热变形误差形式及对加工精度的影响进行了讨论。依据ISO和ASME标准建立某型号精密卧式坐标镗床热变形误差的测试环境,采用高精度测试系统对其主轴进行温度和热变形误差的实验测试与分析。结果表明,主轴热变形误差严重影响机床加工精度,主轴转速影响其达到热平衡的时间及热误差大小,需采取有效措施对热变形误差进行补偿,优化热结构,进一步提高机床加工精度。     

HDBS-63高速立式加工中心主轴系统热分析

分析了主轴系统在机床中的重要性及机床误差的主要来源.设计一种立式加工中心的主轴系统,建立主轴系统三维实体模型,经简化导入有限元分析软件,利用有限元法对主轴系统进行热分析及"热--结构"耦合分析.通过不同工况的仿真结果分析,得到主轴系统的温度场分布状况和热变形状态的变化规律,为主轴系统设计提供了良好的参考依据.     

车削中心主轴系统热特性有限元分析的研究

以精密车削中心主轴系统为研究对象,将有限元技术应用于其主轴系统的热特性研究,在机床热分析理论基础上,计算了液体动静压轴承内外壁的温度和主轴箱体的温度,建立并分析了主轴系统的稳态温度场和主轴的变形情况,为系统热补偿提供了理论依据.     

基于分路分量冷却的主轴热偏移控制方法研究

为有效控制主轴的热偏移现象,对数控卧式铣镗床主轴系统进行了热特性分析,提出一种分路分量冷却的主轴热偏移控制方法。设计不同流量的冷却油路,保证主轴轴承的热量被有效带走,进而控制主轴的热伸长,并在样机上进行了试验验证,确定了该方法的有效性。     

A review on spindle thermal error compensation in machine tools

Thermal error caused by the thermal deformation is one of the most significant factors influencing the accuracy of the machine tool. Among all the heat sources which lead to the thermal distortions, the spindle is the main one. This paper presents an overview of the research about the compensation of the spindle thermal error. Thermal error compensation is considered as a more convenient, effective and cost-efficient way to reduce the thermal error compared with other thermal error control and reduction methods. Based on the analytical calculation, numerical analysis and experimental tests of the spindle thermal error, the thermal error models are established and then applied for implementing the thermal error compensation. Different kinds of methods adopted in testing, modeling and compensating are listed and discussed. In addition, because the thermal key points are vital to the temperature testing, thermal error modeling, and even influence the effectiveness of compensation, various approaches of selecting thermal key points are introduced as well. This paper aims to give a basic introduction of the whole process of the spindle thermal error compensation and presents a summary of methods applied on different topics of it.     

Characterizations and models for the thermal growth of a motorized high speed spindle

In this paper, the characterizing and modeling of the thermal growth of a motorized high speed spindle is reported. A motorized high speed spindle has more complicated dynamic, non-stationary and speed-dependent thermal characteristics than conventional spindles. The centrifugal force and thermal expansion occurring on the bearings and motor rotor change the thermal characteristics of the built-in motor, bearings and assembly joints. It was found that conventional static models using regression analysis and artificial neural network failed to give satisfactory model accuracy and robustness. An auto-regression dynamic thermal error model, that considers the temperature history and spindle-speed information, has been proposed and proved to improve the model accuracy. However, it was found that temperature-based thermal error models, that correlated thermal displacement of the rotating cutting tool to the temperature measurements on the spindle housing, were not robust. Many nonlinear and time-varying thermal sources, such as coolant jacket, motor air gap, motion joints and assembly interfaces influence thermal displacement. The relationship between temperature measurements and thermal displacements is highly nonlinear, time-varying and non-stationary. A new thermal model which correlates the spindle thermal growth to thermal displacements measured at some locations of the rotating spindle shaft has been proposed. It was found that the displacement-based thermal error model has much better accuracy and robustness than the temperature-based model.     

两种不同材料的电主轴磁-热耦合有限元仿真分析

电主轴热态稳定性影响电主轴整体工作性能,作为电主轴主要热源的内置电机对电主轴热态性能的影响是设计过程中优先考虑的问题之一。电主轴生热小,散热快是保证其优良热态性能的前提。基于电主轴电磁损耗生热机制和电主轴传热散热机制,建立电主轴有限元模型。提出一种电主轴磁-热耦合分析方法,分析电主轴额定转速下内置电机的磁场和温度场,监测电主轴内置电机各部分温度场以及瞬态温度。以170SD30陶瓷电主轴与金属电主轴作为分析对象,分析了采用新型陶瓷主轴材料对改善电主轴内置电机温度场分布的影响。结果表明:陶瓷电主轴电磁损耗小于金属电主轴电磁损耗,在电机损耗热的影响下,陶瓷电主轴温度低于金属电主轴温度。     

基于ANSYS Workbench的数控车床主轴系统热-结构耦合分析

在有限元法与热应力学分析基础上,建立数控车床主轴系统的有限元模型,计算主轴系统热特性分析的边界条件.利用有限元分析软件ANSYS Workbench对主轴系统进行热-结构耦合分析,得到主轴系统的温度场分布和热变形,通过实验验证模型的正确性.同时计算不同主轴转速对主轴系统温升及热变形的影响,分析结果为主轴系统的优化设计及误差补偿提供了一定的依据.     

基于蝙蝠算法优化的小波神经网络车床主轴热误差建模

为提高数控车床主轴热误差的预测精度,以某型号数控车床主轴为研究对象,提出基于小波神经网络(WNN)的主轴热误差建模方法。利用K-means++聚类结合相关性分析理论,将温度测点从10个减小到2个。针对小波神经网络对初始值敏感的问题,采用蝙蝠算法(BA)将预测输出值与实验测量值之差的绝对值作为个体适应度函数,将蝙蝠个体的位置向量映射为小波神经网络的初始连接权值、尺度因子及平移因子,实现对小波神经网络初始值的优化。利用优化后的小波神经网络建立车床主轴热误差预测模型,与未优化的小波神经网络和BP神经网络预测模型对比。结果表明:BA-WNN对主轴轴向热误差的预测精度较高、残差较小、预测能力更强。     

Measurement of spindle thermal errors in machine tool using hemispherical ball bar test

The assurance of top-quality products in machining processes requires improved machine tool accuracy. Among the various errors related to machine tools, thermal errors of a spindle have a significant effect on machining accuracy and directly influence both the surface finish and the geometric shape of the finished workpiece. Accordingly, the current paper proposes a new measurement method for spindle thermal errors in a machine tool based on the use of a ball bar system instead of the conventional capacitance sensor system. The novel measurement method is more efficient and easier to use compared to conventional measurement systems. Furthermore, a single ball bar system is sufficient for the simultaneous measurement of both geometric and thermal errors.