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[学位]

数控机床热特性分析与热误差补偿技术研究

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Author:

杨军 (杨军.)

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Abstract:

高速精密数控机床制造能力不足已成为制约我国制造业升级的一个“瓶颈”,提高国产数控机床的精度,缩小与国外机床的差距对提高国产数控机床市场占有率和振兴我国装备制造业有着十分重大的意义。随着数控机床零部件的设计、制造以及装配技术的进步,国产高端机床的静态几何精度已经接近国际水平,而加工中动态生成的热误差已成为高速精密数控机床误差的主要来源,显著降低了机床的加工精度。因此,研究数控机床热误差的生成机理、抑制策略及补偿技术,对提高数控机床的加工精度,具有重要的理论和工程应用价值。  
针对装配双驱伺服进给系统的精密数控坐标镗床热误差形成机理的问题,提出了机床热动态行为仿真分析方法。研究了进给系统以及电主轴系统的热量耗散及传递规律,建立了机床动态温度场的导热偏微分方程,并给出了基于伽辽金加权有限元的动态温度场的数值计算方法。其次,推导了机床的热-弹性力学方程式,建立了机床热-结构耦合的有限元动态分析模型。给出了由工况参数驱动的内热源热量生成的精确预估模型,并引入了基于分形理论与蒙特卡洛法的接触热阻分形模型,对接触热阻以及对流换热系数等边界条件进行了计算;提出了基于接触角迭代法的滚动轴承生热功率求解方法,改进了传统Newton-Raphson算法求解轴承拟静力学时精度低且收敛慢的缺陷,有效提高了收敛速度和仿真精度。热特性试验表明,所建立的理论模型能准确描述数控机床的动态热特性,实现了进给系统与电主轴系统温度场/热变形场的量化分析。
针对不同工况下机床热误差与温度场的量度问题,提出了一种整机热特性测试方法,并完成了测量系统的软/硬件设计,实现了对不同工况下数控机床热误差的空间位姿、整机温度场/关键功能部件热敏感测点温度、光栅尺信号、热流系数等状态信息的在线实时同步测量,解决了三点法不能测量主轴径向热倾角的缺陷,为热误差的溯源及建模提供了基础。其次,以精密坐标镗铣加工中心和大型车铣复合加工中心为研究对象,进行了大量热平衡试验,分析了机床的热误差/温度场在不同工况下的时域特性及其演变历程。重点研究了双驱结构、主从电机同步性、进给速度/主轴转速、多轴联动、横梁位置、预紧力以及控制方式等因素对机床热特性的影响,并提出了机床结构的改进方案。以上工作为机床热误差理论模型验证、热对称拓扑结构优化、冷却系统智能控制以及热误差建模/补偿技术提供了重要的试验支撑。 
针对主轴系统热误差基于三点法测量及建模中忽略径向热倾角误差的缺陷以及建模中温度测点难以优化的问题,提出了温度变量的分组及优化策略,给出了四种热误差建模方法,并建立了热误差预测模型的优度评价标准。揭示了主轴热特性与预测模型的内在机理,解释了时序模型与主轴热误差的物理关联性。结果表明,分组优化策略能有效减少自变量维度,降低温度变量间的多重共线性,提高热误差预测模型的稳定性,且模型能准确预测轴向热伸长、径向热偏摆角误差和热俯仰角误差。
针对机床热误差补偿方程不精确以及补偿技术难以工业化应用的问题,提出了一套热误差补偿策略的系统化解决方案。揭示了电主轴系统热误差对末端加工精度的影响机理,并推导了主轴热误差综合补偿方程,模型中蕴含轴向热伸长、径向热偏摆角误差、热俯仰角误差以及刀长变量,从而解决了基于三点法的补偿方程不精确且模型通用性弱的缺陷,实现了对电主轴系统热偏移的精确预测。其次,构建了进给系统热误差补偿方程,有效表征了进给轴热误差与丝杠特征温度、热平衡时间以及坐标位置之间的函数映射关系。最后,研发了数控机床热误差补偿器,设计了基于西门子840D系统的热误差补偿模块,并采用反馈中断积分法实现了精密坐标镗铣加工中心热误差的实时在线补偿,有效提高了机床的精度。
综上所述,本文提出了一套研究数控机床热特性的系统化方法,包括热误差机理分析、测试技术、建模方法以及补偿技术,从理论分析和工程应用两个层次共同提高了数控机床的精度,为机床热平衡设计和热误差补偿技术的工程应用提供了理论基础。

Keyword:

热行为动态仿真 热特性测试 热误差建模 数控机床 误差补偿

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  • [ 1 ] 西安交通大学机械工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学博士

Mentor: 梅雪松

Year: 2014

Language: Chinese

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