（机械制造及其自动化专业论文）铣车复合加工中心直驱转台的热特性研究.pdf

硕士学位论文 摘要 随着我国制造业的发展，高速加工机床逐渐成为制造业的一个明确发展方向。 其功能部件技术水平的高低、性能的优劣都直接影响着数控机床整机的技术水平 和性能，也制约着主机的发展速度。在科学技术不断进步和市场竞争日趋激烈的 今天，机床的热态问题一直阻碍着加工精度进一步的提高，所以热控制技术是研 制高精度机床工作中急需解决的关键性技术之一。数控转台作为高速、高精度机 床的主要功能部件之一，改善其热态特性，减少其温升及热变形在转台的设计和 研制过程中占据了重要的地位。 本课题是2 0 1 0 年国家科技重大专项动梁无滑枕立式铣车复合加工中心 ( 课题编号：2 0 1 0 z x 0 4 0 0 1 0 3 2 ) 的子课题，以复合加工中心的直驱转台为研究 对象，为提高其热特性展开研究的。具体内容如下： 1 用s o l i d w o r k s 软件对直驱转台进行三维建模，并确定转台的主要热源和 边界条件。 2 分析主要热源( 轴承、电机转子和定子) 并计算其发热量。 3 利用传热学的基本原理和相关公式，计算各部分的对流换热系数( 即有限 元热分析模型的边界条件) 。 4 用a n s y sw o r k b e n c h 软件对转台进行网格划分并计算其温度场分布、分 析温度场变化。 5 利用温度场计算结果，分析转台关键部位的温度场变化以及温升情况。 6 对转台进行热变形分析，找出影响转台热变形的主要因素，并提出有效改 善转台热特性的方案。 关键词：直驱转台；热特性；温度场；a n s y sw o r k b e n c h ；热变形 复合加t 中心直驱转台的热特性研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y s m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y ，h i g h s p e e d p r o c e s s i n gm a c h i n eg r a d u a l l yb e c a m eac l e a rd i r e c t i o no fd e v e l o p m e n t t h en c m a c h i n et o o lt e c h n o l o g yl e v e la n dp e r f o r m a n c ew e r ed i r e c t l ya f f e c t e da n di n f l u e n c e d b yt h et e c h n o l o g yl e v e lo ft h e f u n c t i o n a lc o m p o n e n t sa n dt h ep e r f o r m a n c e t h e d e v e l o p m e n ts p e e do ft h eh o s tw a sa l s or e s t r i c t e db yt h o s ef a c t o r s t o d a y ，t h o u g ht h e s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o n t i n u a l l yp r o g r e s s e da n di n c r e a s i n g l yf i e r c ec o m p e t i t i o n e x i s t e di nt h em a r k e t ，t h ef u r t h e ri m p r o v e m e n to ft h em a c h i n i n ga c c u r a c yh a sb e e n s t i l lh i n d e r e d b y t h em a c h i n et o o lt h e r m a l p r o b l e m s s o t h et h e r m a lc o n t r o l t e c h n o l o g yw a so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e s ，w h i c hw a sb a d l yi nn e e do fs o l u t i o ni n t h ed e v e l o p m e n to fh i g hp r e c i s i o nm a c h i n et o o lw o r k n c r o t a r yt a b l ew a so n ep a r to f t h eh i g hs p e e da n dh i g hp r e c i s i o nm a c h i n et o o l sm a i nf u n c t i o n a lc o m p o n e n t s s o i m p r o v i n gi t st h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dr e d u c i n gt h et e m p e r a t u r er i s ea n dt h e r m a l d e f o r m a t i o no c c u p i e da ni m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h ep r o c e s so fd e s i g na n dr e s e a r c ho f t h et u r n t a b l e t h i st a s kw a ss e ti nt h en a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g ym a j o ro f 2 010 - - - - m o v i n g b e a mw i t h o u tr a mv e r t i c a lm i l l i n ga n dt u r n i n gc o m p o s i t ep r o c e s s i n gc e n t e r ( t o p i c c o d e ：2 0 1 0 z x 0 4 0 0 1 - 0 3 2 ) t h er e s e a r c ho b j e c tw a st h ed i r e c td r i v et u r n t a b l eo ft h e c o m p o s i t ep r o c e s s i n g c e n t e r t h e s t u d yo b je c t i v e w a s i m p r o v i n g t h e r m a l c h a r a c t e r i s t i c s s p e c i f i cc o n t e n tw a sa sf o l l o w s ： 1 d ot h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n gf o rt h ed i r e c td r i v et u r n t a b l ew i t hs o l i dw o r k s a n dm a k es u r et h em a i nh e a ts o u r c ea n dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n so ft h et u r n t a b l e 2 a n a l y z et h em a i nh e a ts o u r c e ( b e a r i n g s ，m o t o rr o t o ra n ds t a t o r ) a n dc a l c u l a t e t h eq u a n t i t yo fh e a t 3 c a l c u l a t et h ec o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ( i e t h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s o ff i n i t ee l e m e n tt h e r m a la n a l y s i sm o d e l ) o fe a c hp a r ta c c o r d i n gt ot h eh e a tt r a n s f e r p r i n c i p l ea n dr e l a t e df o r m u l a 4 m e s ht h et u r n t a b l ea n dc a l c u l a t et h et e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o nw i t ha n sy s w o r k b e n c h t h e na n a l y z et h ec h a n g e so f t e m p e r a t u r e 5 a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft e m p e r a t u r ef i e l dc a l c u l a t i o n ，w ec a na n a l y z et h e c h a n g e so ft e m p e r a t u r ef i e l da n dt e m p e r a t u r er i s eo ft h et u r n t a b l e sk e yp a r t s 6 f i n do u tt h em a i nf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h et u r n t a b l e st h e r m a ld e f o r m a t i o n t h e np u tf o r w a r dt h es c h e m et h a tc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c s o ft u r n t a b le i l 硕士学位论文 k e yw o r d s ：d i r e c t - d r i v et u r n t a b l e ；t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c s ；t e m p e r a t u r ef i e l d ； a n s y sw o r k b e n c h ；t h e r m a ld e f o r m a t i o n ； l l i 复合加下中心直驱转台的热特性研究 插图索引 图1 1 动梁无滑枕立式铣车复合加工中心1 图1 2 数控回转工作台传动系统2 图1 3 直驱转台传动示意图2 图1 4d d r t - 2 6 0 直驱转台6 图1 5 北京首科凯奇直驱转台6 图1 6 直驱转台结构和安装方式7 图1 7 电主轴结构示意图8 图2 1 直驱转台结构示意图1 2 图2 2 内外热源分类示意图1 7 图5 1 直驱转台简化模型3 7 图5 2 直驱转台有限元分析模型3 7 图5 3 网格划分模型一3 9 图5 4 直驱转台稳态温度场4 2 图5 5 直驱转台总变形图4 3 图5 6 直驱转台径向变形图4 4 图5 7 直驱转台轴向变形图4 4 图6 1 温度控制原理图4 7 图6 2 热位移补偿图4 8 i v 硕士学位论文 附表索引 表2 1 直驱转台部分技术参数1 3 表2 2 直驱电机部分技术参数1 3 表2 3 轴承的部分技术参数。1 4 表3 1 轴承摩擦力矩m j 的计算2 3 表3 2 轴承摩擦力矩m 的计算2 4 表3 3 轴承摩擦发热量q r 的计算2 4 表4 1 轴承油一气润滑对流换热系数的计算3 0 表4 2c 、，值31 表5 1 直驱转台结构模型的材料属性3 8 表5 2 转台各位置发热量的计算结果4 l 表5 3 转台各位置换热系数的计算结果4 l 表5 4 转台各位置生热率的计算结果4 l v 硕士学位论文 第一章绪论帚一早三百下匕 1 1 本课题来源及研究意义 1 1 1 课题来源 课题来源：本课题是由兰州理工大学、青海一机数控机床有限责任公司、华 中科技大学共同承担的2 0 1 0 年国家科技重大专项一一动梁无滑枕立式铣车复合 加工中心( 课题编号：2 0 1 0 z x 0 4 0 0 1 0 3 2 ) 的子课题之一。 图1 1 动梁无滑枕立式铣车复合加工中心 1 1 2 研究意义 机床制造业是一个国家的基础工业，是机器大工业生产的技术基础。高速加 工技术给机床制造业带来了显著的经济效益及广阔的发展前景，它已成为衡量一 个国家制造业水平的重要标志之一。高速加工技术是使制造技术产生革命性飞跃 的一项高新技术，不仅具有极高的生产效率，而且可以显著提高零件的加工精度 和表面质量。高速机床是实现高速加工的前提和基础条件。目前高速加工技术 在工业发达国家发展迅速，美国、德国、日本等国家已处于国际领先水平。在科 学技术不断进步和市场竞争日趋激烈的今天，高速加工设备逐渐成为制造业的一 个明确发展方向。而复合加工作为机械加工的发展方向之一，同时也是数控机床 发展的一个主要方向。在多种复合加工的领域中，铣车复合加工中心作为新型的 多功能、高精度、高效率复合加工机床是目前发展最为完善的一个领域。目前， 我国对高速数控机床功能部件的发展给予了高度的重视，从机床工具行业“十一 五”发展规划起就已经把功能部件列为主要发展目标心1 。功能部件技术水平的高 复合加t 中心亢驱转台的热特性研究 低、性能的优劣都直接决定和影响着数控机床整机的技术水平和性能，也制约着 主机的发展速度。高速数控机床的快速发展为功能部件产业化提供了广阔市场。 高速数控机床的发展包括两个方面：一是高速数控机床的结构：另一个是高 速数控机床的关键功能部件。关键功能部件主要包括数控转台、动力卡盘、滚珠 丝杠等，其中数控转台是实现零件加工的重要部件，现已被广泛使用。数控转台 按其动力传递形式可以分为两大类，间接驱动数控转台和直接驱动数控转台。间 接驱动数控转台是由电机和机械结构( 减速器、蜗轮蜗杆副、联轴器等) 组成， 将电机的旋转运动转换成转台的旋转或直线运动，如图1 2 所示；而直驱转台则 消除了机械传动环节的各个部件，驱动电机直接与负载耦合，如图1 3 所示。随 着直接驱动技术的发展，直驱转台已进入了工业应用阶段，并取得了很好的经济 效益。 j 、1 ，矿 - ) 6肛 图1 2 数控回转工作台传动系统 1 - 电机2 减速齿轮13 减速齿轮24 蜗杆5 蜗轮6 转台 图1 3 直驱转台传动示意图 随着直驱转台的发展，国内外对直驱转台的关注也日渐增多，但我国直驱技 术的发展与国际水平还有很大的差距。自2 0 0 5 年起国内就开展了以力矩电机为 核心驱动元件的转台的技术研究和产品开发，但大多尚且停留在产品样机阶段。 所以作为影响高速数控机床性能的关键功能部件之一，对直驱转台的温度特性， 2 硕士学位论文 刚度特性以及动平衡特性等方面的研究就显得尤为重要。当高速数控机床在工作 运转时，转台各组成部分在运转过程中产生的热量使各部件产生热变形，导致机 床的加工精度降低，并且在工作的情况下，发热量越大，热变形等问题就越突出， 当热变形达到一定程度时，转台将无法正常工作，这是高速数控机床的关键性问 题之一。 本课题针对这一关键性问题，对直驱转台开展了系统的理论研究与有限元分 析，并取得相关数据、提出合理的解决方案，为提高转台的热特性提供了理论依 据。 1 2 直驱技术与直驱转台发展概述 1 2 1 直接驱动技术发展概述 一、概述 直驱是指直接驱动( d i r e c td r i v e ) ，是电机直接和运动执行部分相结合。简 单地说，直接驱动技术就是将伺服执行机构的滚珠丝杠副、齿条与齿轮、传动皮 带或皮带轮以及齿轮箱等机械传动中间环节统统取消，伺服电动机直接耦合或融 入到从动负载上，从而实现所谓的“零传动 方式。它能最大限度地消除传统进 给驱动方式下由中间传动变换环节所产生的诸如弹性变形、反向间隙、摩擦振动、 刚度降低、响应滞后等线性和非线性误差，可以说是一次伺服驱动方式的革命。 典型的直接驱动技术的应用包括，以直线电机为核心驱动元件的直线运动部件和 以力矩电机为核心驱动元件的回转运动部件。 时至今日，世界各国的著名机床制造商( 如德国的i f n i 、d m g 公司、日本 的森精机、m a z a k 公司、韩国的大宇公司等) 都纷纷推出直线电动机或力矩电动 机驱动的数控机床。我国对于直接驱动电动机的研究和应用始于2 0 世纪7 0 年代， 经过几十年的发展，虽然也取得了一些成果，但与国外相比，在推广应用方面尚 存在较大差距，还一直局限于高校及科研院所的试验阶段。同时，我国尚缺乏研 制生产直驱电动机自主技术及相关成熟产品的电机厂家，有很多关键零部件和关 键技术都是从国外进口b 3 。国内少数采用了直接驱动技术的数控机床制造商也大 都是选用国外品牌的直驱电动机。高进口率的关键零部件和技术会给产业的发展 带来极大的风险。我国机床技术落后的现状给行业发展造成了很大的阻碍，所 以这个问题必须尽快给予解决。 二、直驱技术的特点和优势 直接驱动部件的“零传动 模式，省去了电动机到移动转动工作台之间的一 切机械传动环节，从而避免了相关的问题和缺陷，特别是在高速加工领域拥有了 传统驱动方式所无以比拟的特点和优势。综合而言，可概括为以下几点： 复合加丁中心直驱转台的热特性研究 1 、静、动态刚度高。采用直接驱动技术，电动机直接和负载连接，不存在 中间机械传动环节的传动间隙( 齿轮间隙、丝杠、螺母间隙) ，即零间隙，高刚 度( 低柔性) ；同时避免了高速运动时在启动、变速和换向阶段因多个传动环节 的弹性变形导致的机械谐振现象，整个伺服执行机构的静态刚度和动态刚度均大 大提高，从而容易获得较高的k v 因子。 2 、高速的动态响应。由于系统中取消了丝杠等谐响应时间常数较大的机械 传动件，使运动惯量变小，伺服环( 速度环，位置环) 可以有较高的闭环带宽。 高带宽使系统动态响应性能大大提高，表现为极快的响应速度和更强的抗负载扰 动能力。闭环控制系统的整体伺服性能大幅提升，反应异常灵敏快捷。 3 、高精度且稳定性好。精度直接取决于控制技术和传感技术，直驱技术可 以在设备上轻松地实现几千分之一毫米或角秒级的灵敏度，而传统的机械传动大 多只能实现几百分之一毫米或角分级的灵密度。直线驱动系统没有中间环节的传 动误差，减小了插补时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过位置检测反馈控制， 可大大提高机床的定位精度，其定位精度基本上完全取决于位置反馈检测元件的 精度，能够在高速下平稳运行，轨迹误差小。由于是“非接触式 传动，无磨损， 所以精度保持性好。 4 、速度调控性好。在制造装备中，传统运动可实现1 5 米分钟的直线运动速 度和十几到几十转每分钟的分度速度。而直驱技术应用后，直线运动速度可以提 升到1 5 0 米分钟以上，转台转速可以达到几百转每分。直接驱动电动机还能满足 其切削加工所需的超高、低速要求，可以获得小于1 s 的低速和获得每秒5 米以 上的高速。其高速响应性使加减速过程大大缩短，可实现起动时瞬间达到高速， 高速运行时又能瞬间准停，最高的加速度可达1 0 9 。而且力矩线性度好，调速范 围更宽，速度变化范围甚至可达1 ：1 0 0 0 0 以上。这就意味着生产效率可以提升1 0 倍以上。 5 、低噪音运行。直接驱动单元没有传动丝杠、变速箱等部件产生的机械摩 擦，导轨也可以采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨( 无机械接触) ，因此其高速运动 时传动平稳，无振动，运行噪声大大降低，听觉噪声一般可降低2 0 d b 左右，可 以实现静音运行的效果。 6 、成本低。直驱技术取消了机械传动，节约了零件的原材料和制造成本， 从而降低了设备整体的成本。 7 、外形紧凑，易于设计。直接驱动元件的结构简单，外形紧凑。结构设计 的简化使零部件数目减少，重量更轻，体积更小，所需的安装空间自然大大减小。 无框架直接驱动电动机转子可与负载结合为一体，更易于实现紧凑美观的设计方 案。 总的来讲，直驱技术可以使设备加工效率提高3 5 倍，精度提高3 5 倍，从 4 硕十学位论文 而使设备的综合价值提升3 5 倍。以机床为例，普通采用机械传动数控机床售价 3 0 一5 0 万元，采用直驱技术的高精度数控机床能够卖到1 0 0 2 0 0 万元。 三、直驱技术在数控机床领域的应用前景 直接驱动技术正在日趋完善，优越的性能指标使其在以下领域大展身手：其 一，适用于高速加工，生产批量大、要求定位运动多、速度和方向频繁变化的场 合。例如汽车零部件生产线和精密模具制造；其二，适用于超长行程的高速加工 中心，航空航天制造业中的轻合金、薄壁和金属去除率大的整体构件“镂空”加 工；第三，也可适用于要求高动态特性、高速随动性、高灵敏的动态精密定位、 超精密加工。例如新一代的c n c 电加工机床、c p c 数控曲轴磨床、c n c 纳米机 床等。 直线电动机除了应用于高速加工中心外，在磨床、锯床、激光切割机、等离 子切割机、线切割机等机床设备上也有应用。力矩电动机直接驱动的应用也相当 普遍，如旋转和分度工作台、万能回转铣头、摆动和旋转轴、旋转刀架，动态刀 库、主轴、滚筒辊子驱动、抓取轴等等，其最典型的应用当属五轴铣床。从近年 来的主要国际机床展，如欧洲的e m o 国际机床展，2 0 10 年美国芝加哥国际机床 制造技术展览会( i m t s 2 0 1 0 ) ，到最近的第十二届中国国际机床展览会( c i m t 2 0 1 1 ) ，可以看到采用直接驱动技术的机床产品越来越多。不仅如此，我们还注 意到：采用直接驱动技术的机床已经由展会上的概念机型逐步向批量生产的实用 机型转化。各种迹象表明，直接驱动电动机在高速高精度加工机床上的应用已进 入一个加速增长期。 综上所述，国外直接驱动技术应用的主要技术障碍已经基本解决。直驱技术 在数控机床领域的应用范围将不断拓展，实用性更强。直驱机床产品的零维护和 高可靠性使机床的后期运行成本大幅降低，加之技术进步带来的原始采购成本降 低，直驱产品的性价比在未来将更具竞争力。在金属切削机床领域，直接驱动和 传统驱动方式还会并存相当长一段时间，像近年来出现的“混合驱动 模式，但 总的趋势应该是直接驱动所占比重会愈来愈大。直接驱动技术的应用符合了当前 数控机床向高速、高效、高精度、智能性、环保化发展的趋势，有望率先在中高 端机床驱动领域奠定一定地位，并最终成为整个数控机床驱动的主流配置和行业 的标准。 1 2 2 直驱转台发展概述 直接驱动的转台是直接驱动技术在加工中心上的又一次革命性应用。其结构 特点是，电机转子直接与旋转工作台连接，电机定子则与安装基座固定在一起， 直接驱动转台实现旋转运动。它省却了齿轮、蜗轮蜗杆等复杂的传动件，具有如 下多项优点：结构简单、输出扭矩大、噪声低、速度和精确度高、控制容易、维 复合加工中心直驱转台的热特性研究 护方便，可靠性高等。 目前，国内外有许多厂家生产和销售直驱转台，如德国s i e m e n s 、c y t e c 、 p e i s e l e r 公司；日本f a n u c 、津田驹、森精机公司；美国哈挺公司；大连科德、 烟台傲群、大连光洋科技工程、北京首科凯奇有限公司等。 日本株式会社森精机制作所2 0 0 8 年6 月上市的d d r t 一2 6 0 直驱转台，直径 为2 6 0 m m 、采用直径2 0 0 m m 的滚柱轴承和高精度编码器，工作台的最高转速达 15 0 m m ，定位精度为4 秒阳3 。实现高速、高精度定位。还有d d r t - 2 0 0 、d d r t - 3 0 0 、 d d r t 4 0 0 。 图1 4 d d r t - 2 6 0 直驱转台 大连科德数控有限公司研发的直驱转台直径：4 0 0 1 0 0 0 m m ，额定扭矩 1 7 5 8 0 0 n m ，最大扭矩5 2 5 2 4 0 0 n m ，最高转速6 0 5 0 0 r p m ，定位精度士2 5 ”，土5 ”， 闭环的高精度编码器及总线式高精度驱动控制器，最大限度地保证其控制精度和 可靠性。 北京首科凯奇电气技术有限公司数控直驱回转工作台直径：5 0 0 m m ，最高转 速：1 5 2 r p m ，定位精度：士5 ”。 图1 5 北京首科凯奇直驱转台 6 硕十学位论文 大连光洋科技工程有限公司采用直接驱动技术实现的单轴转台，内置特殊开 发的大扭矩直驱电机一力矩电机，可提供更高的动态性能。区别于传统的齿轮传 动或蜗轮蜗杆传动方式，单轴转台没有任何机械传动部件，具有良好的精度保持 性。基于简单而对称的结构设计，所有部件、电机、轴承、编码器完美地结合在 一起，可获得更高的稳定性和系统刚性。采用弹性变形液压夹紧装置，使得旋转 轴可以在任何加工位置液压夹紧，可应用在重型切削和高速切削中。闭环的高精 度编码器及总线式高精度驱动控制器，最大限度地保证其控制精度和可靠性。该 产品获专利17 项，其中发明专利7 项，国际发明专利l 项。台面直径：4 0 0 16 0 0 m m ， 额定扭矩：1 7 5 7 0 0 0 n m ，最大扭矩：3 5 0 1 1 0 0 0 n m ，最高转速：6 0 5 0 0 r p m ，定 位精度1 0 ”，重复定位精度5 ”。 从国内外直驱转台的生产来看，我国经过几十年的发展，虽然也取得了一些 成果，但与国外相比，在推广应用方面尚存在较大差距，同时，尚缺乏研制生产 直驱自主技术及相关成熟的产品。 1 3 国内外直驱转台的热特性研究现状综述 目前，国内外许多专家学者对热特性的研究主要在电主轴的轴承、电机的转 子和定子等方面，并做了大量的研究工作，取得了一些成绩。但国内外对直驱转 台的热特性分析和研究甚少。直驱转台其结构特点是电机转子直接与旋转工作台 连接，定子则与安装基座固定在一起，直接驱动转台实现旋转运动，省却了齿轮、 蜗轮蜗杆等复杂的传动件，如图1 6 所示。这样的结构与电主轴的结构相类似， 如图1 7 所示，因此对直驱转台的热特性研究可以参考电主轴的热特性研究。 图1 6 直驱转台结构和安装方式 1 转台2 电动机定子3 电动机转子 4 推力球轴承5 高精密圆柱滚子轴承6 底座 7 复合加i ：中心亢驱转台的热特性研究 图1 7 电主轴结构示意图 1 主轴2 前轴承3 电动机转子4 电动机定子5 后轴承 经所查文献可知，热特性方面的研究主要应用在电主轴方面，其应用的方法 归纳为以下几个方面： ( 1 ) 建立热学模型 1 9 5 5 年，瑞典的l u n d e r g 和p a l m g r e e n 通过实验研究提出的轴承摩擦力矩经 验公式，成为计算轴承摩擦热的基础嫡1 。 1 9 8 8 年，日本n s k 研究中心的一些学者对陶瓷轴承在高速下的力学与发热 数学模型进行了深入研究，并进行了实验验证口1 。 日本的m o r i w a k i 等通过实验研究了超精密机床的空气主轴系统的热特性， 得出了热变形与主轴转速和环境温度之间的传递函数，并通过热变形补偿方法减 小了机床的热误差阳1 。 2 0 0 1 年美国普渡大学( p u r d u eu n i v e r s i t y ) 的b e r nb o s s m a n n s 和j a yf t u 教 授提出了高速电主轴的能量流动模型，并分析了主轴发热的定量特性阳1 。 西德柏林工业大学施布尔和斐绪描述了热源和加工精度之间的关系，热源在 各种不同工作条件下( 如驱动源消耗功率、机械传动摩擦、切削工作状态等) ， 产生一定的发热量，在各部位不同热特性与不同的边界条件下，将热量传给各部 位，使产生一定的温升，并发生热位移，破坏了各部分冷态时正确的相对位置关 系，从而降低了机床加工精度阻引。 2 0 0 2 年，新加坡学者s h y e o 对超高速磨削电主轴使用油气润滑的特征进 行了研究n l l 。 2 0 0 3 年美国普渡大学( p u r d u eu n i v e r s i t y ) 的c h i w e il i n 等学者建立了电主 轴的综合热态与动态模型n 引。 2 0 0 3 年台湾学者j e n q s h y o n g c h e n 提出了电主轴的基于热误差的热变形数 学模型，并且进行了实验，验证说明该模型具有较高的精度和鲁棒性n 朝。 浙江大学的蒋兴奇教授以传热学、滚动轴承摩擦学和动力学为理论基础，分 8 硕十学位论文 析了高速精密角接触轴承的发热特性和热传递特性，并对电主轴的发热与传递特 性进行了计算3 。 广东工业大学的于兆勤、张伯霖、肖曙红等人对高速电主轴热特性进行试验 与分析，并应用p a l m g r e n 经验公式计算了轴承内部发热，并分析了轴承主要参数 对发热的影响，找出了影响高速主轴单元热态特性的主要因素及其变化规律，提 出了改善措施引。 ( 2 ) 有限元分析 韩国的c h o ij i n k y u n g 等应用有限元方法对主轴轴承系统进行了热特性研 究，计算主轴轴承系统的温度场分布，根据试验结果与计算结果的比较。通过 修正主轴表面的换热系数，使实验结果与计算结果十分吻合n 削。 加拿大的m h a t t i a 等人采用有限元方法分析机床整体温度场，并将温度场 划分为多个比较规则的单元。通过温度场仿真和相关性选择，高效能温度测点的 最优数量和最佳分布n 7 1 。 东南大学的郭策博士利用有限元法建立了主轴系统的三维温度场模型，对其 进行了详细的热性能分析，在获得主轴系稳态温度场的基础上，进一步计算出主 轴系统在热一力结构耦合条件下的变形n 8 1 。 浙江工业大学的王金生等通过有限元方法建立主轴系统模型，结合主轴系统 与普通水箱之间的冷却模型，对带有冷却套的主轴系统进行热特性研究，从而为 数控铣床主轴冷却系统的设计提供了理论依据n 9 1 。 ( 3 ) 热误差补偿法 1 9 8 6 年，印度学者v e n u g o p a lr 指出，尽管热能对机床精度的影响极其复杂， 但其却是显著的、可预见的，为采用热误差补偿技术控制机床热变形提供了理论 依据乜叫。 ( 4 ) 有限差分法 1 9 9 9 年美国普渡大学( p u r d u eu n i v e r s i t y ) 的b e r nb o s s m a n n s 和j a yf t u 教 授提出了一个有限差分模型来描述高速电主轴能量分布，分析了电主轴的传热机 制1 。 2 0 0 1 年，印度学者v p r a j a 等分析计算了高速主轴的轴承摩擦发热，并用有 限差分法及有限元法估算了主轴部件的温度分布心引。 ( 5 ) 热流网络法 洛阳轴承研究所的杨启威用热流网络法分析轴承系统温度场，并开发了名为 s y b t e m 的计算程序心引。 ( 6 ) 非接触式测量法 清华大学高赛、曾理江等人提出使用三路单光束干涉仪对机床主轴热误差进 行非接触式的实时测量，此实验结果表明，该方法快速、准确，测量误差可达到 9 复合加工中心赢驱转台的热特性研究 1 0 9 m 2 引。 ( 7 ) 多元回归分析和人工神经网络法 台湾的c h e n j s 等采用多元回归分析方法和人工神经网络方法进行机床热 误差建模。针对建模过程中出现的变量耦合现象，采用上述两种方法分别建立了 自动搜索算法。通过实验验证，c h e n j s 认为采用多元回归和人工神经网络等基 于经验的建模方法，可以较好地高效能实际加工时的机床热误差。将这种建模方 法应用于卧式加工中心上，使得铝加工时产生的热误差由9 2 4 p m 降至7 2 9 m 乜5 1 。 ( 8 ) 节点网络法 国家高效磨削工程技术研究中心的何晓亮采用节点网络法对电主轴轴承、主 轴、轴承座为一体的系统建立了温度场计算模型，求出了系统各关键点的温升情 况，并分析了影响轴承温升的因素心6 1 。 ( 9 ) 高斯积分法 美国的d e b r a a k r u l e w i c h 等人通过高斯积分法分析整个机床温度场，将温 度传感器作为高斯积分点，分布在预先确定的温度场中。由于可以预先确定温度 测点的数量和分布位置，所以避免了为获得机床温度场所需的大量的测量时间。 通过这种方法的热误差补偿模型可以减少9 3 9 6 的主轴热误差陋 。 本人认为根据文献提供的有关温度场的热源计算、有限元分析、机床热变形 及改善措施等研究方法可借鉴到直驱转台的热特性研究。最终为直驱转台的热特 性研究提供了理论基础。 1 4 研究目的及内容 1 4 1 研究目的 本课题是以国家科技重大专项一一动梁无滑枕立式铣车复合加工中心的直 驱转台为研究对象，从热特性方面利用有限元技术对直驱转台进行深入的理论研 究，并进行相关的实验。通过分析转台轴承发热和电机发热以及传热机制，建立 直驱转台的有限元分析模型，探寻转台温升的规律，并分析转台温升对机床精度 的影响，解决转台温升所导致的热变形问题，提出对转台温度控制的合理方案， 最终实现直驱转台的温度控制目标，从而提高直驱转台的热稳定性，保证高速机 床运行的稳定性。 1 4 2 研究内容 针对直驱转台的热特性问题，本课题的内容将分为以下几个方面： ( 1 ) 分析直驱转台的主要热源，包括转台的轴承、电机的转子定子等，并 对主要热源进行分析与计算。 ( 2 ) 分析直驱转台传热方式，包括热传导、热对流、热辐射，同时建立转 1 0 硕十学位论文 台的热学模型。 ( 3 ) 用s o l i d w o r k s 软件对直驱转台建立三维模型。 ( 4 ) 采用有限元分析软件建立转台的三维温度场分析模型，对其温度场分 布规律及热特性进行分析，找出转台热特性变化对转台精度的影响，通过热分析 找出转台的温升与热变形量之间的关系。 ( 5 ) 对影响转台热特性的主要因素进行控制的方法进行探讨，建立科学合 理的优化方案，加强转台的自身散热能力。 1 5 本章小节 本章首先阐述了本课题的来源及课题意义，介绍直接驱动技术的发展现状， 和直驱转台的特点、优势及在数控加工领域的应用前景。并针对直驱转台热特性 的研究，分析国内外研究现状、内容及进展的基础上，提出了本文的研究目的和 研究内容。 复合加t 中心直驱转台的热特性研究 第二章直驱转台结构与热特性研究基本理论 直驱转台是铣车复合加工中心的关键功能部件之一，其功能作用主要为：一 是完成进给分度运动，即在非切削时，转台运动范围内，进行分度旋转或任意分 度定位；二是实现工作台圆周方向的进给运动，即在进行切削时，与x 、y 、z 三个坐标轴联动，进行复杂曲面的加工，细分度数一般为0 0 0 1o 。直驱回转工作 台既可以由力矩电机驱动工作台实现圆周进给运动和连续分度运动，又可以由交 流伺服电动机通过滚珠丝杠带动工作台实现轴方向的直线运动。 2 1 直驱转台结构 该直驱转台由两套轴承支承。一部分是推力球轴承，另一部分是高精密圆柱 滚子轴承。推力球轴承主要承受轴向载荷。高精密圆柱滚子轴承主要承受径向载 荷。转台采用直接驱动技术，安装时电机定子通过一个铝质冷却套安装在转台的 本体上，转子装在转台的回转台上，电机转子取消了键联接，直接提供推力给执 行机构，驱动转台实现旋转运动。转台使用油一气润滑系统来对轴承进行润滑和 冷却，对电机定子则采用油冷却系统来冷却。直驱转台的结构如图2 1 所示，其 部分技术参数如表2 1 所示。 23453 - 图2 1 直驱转台结构示意图 1 电机定子2 电机转子3 一推力球轴承4 中心轴 5 高精密圆柱滚子轴承6 转台7 底座 1 2 硕士学位论文 表2 1 直驱转台部分技术参数 参数x c m l 6 0 0 回转直径( m m ) 16 0 0 额定转速( r p m ) 9 0 最大转速( r p m ) 15 0 承载( k g ) 3 0 0 0 x y z 轴定位精度( i m ) 6 x y z 轴重复定位精度( m m ) 3 转台定位精度 5 7 2 1 1 直驱电机 采用日本f a n u c 工作台内装式电机d 2 0 0 0 1 5 0 i s ，其部分技术参数如表2 2 所示。 转台电机的转子由空心轴套、叠压的硅钢片和两端的平衡环组成。每个平衡 环的圆周上均布大小相同的螺孔，可在适当的螺孔中拧入平衡螺丝，以精确地校 正轴和转子的动平衡。定子由叠压的硅钢片和两端的线缆以及铝制的冷却套组成。 冷却套外圆柱面上加工有螺旋槽，与壳体内圆柱面一起形成了冷却油管道，当转 台运行时，通入冷却油，以吸收和带走电机产生的热量。 表2 2 直驱电机部分技术参数 参数 d 2 0 0 0 1 5 0f s 额定功率( k w ) 3 4 6 最大扭矩( n m ) 4 0 0 0 额定扭矩( n m ) 2 2 0 0 额定转速( r p m ) 9 0 最大转速( r p m ) 15 0 惯量( k g m 2 ) 1 5 8 电缆长度( m )12 2 1 2 转台轴承 本课题所选用的轴承型号为德国f a g 的5 l16 8 m p 推力球轴承和 n n 3 0 4 8 a s k m s p 高精密圆柱滚子轴承。其部分技术参数如表2 3 所示。 复合加11 2 中心直驱转台的热特性研究 表2 3 轴承的部分技术参数 参数 5 1 1 6 8 m pn n 3 0 4 8 a s k m s p 轴承内径d ( m m ) 3 4 02 4 0 轴承外径d ( m m )4 2 03 6 0 轴承宽度b ( r a m )6 4 9 2 基本额定动载荷c 。( n ) 3 8 0 0 0 08 5 0 0 0 0 基本额定静载荷c o 口 ( n )1 8 0 0 0 0 01 5 6 0 0 0 0 疲劳极限载荷c 。 ( n )4 9 0 0 01 9 9 0 0 0 滚动体直径d b ( m m ) 2 3 8 1 32 2 2 2 5 滚动体数目z 2 06 4 润滑方式油一气润滑油一气润滑 弹性模量e ( n m 2 ) 2 1 9 x1 0 1 12 1 9 x 1 0 1 1 密度p ( k g m 3 ) 7 8 3 07 8 3 0 泊松比y0 3 0 3 轴承在工作时承受着极大的压力和摩擦力，轴承的套圈和滚动体要反复承受 高接触压力，并伴随有滑动的滚动接触，因此，对轴承的套圈、滚动体及保持架 的材料及性能的要求就很高，所以要求轴承钢具有高而均匀的硬度、耐磨性好、 淬透性好、弹性极限高、滚动疲劳强度高、抗冲击负荷的韧性好、加工性好、具 有一定的抗腐蚀性能，同时轴承钢的使用寿命长、尺寸稳定性好，并且保持高精 度旋转、价格比较便宜，适用于工作温度小于2 0 0 的套圈和滚动体。 2 1 3 轴承的油一气润滑系统 轴承的润滑主要是为了降低摩擦阻力和减轻磨损，保证轴承正常运转。合理 的润滑对提高轴承的性能、延长轴承的寿命有重要的意义。轴承润滑方式的选择 与轴承转速、负荷、许用温升及轴承类型有关，一般根据速度因数锄值选择。其 中，d 为轴承中径，刀为工作转速。本课题采用油一气润滑系统来解决转台轴承 的润滑与冷却问题。油一气润滑系统的基本原理是，利用具有一定压力的压缩空 气和由定量分配器每隔一定时间( 1 - 6 0 m i n ) 由定量柱塞分配器定量输出微量润 滑油( 0 0 1 0 0 6 m l ) 与压缩空气管道中的压缩空气( 压力为0 3 0 5 m p ) 在一定长 度的管道中混合后，通过压缩空气在管道中的流动，带动润滑油沿管道内壁不断 地流动，把油气混合物输送到安装于轴承近处的喷嘴，经喷嘴射向内圈和滚动体 的接触点实现润滑和冷却，达到“最佳供油量”和“压缩空气进行冷却 的效果。 油一气润滑供给轴承的润滑油是未被雾化，而是成滴状进