数控机床进给系统热特性的理论与试验研究

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由于现代工业需要高效高精度机械加工设备,数控机床正向高速度、高精度和大负荷方向发展,而高速重载必然使得机床部件产生大量的热,导致机床加工工艺系统的热变形,引起加工工件产生热误差,降低其加工精度。进给系统的热误差直接影响机床的定位精度,是影响加工精度的重要因素之一。因此,数控机床进给系统热特性的研究具有重要的理论研究意义和实际应用价值。本文以数控机床的进给系统为研究对象,通过理论研究、数值计算与试验相结合的方法,分析了进给系统的热源、温度及热变形的分布特征,阐明了进给系统的传热机理,其具体研究内容如下。(1)根据热传导和牛顿冷却基本定律,推导出进给系统的三维热传导微分方程,确定了边界条件和系统热源,给出了进给系统的热传导微分方程的有限元数值计算方法;根据热膨胀系数公式和弹性力学三个基本方程,推导出按位移求解的微分方程。(2)以数控车床X进给轴为例,建立了进给系统热特性试验系统,其中,选择铂热电阻连续检测两支撑轴承温度,红外热像仪间断检测导轨及丝杠表面温度,激光干涉仪测量进给系统热误差,通过FOCAS1库函数获得伺服电机的力矩电流,实现了进给系统热特性的全面描述信息的测试。(3)建立机床进给系统的有限元模型,确定了两个支撑轴承固定热源、导轨及丝杠螺母副“移动热源”加载方式,并提出了将有限元分析和二分法相结合计算方法,计算出各热源的发热量;将计算出的总发热量和从试验数据中提取的总发热量比较,其结果吻合得比较好,验证了有限元模型及计算方法的有效性。(4)利用有限元分析结果,分析机床进给系统的温度场和热误差,得出滚珠丝杠和导轨温度场和热误差的分布规律;并分析了机床进给系统各零部件的热量传递情况及其随时间的变化,推导出了影响滚珠丝杠和导轨温度场的主要因素。
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