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高速电主轴热态特性分析与建模研究

高速电主轴热态特性分析与建模研究

作者：朱波哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

随着现代制造业的快速发展,高速精密加工技术成为当前机械加工的重要发展趋势。高速和高精度的数控机床是完成高速精密加工的前提条件。电主轴为数控机床的核心部件是实现精密加工的关键。高速电主轴因结构紧凑,热源产生的热量难以散出... 详细信息

随着现代制造业的快速发展,高速精密加工技术成为当前机械加工的重要发展趋势。高速和高精度的数控机床是完成高速精密加工的前提条件。电主轴为数控机床的核心部件是实现精密加工的关键。高速电主轴因结构紧凑,热源产生的热量难以散出,会引起热变形,致使其性能降低。同时电主轴引起的热误差是机床的最大误差源,对机床的加工精度影响较大。为了改善电主轴的性能,需要深入分析其热态特性和热误差。本文以A02型高速电主轴为研究对象,利用理论推导、仿真分析、实验测量和模型搭建的方法对电主轴热态特性分析和热误差建模展开研究。首先,对A02型高速电主轴结构分析,并以传热学理论为基础计算其热载荷和对流换热系数,并将其作为有限元模型边界条件,建立电主轴热-固耦合模型。通过稳态和瞬态深入分析电主轴生热和传热机理,为电主轴的热态特性研究提供理论基础。其次,搭建电主轴温度与热位移数据采集实验台。利用传感器、数据采集仪和相配套的软件建立完整的热误差采集系统。通过对电主轴的工况方案设计,采集电主轴不同转速下的温度和热位移数据,为后续研究提供数据支持。随后,基于采集的温度和热位移数据进行温度敏感点的筛选。利用谱系聚类和K-means聚类相结合的方法对各温度测点进行聚类分析,并采用Silhouette函数对聚类结果进行评价,同时采用灰色关联分析探讨温度测点与热位移的关联程度,由此筛选温度测点间共线性低且与热位移相关度高的温度敏感点。基于温度敏感点的筛选,可为热误差模型提供输入,并提高模型的性能。最后,结合神经网络和优化算法,采用天牛须算法和麻雀算法分别优化Elman神经网络的权值和阈值,以筛选的温度敏感点作为输入,轴向热位移作为输出,建立BAS-Elman和SSA-Elman电主轴热误差预测模型,并通过不同转速的实验数据验证所提模型的精度和泛化性,为热误差建模提供新方法。

关键词：高速电主轴热态特性热误差实验温度测点优化热误差模型

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加长型直角角度头温度场分布及热变形仿真

加长型直角角度头温度场分布及热变形仿真

作者：赵金磊燕山大学

学位级别：硕士

加长型直角角度头可以扩大数控机床的加工范围并且提高加工效率,其精度影响加工精度。由于角度头内部空间狭小,内部生热不易扩散,致使角度头的整体温度升高,温度场分布不均而产生热变形。热变形引起的误差在所有误差中占比近一半以上。... 详细信息

加长型直角角度头可以扩大数控机床的加工范围并且提高加工效率,其精度影响加工精度。由于角度头内部空间狭小,内部生热不易扩散,致使角度头的整体温度升高,温度场分布不均而产生热变形。热变形引起的误差在所有误差中占比近一半以上。因此研究角度头热变形影响规律对提高角度头性能具有重要的指导意义,同时设计的冷却结构从根本上降低了热变形对角度头精度的影响。论文主要内容包括:(1)分析了角度头热态特性。先对其内部结构进行分析,之后确定角度头的主要热源以齿轮与轴承摩擦生热为主;其传热方式为热传导和热对流,对流换热包括齿轮、轴承与润滑剂和旋转主轴、角度头外表面与空气,并通过经验公式计算出其热流密度与对流换热系数。并且提出了一种迭代方法用于解决角度头外表面与空气的自然对流换热系数因温差而不准确的问题,提高了其计算精度。(2)进行了角度头温度场仿真。以热流密度和对流换热系数作为边界条件,经过固体网格无关性验证便可得到角度头稳态和瞬态温度场仿真结果,分析了形成原因以及温度场稳定时间。之后单因素分析出径向力、轴向力、扭矩和转速对角度头温度场均有影响。正交实验分析四种因素均有显著性影响。(3)进行了角度头热变形仿真。以温度场结果作为热载荷并且设置好约束条件得到角度头稳态和瞬态热变形结果,分析了其整体和X、Y、Z方向热变形情况以及输出轴前端面热变形量随时间的变化情况。然后进行单因素和正交实验,得出除轴向力外,其他三种因素对角度头输出轴前端面热变形均有显著性影响。(4)进行了水冷角度头流热固耦合分析。设计了周向S型冷却水套和轴向S型冷却水套,采用流热固耦合的方式提取冷却水的近壁面温度和壁面对流换热系数。编写的Profile文件解决了冷却水壁面温度不准确的问题,提高了仿真精度。经过流体网格无关性验证并且通过不断迭代得到冷却水流场相关信息,之后便得到两款水冷角度头的温度场以及热变形,相比普通角度头温度场和热变形均有显著性降低。

关键词：加长型直角角度头热态特性温度场热变形水冷

基于昆虫翅脉仿生流道的数控机床主轴系统冷却结构热设计

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工程设计学报 2018年第5期25卷 583-589页

作者：邓小雷庞世杰李瑞琦周宜博王建臣傅建中衢州学院浙江省空气动力装备技术重点实验室浙江衢州324000 浙江大学浙江省三维打印工艺与装备重点实验室浙江杭州310027 浙江永力达数控科技股份有限公司浙江衢州324000

主轴系统的热误差是影响数控机床加工精度的主要因素。根据自然界昆虫的翅脉结构,设计了一种基于鳞翅目昆虫翅脉仿生流道的新型主轴系统冷却结构。建立了昆虫翅脉仿生流道冷却结构模型,在数值传热学相关理论基础上,通过Fluent有限元软... 详细信息

主轴系统的热误差是影响数控机床加工精度的主要因素。根据自然界昆虫的翅脉结构,设计了一种基于鳞翅目昆虫翅脉仿生流道的新型主轴系统冷却结构。建立了昆虫翅脉仿生流道冷却结构模型,在数值传热学相关理论基础上,通过Fluent有限元软件对传统螺旋形流道和新型昆虫翅脉仿生流道冷却结构进行流固耦合仿真对比分析,结果显示后者比前者具有更好的散热效果和流动特性:在相同边界条件下,冷却液最大流速约为1.839m/s,出入口压降为3 181Pa,加热面最高温度降低了约17.8%、最低温度降低了约4.6%,且冷却结构的温度场分布更均匀。研究结果可为数控机床主轴系统冷却结构的热设计提供参考。

关键词：仿生流道主轴系统冷却结构热设计流固耦合热态特性

不同工况下的薄壁件焊接装配热态特性数值仿真分析（英文）

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Journal of Southeast University(English Edition) 2018年第2期34卷 199-207页

作者：潘明辉汤文成幸研东南大学机械工程学院南京211189

为了分析薄壁件装配的焊接热态特性,针对不同厚度的T形装配结构,建立多尺度有限元模型和焊接热源模型,考虑不同焊接技术参数和焊接方向,采用不同焊缝参数的角焊缝方式对T形装配结构进行焊接仿真分析,研究不同工况下的焊接温度场分布情况... 详细信息

为了分析薄壁件装配的焊接热态特性,针对不同厚度的T形装配结构,建立多尺度有限元模型和焊接热源模型,考虑不同焊接技术参数和焊接方向,采用不同焊缝参数的角焊缝方式对T形装配结构进行焊接仿真分析,研究不同工况下的焊接温度场分布情况.通过比较分析,结果表明:不同焊接方向、不同焊接厚度和焊接热源参数对焊接温度场分布有不同程度的影响;对相同厚度的薄壁件装配结构,当热源移动时,移动速度越快,受热面积越小,其焊接最高温度随之降低.通过适时调整焊接参数、热源参数、焊接结构厚度和焊接方向,可以改变焊接温度场分布状况,这将有利于选择合适的最佳薄壁件焊接厚度和相关的焊接过程参数,为以后大型尺寸焊接结构装配过程中提高薄壁焊接结构精度提供分析依据和基础.

关键词：焊接装配薄壁件热态特性热源模型焊接方向

数控机床多源异类信息采集测试试验及平台搭建

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光学精密工程 2022年第12期30卷 1440-1451页

作者：邓小雷陈昱珅郭术鹏郑嘉聪盛晓波衢州学院浙江省空气动力装备技术重点实验室浙江衢州324000 浙江工业大学机械工程学院浙江杭州310032

针对现有的数控机床工作过程主轴系统多种信息与多类信号采集的实际需求,设计研发了由多类型传感器组成的多源异类信息采集试验平台。该平台由热态特性信息采集系统与机床动态信息采集系统组成,其中热态特性信息采集系统可监测数控机床... 详细信息

针对现有的数控机床工作过程主轴系统多种信息与多类信号采集的实际需求,设计研发了由多类型传感器组成的多源异类信息采集试验平台。该平台由热态特性信息采集系统与机床动态信息采集系统组成,其中热态特性信息采集系统可监测数控机床各点的位移与温度数据;动态信息采集系统可监测机床各点的振动,应力和应变。本文首先在主轴系统仿真分析的基础上,完成试验平台构建,并在2 000 r/min、3 000 r/min和4 000 r/min转速下进行多源异类信息采集试验,试验与仿真结果相对误差在10%以内,同时又将采集到的数据进行预处理和信息融合后用于多源信息的热误差建模,在对应转速下热平衡后的热变形均方根误差均小于0.9μm,同时决定系数在0.9以上,表明所搭建的多源异类信息采集试验平台在多转速下均有较优的准确性。本文的试验平台和数据采集融合方法为机床的热误差补偿和热设计提供了重要的技术手段和理论基础。

关键词：数控机床多源异类信息热态特性试验平台信息采集

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精密数控机床多主轴系统热平衡试验

浙江大学学报（工学版） 2014年第9期48卷 1646-1653页

作者：邓小雷傅建中沈洪垚陈子辰浙江大学机械工程学系浙江省先进制造技术重点实验室浙江杭州310027 衢州学院机械工程学院浙江衢州324000

对现有的精密数控机床主轴系统进行常规工况实验和空运转实验,提出一种数控机床热平衡试验方法,通过该实验方法可以获得数控机床主轴系统的热敏感点、温度场数据和热位移场数据以及热平衡时间等热态特性,以校验理论仿真分析,并建立误差... 详细信息

对现有的精密数控机床主轴系统进行常规工况实验和空运转实验,提出一种数控机床热平衡试验方法,通过该实验方法可以获得数控机床主轴系统的热敏感点、温度场数据和热位移场数据以及热平衡时间等热态特性,以校验理论仿真分析,并建立误差模型,从而实现对主轴系统热特性的快速校核与加工误差补偿.在具有3个独立磨头主轴系统的直线滚动导轨精密曲面成形数控磨床上,开展多主轴系统热平衡试验方法的具体案例研究,获得了其中两个理论上相同的立式磨头的主轴系统温升变化曲线、热变形变化曲线和热平衡时间等不同的热态特性,论证了多主轴热平衡实验对于消除多主轴机床差异性上的重要性,弥补了多轴系统热态特性分析在理论上分析的不足.通过将热平衡试验获得多主轴系统的热态特性结果用于指导热误差补偿工作,减小了机床热误差控制及补偿难度,提高了机床加工直线导轨曲面精度与工作效率.

关键词：热平衡试验多主轴系统数控机床热态特性误差补偿

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精密数控机床主轴系统多物理场耦合热态特性

浙江大学学报（工学版） 2013年第10期47卷 1863-1870页

作者：邓小雷傅建中贺永陈子辰浙江大学机械工程学系浙江省先进制造技术重点实验室浙江杭州310027 衢州学院机械工程学院浙江衢州324000

在综合分析数控机床主轴系统的边界条件的基础上,建立三维多物理场耦合流场-温度-结构场的稳态和瞬态热态特性分析模型,采用有限元分析法(FEM)进行仿真模拟.该模型考虑主轴系统各零部件的实际尺寸、零部件不同面的不同放置情况、外界空... 详细信息

在综合分析数控机床主轴系统的边界条件的基础上,建立三维多物理场耦合流场-温度-结构场的稳态和瞬态热态特性分析模型,采用有限元分析法(FEM)进行仿真模拟.该模型考虑主轴系统各零部件的实际尺寸、零部件不同面的不同放置情况、外界空气在不同流动情况与不同定性温度下对分析结果的影响,考虑主轴系统在外加非圆截面弯管冷却液影响下的温度场分析情况.以某精密数控双磨头磨床主轴系统为例进行分析与实验验证.结果表明,提出的主轴系统多物理场耦合热态特性分析的模型与方法可以快速、有效以及较准确地获得主轴系统的热态特性.

关键词：精密数控机床主轴系统耦合分析热态特性传热系数热设计

液体静压主轴热态特性多物理场耦合仿真与实验研究

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润滑与密封 2019年第9期44卷 126-135页

作者：尹承真张连新王宝瑞阳红李祥管允劼中国工程物理研究院机械制造工艺研究所

液体静压主轴在加工过程中受热源影响发生热变形,会影响机床加工精度。针对一种超精密卧式辊筒加工机床的液体静压主轴,建立主轴生热与散热的理论模型,采用有限体积法与有限单元法建立主轴的流-热-固耦合仿真模型,考虑油膜区域散热条件... 详细信息

液体静压主轴在加工过程中受热源影响发生热变形,会影响机床加工精度。针对一种超精密卧式辊筒加工机床的液体静压主轴,建立主轴生热与散热的理论模型,采用有限体积法与有限单元法建立主轴的流-热-固耦合仿真模型,考虑油膜区域散热条件,分析主轴工作到稳态下的温度场以及产生的轴向热误差,并通过试验验证仿真模型的正确性和准确性。应用该模型分析主轴转速、供油压力、液压油黏度、油膜间隙以及轴向封油边长度对主轴温升的影响。结果表明,主轴温升随主轴转速、液压油黏度、封油边长度的增大而增大,随供油压力、油膜间隙的增大而减小。因此,在满足主轴性能的前提下,使用较低的主轴转速、较大的供油压力,选择小黏度的液压油、较大的油膜间隙以及较短的封油边长度可以有效地降低主轴的温升。

关键词：液体静压主轴热态特性流-热-固耦合参数优化

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高速电主轴功率流模型与热态特性研究

农业机械学报 2013年第9期44卷 250-254页

作者：陈小安张朋合烨刘俊峰重庆大学机械传动国家重点实验室重庆400044

根据能量守恒定律建立了高速电主轴功率流模型,研究了电动机电磁损耗、轴承摩擦损耗和风阻损耗之间的关系,并且通过实验测量2ZDG60型高速电主轴运行过程中的电磁损耗参数,对此模型进行验证,其理论计算结果与实验结果吻合度较高。在此基... 详细信息

根据能量守恒定律建立了高速电主轴功率流模型,研究了电动机电磁损耗、轴承摩擦损耗和风阻损耗之间的关系,并且通过实验测量2ZDG60型高速电主轴运行过程中的电磁损耗参数,对此模型进行验证,其理论计算结果与实验结果吻合度较高。在此基础上,对2ZDG60型高速电主轴进行了热态有限元仿真,分析其不同转速下的温升分布,其中在集中产热区域轴承和电动机处温升较高,测量前轴承外圈以及壳体前部、中部、后部的温升情况,实验数据与仿真数据相比误差较小,进一步验证了高速电主轴功率流模型的准确性。

关键词：高速电主轴功率流热态特性