數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)多物理場(chǎng)耦合熱態(tài)特性分析研究.pdf

1、數(shù)控機(jī)床的熱性能已成為影響高速機(jī)床工作性能的最重要的因素之一，主軸系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心部件系統(tǒng)，其熱態(tài)性能在很大程度上決定了整臺(tái)數(shù)控機(jī)床所能達(dá)到的切削速度和加工精度，是制約數(shù)控機(jī)床精度提高的最主要因素。因此，如何快速、準(zhǔn)確地獲取多物理場(chǎng)耦合情況下的主軸系統(tǒng)熱態(tài)特性，已發(fā)展為精密加工機(jī)械精度提高和保持穩(wěn)定的瓶頸問(wèn)題，也是當(dāng)前數(shù)控機(jī)床熱特性研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本論文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“復(fù)合機(jī)床多主軸熱親近理論及空間耦合熱誤差協(xié)同補(bǔ)償

2、基礎(chǔ)技術(shù)研究”(No.51175461)、國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目“高檔數(shù)控機(jī)床數(shù)字化設(shè)計(jì)課題”(No.2012ZX04010-011)和國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目“大型直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌精密曲面成形數(shù)控磨床”(No.2009ZX04001-131)，在分析數(shù)控機(jī)床熱特性相關(guān)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了面向數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)多物理場(chǎng)耦合熱態(tài)特性分析方法及其相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究。本論文在積極吸收相關(guān)理論和研究成果的基礎(chǔ)上，面向主軸系統(tǒng)多物理場(chǎng)耦合熱特性分析與試驗(yàn)方

3、法進(jìn)行了理論和方法上的創(chuàng)新，開(kāi)展了主軸系統(tǒng)多物理場(chǎng)耦合熱特性模型建立，多物理場(chǎng)有限元仿真計(jì)算，熱源法熱特性計(jì)算，多參數(shù)多目標(biāo)熱模型修正等一系列關(guān)鍵技術(shù)的研究，并基于機(jī)床熱平衡試驗(yàn)方法進(jìn)行了理論研究的校驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)研究。本學(xué)位論文的主要研究工作及研究成果歸納如下:
　　第一章，闡述了數(shù)控機(jī)床熱態(tài)特性分析與試驗(yàn)技術(shù)方面的研究背景及意義，對(duì)數(shù)控機(jī)床尤其是主軸系統(tǒng)熱態(tài)特性分析相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了深入地分析，并針對(duì)當(dāng)前研究中存在的不足，提出

4、了論文的主要研究?jī)?nèi)容。
　　第二章，根據(jù)熱傳遞理論所建立起來(lái)的導(dǎo)熱微分方程式，建立了適合于數(shù)控機(jī)床多物理場(chǎng)耦合的計(jì)算模型。該模型主要包括流體-溫度場(chǎng)耦合模型和溫度場(chǎng)-結(jié)構(gòu)場(chǎng)耦合兩大部分，分析了耦合場(chǎng)邊界條件的求解，耦合場(chǎng)的熱載荷分類(lèi)與計(jì)算，耦合場(chǎng)傳熱系數(shù)的計(jì)算，耦合場(chǎng)熱應(yīng)力及熱變形計(jì)算等內(nèi)容，為后續(xù)的有限元多物理場(chǎng)耦合分析模型計(jì)算做好鋪墊。
　　第三章，在綜合分析數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)的邊界條件的基礎(chǔ)上，建立了主軸系統(tǒng)的三維多物理

5、場(chǎng)耦合流場(chǎng)—溫度—結(jié)構(gòu)場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱態(tài)特性有限元分析模型，所建立模型充分考慮了主軸系統(tǒng)的邊界條件，還考慮了主軸系統(tǒng)在外加非圓截面彎管冷卻液二次環(huán)流影響下的溫度場(chǎng)分析與分布情況;然后，根據(jù)建立的模型，采用了有限元分析方法與Ansys軟件對(duì)多種機(jī)床的主軸系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析和優(yōu)化，獲取了主軸系統(tǒng)的熱態(tài)特性，驗(yàn)證了模型的有效性，顯示了良好的計(jì)算精度與優(yōu)化效果。
　　第四章，混合響應(yīng)面模型和多目標(biāo)遺傳算法，提出了一種多參數(shù)、多目標(biāo)熱模型修

6、正方法，該修正方法根據(jù)熱平衡實(shí)驗(yàn)所獲得的數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)熱態(tài)特性數(shù)據(jù)，采用中心復(fù)合設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)空間抽取樣本點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬，建立了由多個(gè)有限元熱模型設(shè)計(jì)參數(shù)所決定的主軸系統(tǒng)熱態(tài)特性的二階響應(yīng)面模型，利用多目標(biāo)遺傳算法對(duì)響應(yīng)面模型進(jìn)行循環(huán)逼近優(yōu)化，取得Pareto最優(yōu)解集，提高原有限元熱模型的準(zhǔn)確度;通過(guò)實(shí)例分析表明，該修正方法適用于機(jī)床主軸系統(tǒng)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模型修正，可以有效地利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)有限次的數(shù)值模擬計(jì)算獲得需修正參

7、數(shù)的最優(yōu)解，減少了模型分析的計(jì)算誤差，使得修正后的模型結(jié)果更為接近實(shí)際。
　　第五章，為準(zhǔn)確并且快速地獲取數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)的熱態(tài)特性，根據(jù)熱源溫度場(chǎng)迭加法原理建立了有限大圓柱面熱源瞬時(shí)或持續(xù)發(fā)熱情況下的溫度場(chǎng)計(jì)算數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型可獲得在發(fā)熱強(qiáng)度為一定值的情況下持續(xù)發(fā)熱一定時(shí)間后導(dǎo)熱體上任一點(diǎn)處的溫升值;利用所建立的數(shù)學(xué)模型對(duì)主軸系統(tǒng)的熱態(tài)特性進(jìn)行了解析計(jì)算，獲得了主軸系統(tǒng)的溫升特性、溫度場(chǎng)分布、溫升時(shí)間歷程等熱態(tài)特性;通過(guò)成熟

8、的有限元分析法以及實(shí)例驗(yàn)證，該方法有簡(jiǎn)單易行、有足夠的精度、物理概念清楚、對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求低、計(jì)算速度快、占用資源少等優(yōu)點(diǎn)。
　　第六章，提出了一種機(jī)床熱平衡試驗(yàn)方法，可對(duì)現(xiàn)有精密數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)進(jìn)行常規(guī)工況實(shí)驗(yàn)和空運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)研究，獲得了主軸系統(tǒng)的溫度場(chǎng)、熱敏感點(diǎn)、熱變形以及熱平衡狀態(tài)等熱態(tài)特性，還提出了熱平衡時(shí)間計(jì)算方法。通過(guò)熱平衡試驗(yàn)研究可校驗(yàn)前面所提出的多物理場(chǎng)耦合分析模型、熱模型參數(shù)修正方法以及熱特性快速計(jì)算方法等理論仿真分