基于热分析的五轴联动数控机床的运动可靠性研究

论文摘要

装备制造业是关系国计民生的重大基础性产业。数控机床是装备制造业的工作母机,是实现制造技术和装备现代化的前提。五轴联动数控机床是数控机床的高端产品之一,体现了制造业新一代的发展方向。滚珠丝杠和导轨是五轴联动数控机床进给机构的关键零部件,在提高进给机构灵敏度、定位精度等方面起到重要作用。滚珠丝杠和导轨在机床工作时,会发生热变形,进而影响机床的加工精度,本文通过对滚珠丝杠和导轨进行热特性分析,研究这两者的热变形情况,并建立了考虑进给机构热变形时的机床误差模型,将热变形与机床的加工误差联系起来,进而计算机床的运动可靠度。本文主要完成以下三个方面的工作：(1)在ANSYS软件中建立了滚珠丝杠和导轨的模型,并对两者进行热特性分析,得到滚珠丝杠和导轨在机床工作时的变形情况,然后研究了丝杠所受载荷、转速,半径对滚珠丝杠热变形量的影响,以及导轨所受载荷、滑块速度、摩擦系数、导轨截面宽度对导轨热变形量的影响。最后建立上述参数与滚珠丝杠和导轨变形量之间的关系方程,通过这些方程计算丝杠和导轨上的热变形量。(2)建立了VMC650数控机床的拓扑结构图和低序体阵列,以及相邻体之间的特征矩阵,进而建立了VMC650数控机床的通用误差模型,以及只有进给机构热变形误差时的机床误差模型。(3)选择蒙特卡罗法计算VMC650数控机床在三个轴向方向上的运动可靠度。并采用Visual Basic语言将运动可靠性的计算过程编写为相应的代码,开发了计算该机床运动可靠性的软件。该软件可以计算任意位置上滚珠丝杠和导轨的变形量以及机床在三个轴向方向上的运动可靠度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 五轴联动机床概述
• 1.1.1 五轴联动机床的起源
• 1.1.2 五轴联动数控机床的发展
• 1.1.3 五轴联动数控机床的特点和应用
• 1.1.4 五轴联动数控机床的发展趋势
• 1.2 相关理论设计和国内外研究现状
• 1.2.1 机床进给机构热特性的研究现状
• 1.2.2 机床误差建模的研究现状
• 1.2.3 机构运动精度可靠性的研究现状
• 1.2.4 ANSYS软件简介
• 1.3 课题研究的目的和意义
• 1.3.1 研究机床进给机构热特性的意义
• 1.3.2 研究机床误差建模的意义
• 1.3.3 研究机构运动可靠性的意义
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第2章 机床进给机构热特性分析的理论基础
• 2.1 热传导理论基础
• 2.1.1 温度场的基本概念
• 2.1.2 导热基本定律
• 2.1.3 导热系数
• 2.1.4 导热微分方程
• 2.1.5 导热微分方程的定解条件
• 2.2 温度场的有限元计算方法
• 2.2.1 空间域的离散
• 2.2.2 时间域的离散
• 2.3 热变形的有限元法
• 2.3.1 本构方程的矩阵形式
• 2.3.2 变形基本方程
• 2.3.3 热弹性有限元法
• 2.4 本章小结
• 第3章 机床进给机构的热特性分析
• 3.1 机床进给机构热特性分析的边界条件
• 3.1.1 滚珠丝杠副摩擦力矩的计算
• 3.1.2 滚珠丝杠副发热量的计算
• 3.1.3 轴承发热量的计算
• 3.1.4 导轨发热量的计算
• 3.1.5 对流边界条件的计算
• 3.2 滚珠丝杠的热特性分析
• 3.2.1 滚珠丝杠模型的建立
• 3.2.2 滚珠丝杠模型的加载
• 3.2.3 结果分析
• 3.2.4 影响丝杠热变形的主要因素
• 3.2.5 滚珠丝杠上热变形量的计算方法
• 3.3 导轨的热特性分析
• 3.3.1 导轨的有限元模型
• 3.3.2 导轨模型的加载
• 3.3.3 结果分析
• 3.3.4 影响导轨变形量的因素
• 3.3.5 导轨上热变形量的计算方法
• 3.4 本章小结
• 第4章 VMC650数控机床的误差建模与运动可靠性分析
• 4.1 VMC650数控机床的误差建模
• 4.1.1 VMC650数控机床的拓扑结构和低序体阵列
• 4.1.2 VMC650数控机床特征矩阵的创建
• 4.1.3 VMC650数控机床的成型运动和误差模型
• 4.1.4 只考虑进给机构热变形时VMC650数控机床的误差模型
• 4.2 VMC650数控机床的运动可靠性分析
• 4.2.1 机构运动可靠性定义和影响因素
• 4.2.2 机构运动可靠性指标和计算方法
• 4.2.3 VMC650数控机床运动可靠性计算软件开发
• 4.2.4 机床运动可靠性计算实例
• 4.3 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文