英语原文共 12 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
双驱进给系统热误差实验与仿真
摘要：数控机床配备双驱进给系统，可以实现高速和高精度进给。目前对双驱进给系统热力学性能的研究还不充分，并且对热力学性能的研究主要集中在稳态仿真方面。为探讨热力学性能对悬臂镗床组合中双驱进给系统精度的影响，进行了热平衡试验和机械瞬态热效应研究，借助激光干涉仪、红外热像仪和温度位移采集系统对不同进给速度下的温度分布和热变形进行测量。随后，采用有限元方法对钻孔机的瞬态热效应进行分析，计算热源和对流换热系数等复杂边界条件。最后，比较瞬态温度和变形的差异与测量值的误差，热误差和测量误差分别为2℃和2.5mu;m。研究结果表明，该有限元模型能较好地预测给定工况下的热误差和温度分布。此外，由于异步双驱动结构而引起的不均匀温度梯度会导致热变形，测量点位置离电机越远，定位精度越低，热误差和平衡周期都随进给速度的增加而变大。该研究提出了一种系统地模拟和测量镗床瞬态热效应的方法。
关键词：双驱进给系统，热误差，温度分布，热效应测量，有限元分析。
1 介绍
双驱进给系统会引起热误差，这是影响数控机床精度的关键性因素。双驱进给系统具有承受负载大、进给速度快、易控制速度等优点，在世界各地的大型精密镗床设计中得到了广泛应用。然而，双驱进给系统结构比较复杂，存在诸多问题。例如，两个螺钉和螺母之间的摩擦表现出不同特性，主从电机控制不同步等，会导致机器产生大量热造成热误差，最终影响加工精度。但是以往对双驱进给系统热误差的研究相对较少。
目前,中国使用的双驱系统的几何精度已经接近国际水平,其直线定位精度可达3mu;m，重复定位精度可达1.5mu;m。但经过长期使用，精度有所下降，已经远远低于初始设计值，几何精度下降的主要因素是维护和精度稳定性不足，而热误差又是精度不足的主要因素，占各种误差源总数的70%。随着机床精密度越来越高，热误差在总误差中所占的比例越来越大。此外，机床主轴的动力学特性也会影响热误差，ZHANG等人提出了一种基于全息谱的平衡方法来提高加工精度。
不均匀的温度分布导致数控机床的热误差分布变得非线性和非平稳，并随时间而发生变化。热源的位置和强度、膨胀系数和机器结构的耦合会产生复杂的热误差。
当然，第一步是热误差测量，POSTLETHWAITE等人使用热成像技术对机床热效应进行快速评估，开发了一种离线补偿模型。WANG等人基于公认的误差避免和误差补偿方法，提出了一种通过监测机床热状态来控制加工热效应的新概念。
第二步是建立热误差模型，包括实验建模和仿真。CHEN等人利用人工神经网络建立了机床温度与热误差之间的模型。虽然该模型可以广泛使用，但其解释能力较弱，并且预测能力也严重依赖于典型的学习样本。RAMESH等人利用向量机建立了一种有效预测热误差的模型。近年来,运用有限元方法来分析温度场和热变形已经成为人们日益关心的话题，基于傅里叶热力学方程，建立各种各样的热边界条件，分析丝杠温度场在不同梯度分布的热通量。KIMA等人研究了直线电机进给系统，讨论了导轨热变形和线性编码器对定位精度的影响。HSIEN等人结合有限元模拟和实验，分析了丝杠预紧力和进给速度与温度场之间的关系，以及热变形的相关关系。MIAN等人利用有限元方法对热误差进行分析，建立了一种有效的预测模型。此外，热误差补偿也是机床的重要组成部分，很多学者对此进行了研究，并且取得了许多良好的科学成果，如PAHK等人。
然而，精密数控机床的误差是许多复杂因素相互耦合的结果，受到许多变量的影响，因此从弹性和传热的角度建立理论方程是极其困难的。此外，对热误差和双驱进给系统的研究也比较少。
本文研究的是一种采用双驱进给系统的箱式数控镗床。借助激光干涉仪、红外热像仪和温度位移采集系统，对高精度数控镗床在不同进给速度下的温度场分布和热变形进行热平衡实验，然后分析了数控镗床的双驱结构和不同进给速度对精密镗床热特性的影响。接着，本文提出了一种基于有限元分析的热模型来模拟数控镗床的热效应，该模型考虑了热源和对流换热等复杂边界条件，以及溶液的允许温度和热变形的瞬时变化。最终的实验结果表明，该模型可以较好地预测给定工况下的温度分布和定位误差。
2 测量原理与设备
2.1 实验系统
实验系统如图1(a)所示，该实验系统主要针对精密数控镗床的移动导轨，系统地分析了进给系统温度场的变化和热变形。该数控镗床的定位精度为3mu;m，重复定位精度是1.5mu;m。该镗床同步双驱结构的三个轴为X、Y、Z，这种架构的规格范围为1200mm 1000mm 1000mm，最大进给速度为64m/min，实际加工中最大进给速度为45 m/min，另外进给系统的丝杠为空心冷却结构。
测量设备及功能如下：采用Renishaw激光干涉仪XL80获取进料系统的相关位置热误差；采用FLIR SC7000红外摄像机对XY平面温度场进行测量；同时采用同步采集系统测定温度和热变形。该系统采用PT100精密温度传感器对进料系统的电机、轴承、螺母座、导轨和环境温度进行测量。Pt100是一种热敏电阻传感器，用于测量机器温度，温度传感器为铂电阻，带有磁性外壳。在实验中,具体参数如下：温度范围为-20℃-150℃，精度可以达到A等IEC-751标准。此外，采用高精度涡流传感器对螺杆端面热膨胀进行测量，这种高精度涡流传感器采用德国米铱技术，传感器模型为DT3010-M S2，测量范围为2mm，分辨率为0.1mu;m，频率响应为25kHz(-3 dB)，可操作温度范围为-50℃-150℃。三个系统同步采集数据，测量系统如图1(b)所示。以NI公司高性能的SCXI卡为基础，构建了总线控制模式的温度-位移同步采集系统，温度电流信号从电流端输入，热误差电压信号从电压端输入，两个终端都连接到信号调节模块，信号调节模块可以进行信号滤波和放大，由控制模块负责最后的A/D转换和采集，完成温度和位移的同步测量。
图1（a）实验装置
图1（b）测量系统原理图
图2和表1以及描述的机器位置磁温度传感器(PT100),表示T1，T2，，，T9涡流位移传感器S1。
红外热像仪测量温度的精度和发射率有关，发射率参数准确时，测量精度一般更高。由于不同的材料表面具有不同的发射率，因此可以采用反向校正的方法来获取发射率。运用温度传感器Pt100对测点的温度T1进行准确采集，通过红外热像仪得到同一测点的温度T2，然后利用红外热像仪中已经嵌入的公式分别计算T1和T2的发射率。
图2 机床上传感器的安装位置
2.2 测量原理
在实验室恒温20°C的条件下，四个进给轴的进给速率当作实验变量使用，测试条件如表2所示。进给轴的测点分布如图3所示，测点范围为[- 50mm， - 1150mm]，相邻两测点之间的距离为100mm，一共12个测量点，0坐标表示激光干涉仪的激光原点。
在进给系统运行之前，对冷却状态各点的误差进行测量，这些误差被记作几何误差。在不同进给速率下，进给系统轴线连续来回运行30 min后，测量误差值再减去几何误差作为结果数据，记作热误差。当进给运动产生的热量影响到测量结果时，进给速度降低到0.5 m/min。根据VDI和ISO标准，每次测量过程都要经历三个往复周期，其中激光干涉仪在每个测点的测量持续时间为2 s。在每一个测量点机器暂停5秒，三次循环测量一共耗时10分钟。设置反向超转为2mm，防止由于间隙效应造成测量误差。
图3 进给轴测量点分布图
为测量点处的螺钉在第j次测量时由第k次测量值的三个往复循环所测得的热误差。测量分被指示为i=1，2，，，12，测量的数量用j=1, 2，，，N表示，进给轴的往复周期的测量值是k=1,2，，，6，为丝杠在第i点冷却状态下的几何误差，则有：
（1）
根据第i个测量点测得的第j个测量点的热误差为
（2）
假设在第i个测量点测得的第j个测量温度由红外摄像机获得，则为第j个测量点测得的丝杠特征温度：
（3）
采用热变形温度采集系统，对x轴上双驱装置下螺杆的上下电机温度、前后轴承温度、螺母座温度、环境温度、下丝杠端热伸长等每隔一秒采集一次同步数据。
3 实验结果与分析
精密数控机床的热误差由许多复杂因素造成，会受到多种变量的影响，比如加工方法、材料类型、加工路径、环境温度、冷却系统、切削液、切削参数、丝杠预紧力，尤其是进给速度等。本文在实验的基础上，对不同进给速度下精密数控镗床的热效应进行了分析。此外，由于热效应对温度敏感，需要在一个温度为20℃的焓室中执行测试，以避免干扰。
3.1 进给系统的温度场特性
3.1.1 恒定进给速率下的温度分布
图4阐述了在单一运行时间为30分钟，测量时间为10分钟，而进给速率降低0.5m/min时，进给系统的轴承和螺母座的温度出现的一种周期性变化。运动产生的热量小于散失的热量，从而导致温度下降；当进给速率再次升高时，温度逐渐升高，因此温度的升高一般呈现出周期性变化，周期时间约为40 min，与测量周期一致。
图4 丝杠温度随时间升高
上进给轴的温度明显高于双驱结构的下进给轴，而上部前后轴承的温度也高于下部前后轴承。上电机为主动控制，下电机为控制主动电机的从动端，由于丝杠与螺母之间的摩擦，使得从动电机无法准确同步。此外，有源端功率和负载较大，产生的热量也比较多，从而提高了温度。上电机的热平衡温度可以达到39.2℃，这高于前轴承(30.2℃)和后轴承(23.3℃)。下电机的热平衡温度为35.3℃，也高于前后轴承。因此在双驱数控镗床的顶部和底部，丝杠、电机、轴承的温度有所不同，导致进给系统的温度梯度分布不均匀，容易引起热变形，从而影响定位精度和重复定位精度。该结论可以给精密数控镗床的热平衡设计提供参考，x轴的双驱结构示意图如图5所示。
图5 x轴双驱原理图
从图6各点的测量结果可以看出，温度变化趋势相一致，并且随着时间的推移逐渐增加，最终达到热平衡。最终到达平衡的时间约为320分钟，最高温度为24.5℃。
图6 螺杆测量点温度
测量温度在0和1.5℃之间螺旋波动，距离电动机近的温度低于测量点远离电动机的温度。由于红外发射速率受光线等环境因素的影响，电机附近的机械结构容易形成布洛克面，该表面较暗，可能导致近端温度低于远端，会造成测量系统的误差。因此，整个螺杆温度场可以近似为一个等温曲面，如图7(a)和7(b)所示。丝杠温度变化非线性非平稳，且变化缓慢。
3.1.2 不同进给速度下温度场的比较
分析不同进给速度下设定丝杠为1050mm的温度变化。在热平衡时，测量点达到最高温度，温度随进给速率的增加而增加。当进给速率为6m/min时，测量约240分钟后，达到热平衡的最高温度为21℃，这与环境温度大致相同。由于该切削条件下进给速度相对较小，丝杠与螺母之间、槽与滑块之间的摩擦较小，产生的热量较少，同时丝杠采用空心冷却机构，因此，在这种情况下，丝杠温度接近环境温度。当进给速率为 24 m / min时，热平衡时间约为380分钟，测量点的热平衡温度高达26℃。由图8、图9可知，测量点温度与进给速率之间呈非线性关系。在相同时间间隔内，随着进给量增加，温度升高程度也越来越大，上升速度也越来越快，随着进给速度增加，达到热平衡所需的时间也随之增加。在实际加工过程中，热平衡时间可以作为精密数控镗床预热时间的参考。
图7（a）温度分布 图7（b）沿x轴温度
图8 不同进给速度下温度随时间变化 图9 三维温度图
3.2 进给系统热变形
进给系统的热误差与坐标位置密切相关，因此该误差是一个位置相关的热误差。本节以18 m/min进给速率下的实验数据为样本空间，分析了热变形与运行时间、坐标位置的关系。实验中x坐标范围为-50mm — 1150mm，测点间距为100mm，共12个测点。采用激光干涉仪测量位置误差，采用涡流位移传感器检测丝杠的热膨胀。
3.2.1 位置相关热误差的时间特性
靠近电机的一端定义为x轴的正方向，而远离电机的自由端定义为x轴的负方向。进给速率为18m/min时，12个测点坐标对应位置的热误差可以使用(2)式确定，如图10为热误差。
图10 进给速率为18m /min时螺杆测点处的热变形
总的来说，各测点的热误差呈现出相同趋势，即随着时间的推移逐渐增加，热误差达到稳态时，平衡时间约为1530分钟，在点-50mm处测量的热误差是-3.3mu;m，这是所有测量的最低分。相比之下，热误差的测量在-1150 mm处最大，约为-19.7mu;m。热偏移方向为x轴负方向，即加工过程中，丝杠向x轴自由端膨胀。由图10可知，精密数控镗床的热误差随距离电机位置的增加而增大，定位精度减小。
3.2.2 丝杠的热膨胀
如下图11中，进给速率为18m/min时，轴的螺丝接线端向负方向扩展，热膨胀率也随着时间的推移急剧增加，达到热平衡时间大约为85分钟，轴向膨胀伸长可达到20.3mu;m，紧随其后的是周期性波动。这种波动类似于测量周期引起的温度场变化。
图11 进给速率为18 m/min时丝杠自由端热膨胀
螺丝接线端扩张达到热平衡时，最大热误差只有7.5mu;m，这远远低于结束时的伸长20.3mu;m。对比图10和图11可知，轴端热膨胀变化与进给轴位置热误差趋势不一致，如果精密镗床的数控系统处于开环控制之下，那么这些趋势
全文共8945字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[1726]
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
