熱彈性效應(yīng)和數(shù)控機床進給系統(tǒng)熱動態(tài)特性的研究.pdf

1、隨著數(shù)控機床的速度、加速度及加工精度的提高，機床的熱態(tài)特性對加工精度的影響越來越明顯。改善機床的熱態(tài)特性，已成為機械制造技術(shù)中急待解決的問題之一。本學位論文以滾珠絲杠進給系統(tǒng)為對象，以熱彈性效應(yīng)為主線，運用傳熱學、熱彈性力學、控制理論、系統(tǒng)辨識理論等數(shù)理手段，以計算機數(shù)值模擬以及工程實驗分析為研究工具，全面深入地研究了熱彈性效應(yīng)的特征規(guī)律、熱彈性效應(yīng)的辨識模型、進給系統(tǒng)的熱動態(tài)特性、進給系統(tǒng)熱動態(tài)特性的影響規(guī)律以及進給系統(tǒng)熱動態(tài)特性的建

2、模和預(yù)測方法。 交替變化熱源的作用會使構(gòu)件產(chǎn)生熱彈性現(xiàn)象。通過傳熱學理論、GE數(shù)值方法及傳熱實驗對一維桿的熱彈性效應(yīng)進行了深入研究，分析了熱彈性現(xiàn)象的產(chǎn)生原因和發(fā)生規(guī)律，提出了熱彈性效應(yīng)具有三個特性：頻率保持特性、熱變形的實時性和整體性以及相移特性。 由于熱彈性效應(yīng)的理論建模存在困難，本文提出了兩種可用于熱彈性效應(yīng)建模的非線性時序神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(NARX_NN和NARMAX_NN) 。NARX_NN和NARMAX_NN模型

3、在非線性系統(tǒng)建模方面的具有結(jié)構(gòu)簡單、易于收斂、動態(tài)逼近等特性，通過與多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（MFN）模型、反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）模型及廣義最小二乘輸出誤差（GLS-OE）模型比較，表明了該兩種模型能有效地辨識熱彈性效應(yīng)，精確地估算出非線性、動態(tài)和時變的熱彈性過程。 熱彈性效應(yīng)是熱動態(tài)特性的一種表現(xiàn)形式。通過單熱源作用下滾珠絲杠一維傳熱的理論分析、GE 方法求解及有限元仿真，研究了溫度響應(yīng)和熱變形響應(yīng)之間的“超前性”和“滯后性”，提出了

4、可定義熱動態(tài)特性的三個特性參數(shù)：頻率特性、幅值特性和相移特性。通過多變化熱源作用下滾珠絲杠的熱動態(tài)特性的分析，提出了用拉普拉斯變換的方法建立滾珠絲杠熱源溫度與絲杠上任意位置熱變形之間的關(guān)系模型，研究滾珠絲杠熱變形的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。 以HUST-FS-001 準高速重載進給系統(tǒng)實驗臺為對象，研究了進給系統(tǒng)在一定進給速度下軸向、徑向和回程熱誤差的變化規(guī)律，以及變工況下（進給速度、切削負載和預(yù)緊力）的溫升-熱誤差規(guī)律，為進給系統(tǒng)熱動態(tài)特性的

5、辨識和建模奠定基礎(chǔ)。 研究結(jié)果表明：左右軸承座的溫升變化與切削負載、預(yù)緊力、進給速度等的變化正相關(guān)，導(dǎo)軌座、絲杠螺母座的溫升與預(yù)緊力的變化無關(guān)，但能反映負載、進給速度的變化規(guī)律，電機座的溫升變化隨著負載的增大而增大，但與預(yù)緊力、進給速度兩因素的變化無聯(lián)系；徑向熱誤差在三種工況變化的實驗中變化很小，隨機波動，毫無規(guī)律；切削負載、預(yù)緊力、進給速度與軸向和回程熱誤差正相關(guān)但具有不同的規(guī)律性。 由于進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、熱源多樣、工

6、況時變，其熱動態(tài)特性是復(fù)雜非線性的。 在分析了NARX_NN和NARMAX_NN 兩種建模方法對多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)的建模能力的基礎(chǔ)上，用這兩種方法建立了HUST-FS-001 高速進給系統(tǒng)實驗臺的熱動態(tài)特性模型，并與多變量回歸模型（MRA）、反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）模型及廣義最小二乘輸出誤差（GLS-OE）模型進行了比較，表明了其具有更好的精度和魯棒性。 本課題的研究為滾珠絲杠進給系統(tǒng)熱誤差的分析及動態(tài)、實時補償