基于能量輸入與耗散反饋理論的機(jī)床熱誤差研究.pdf

1、在眾多影響數(shù)控機(jī)床加工精度的因素中，機(jī)床的熱誤差是其中主要因素之一。為消除機(jī)床熱變形對(duì)加工精度的影響，中外學(xué)者開展了大量的研究工作。但各種現(xiàn)有的方法均存在著缺點(diǎn)，難以實(shí)際應(yīng)用。本文通過對(duì)機(jī)床熱變形有淺入深的研究，提出了一種基于能量偏差法的機(jī)床熱變形計(jì)算新思路，并由此建立了機(jī)床的熱誤差預(yù)報(bào)模型。 本文首先從一維主軸的熱伸長入手，利用有限差分方法，結(jié)合傳熱學(xué)和熱力學(xué)的相關(guān)理論推導(dǎo)出一維主軸熱伸長的表達(dá)式，從而從理論上初步揭示出能量偏

2、差與熱變形存在密切的相互關(guān)系。在理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，本文運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)軸中部溫度、能量偏差與軸熱伸長的關(guān)系，以及熱伸長延遲性等進(jìn)行了圖形仿真，并通過一維軸的熱伸長實(shí)驗(yàn)等，從數(shù)據(jù)上再次驗(yàn)證了一維軸能量偏差與軸熱伸長存在確定的相關(guān)性。 接著，論文進(jìn)一步運(yùn)用有限差分方法推導(dǎo)了二維平面模型的傳熱及邊界散熱情況，得出模型上節(jié)點(diǎn)的瞬態(tài)溫度方程。繼而利用有限元方法推導(dǎo)了模型上節(jié)點(diǎn)間基于能量輸入的熱力學(xué)特性，得出二維模型上節(jié)點(diǎn)熱變形的一般

3、方程，第二次揭示出能量偏差與熱變形存在著相關(guān)性。雖然該方法過于繁瑣，但卻是能量法的有益探索和理論保障。 在上述對(duì)一維、二維能量偏差與熱變形關(guān)系的理論推導(dǎo)及仿真分析的研究基礎(chǔ)上，本文提出了簡化的基于能量偏差的機(jī)床熱變形預(yù)報(bào)模型，并首先在對(duì)稱結(jié)構(gòu)機(jī)床的二維簡化模型上進(jìn)行應(yīng)用。利用ANSYS軟件的熱分析功能，對(duì)二維對(duì)稱結(jié)構(gòu)機(jī)床模型進(jìn)行了溫度和熱變形的分析。運(yùn)用傳熱學(xué)理論推導(dǎo)了二維模型的耗散能方程，結(jié)合ANSYS分析得出的數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出了

4、二維模型熱誤差的預(yù)報(bào)公式。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，其預(yù)報(bào)精度相當(dāng)高。 最后，在ZK7640數(shù)控銑床上做了大量的實(shí)驗(yàn)。測(cè)得機(jī)床各電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩，積分得出整個(gè)輸入能。運(yùn)用熱電偶傳感器得出不同時(shí)刻機(jī)床的環(huán)境溫度，依據(jù)努謝爾特準(zhǔn)則模擬出機(jī)床表面的放熱系數(shù)，根據(jù)所推導(dǎo)的公式得出不同時(shí)刻機(jī)床的熱耗散能。利用雙頻激光干涉儀和千分表得出不同時(shí)刻機(jī)床的熱變形誤差，從而擬合出能量偏差與熱變形的對(duì)應(yīng)方程，即得出相應(yīng)的機(jī)床熱誤差補(bǔ)償模型。本模型建模方法簡單，精度