空心滚珠丝杠在数控机床伺服进给系统中的应用研究

作     者：李明亚 

作者单位：内蒙古科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：韩军

授予年度：2015年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：空心滚珠丝杠 强制冷却 ANYSIS有限元分析 温度场 热变形 

摘      要：数控机床在向高速、高精度发展的过程中，伺服进给系统中滚珠丝杠的热变形成为进一步提高机床加工精度的主要影响因素。其热源主要包括丝杠滚道与滚珠、滚珠与螺母滚道的摩擦热，滚珠与支撑轴承内外圈的摩擦热，电机发热通过联轴器传递到丝杠上的热，环境的辐射热等。其中滚珠丝杠的摩擦热占很大的比例，尤其在高速进给条件下，摩擦发热更加严重，这会使滚珠丝杠的刚度降低、热变形更加严重。 因此研究在高速条件下抑制滚珠丝杠温升及热变形对提高数控机床的加工精度具有深远的意义。 针对伺服进给系统中滚珠丝杠主要热源是丝杠螺母的发热，故本文采取重点冷却与全面冷却相结合的方式，即采用空心滚珠丝杠替代实心滚珠丝杠，通入冷却介质强制冷却，同时设计空心螺母的冷却，共同抑制空心滚珠丝杠的热变形。另外，空心丝杠滚珠丝杠还有助于减小高速运转时的转动惯量，增加丝杠轴的扭曲刚度和伺服进给系统的快速响应性。主要研究内容如下： 论文分析了伺服系统热补偿的发展与前沿的技术状况，并针对我国的伺服系统研究的趋势及研究的实际情况，确定了本课题的研究路线。从伺服系统作为一个整体系统的观点出发，在深入调研数控伺服系统各个性能参数及其影响的前提下，确定滚珠丝杠的空心化是解决伺服系统稳定性、准确性、快速性等一系列问题关键所在。 1、本文根据传热学、热力学、有限元的相关理论推导出实心/空心滚珠丝杠的热变形模型，代入某一加工中心滚珠丝杠伺服进给系统的具体参数，从理论上证明了空心滚珠丝杠冷却的方法对于抑制滚珠丝杠的热变形效果明显。 2、建立实心/空心滚珠丝杠的三维模型，用ANSYS/Workbench的热模块研究相同工况下的空心滚珠丝杠与实心滚珠丝杠的热温度分布的差异;然后将温度分布作为热载荷导入结构模块研究温度分布对滚珠丝杠热变形的影响。 3、深入研究了空心滚珠丝杠在不同转速下的温度分布及热变形规律，得出空心滚珠丝杠转速与热变形的关系，同时由仿真模型验证了理论模型的正确性。空心滚珠丝杠通入不同流量的冷却液，其温度分布与热变形随冷却液流量的增加呈现出弱化冷却液影响的趋势。 4、仿真分析了不同种类的冷却介质对空心滚珠丝杠散热性能的影响。对于空心滚珠丝杠的开孔大小这一因素的仿真，综合考虑了空心滚珠丝杠强度、刚度的因素。为了研究空心滚珠丝杠达到热平衡的时间对数控机床热启动的影响，做了空心/实心滚珠丝杠的对比仿真。 5、建立了空心滚珠丝杠伺服进给系统的数学模型，并在MATLAB/Simulink中编写M文件，通过伯德图验证空心滚珠伺服进给系统的稳定性及由Routh判据证明了系统的稳定性。通过对空/实心滚珠丝杠的惯量参数的对比，并研究了空心滚珠丝杠伺服进给系统的快速性优于实心滚珠丝杠伺服进给系统。 6、针对丝杠的空心化会影响到丝杠的强度、刚度，故对强度、刚度做了校核。结果满足强度、刚度要求。 本论文为空心滚珠丝杠在数控机床伺服进给系统中的应用提供理论依据，具有重要的工程实践应用价值。