JX054万能外圆磨床液压传动系统综述

1、吉林化工学院本科毕业设计文献综述-9 -车削中心主轴箱热误差仿真及特性分析摘要：以主轴箱为主要研究对象，研究车削中心的热误差特性。采用有限元法仿真计 算了车削中心主轴箱的瞬态温度场分布，分析了主轴箱的传热特点；利用热结构耦合 技术仿真计算了主轴箱的瞬态热变形情况，对其热变形特点进行了解释；对车削中心 的主要热误差组件相对于刀具位置变化的关系进行了理论分析；通过试验验证了仿真计算与热误差特性分析的准确性。关键词：热误差特性；车削中心；有限元法；主轴箱1车削中心温度场及热误差仿真引起机床热误差的直接原因是机床各部位的受热变形 ，而机床内部温度场发生 变化又是机床受热变形的唯一决定性因素，因此,研究

2、机床的热误差特性必须首先研 究机床的温度场变化。1.1 瞬态温度场仿真计算1.1.1热源强度计算机床温度场反映了机床各处的温度分布情况，由于热源的作用，致使机床的温度场经常处于变化当中，尤其是刚开机到机床达到热平衡这段时间。对机床温度场有影 响的热源很多，包括机床内部发热和环境温度变化（如空气温度、日光照射、人体散 热及其他各种能散发出热量的物质 ），但对于精密加工来说，一般环境温度都可得到 有效的控制，如使用空调调温、加防辐射罩等，因此机床内部发热成为导致机床热变 形的最主要原因。机床内热源主要有电动机发热、导轨摩擦、制动器摩擦、齿轮传 动、轴承运转以及冷却液、润滑油和切削过程产生的热。现代

3、数控机床普遍采用电 动机直接调速，不再使用齿轮箱进行变速，电动机一般通过皮带轮连接，这样电机发 热及齿轮箱发热对机床变形的影响就变得微乎其微了。另外，导轨及工作台传动机构的速度都很低，发热也不多。主轴轴承转速高、发热量大，且机床主轴本身没有循环 冷却系统，因此主轴箱发热直接影响主轴系统的热特性，成为机床热变形的最主要热 源,其计算公式为9550(I)式中,N为单位时间发热量，kW;M为摩擦力矩,N m,n为主轴转速，r/min 。在滚动轴承中，摩擦力矩M可分为由负荷引起的摩擦力矩 M1和由速度引起的摩 擦力矩M0两类,M1反映了弹性滞后和局部差动滑动的摩擦损耗,而M0则反映了润滑 剂的流体动力

4、损耗，两者之和即为总摩擦力矩：M=阿+闵(2)轴承的摩擦力矩是相当离散的，相同型号的轴承，摩擦力矩不一定相同，即使同 一套轴承，随着运转时间的变化，摩擦力矩也会产生变化。计算得出的摩擦力矩只是 在正常条件下的近似值。通常采用Palmgren提出的算法，由速度引起的摩擦力矩计算如下：f 1O-7/o<u»)2/3u»> 2000X ICT6丄= <(3)p6()xmW 20()0 X式中,dm为轴承中径，mm;f0为与轴承类型和润滑方式有关的经验常数；u为在工 作温度下润滑剂的运动黏度，m2/s。由负荷引起的摩擦力矩可由下式计算：谄=力鬥血(4)式中,f1为

5、与轴承类型和所受负荷有关的系数;P1为确定轴承摩擦力矩的计算负 荷,N。式(4)中所有系数都可在手册中查到。求得总摩擦力矩后，由式(1)可求得总发热功率2-5。1.2 数控车床热变形误差仿真计算机床热变形的程度及趋势由两种因素决定一是机床结构的温度场分布的变化；另一个是机床的位移边界条件。 机床温度场变化已由上面计算得到，对于位移边界条 件,机床安装好后，主轴箱底部安装面是固定的，其余部位均是自由无约束的，并且由 于底部离热源较远，温度升高不大，引起的热变形可忽略，因此，它的位移边界条件可 设为机床的安装面位移为零。2各项热误差计算和刀具位置对热误差变化的影响分析由于车削加工中心进给系统速度较

6、慢，发热量较低，因此热误差主要是由主轴箱 及主轴的热变形引起的，通常分为轴向伸长、径向变化及两个方向的转角误差。这些 误差都是通过机床主轴的中心线的位置及转角变化来反映的，并由主轴箱和主轴的热变形进行合成。计算表明,水平面内转角误差最大为4.187 X 10-6( °),包含主轴轴 线的垂直面内转角最大为 1.3 X 10-5( ° ),几乎为零,这说明车削中心主轴箱的热对 称性较好。因此，影响加工误差的主要因素是主轴轴向热位移及径向热位移。既然热 误差是由刀尖到加工位置之间的位移变化决定的，那么刀具在车削中心上的位置必将影响产生热误差的大小 冋。2.1整体结构方案产品x,

7、 z, c三轴联动，全闭环控制主传动采用德国西门子 (SIEMENS公司生产 的电主轴，将机床主轴与主轴电动机融为一体的新技术，主轴电动机矢量控制交流 伺服控制，分度定位精度高，在全部转速范围内具有更大的扭矩和更高的功率，快 速启动停止，使主轴具备连续分度和准停功能采用SIEMEN数控系统两拖板采用交流伺服电动机与滚珠丝杆驱动，两轴丝杠均预加负荷；采用A211号主轴，精密主轴组经精确动平衡，精度高刚性好；主轴轴承采用进口成组预加负荷高速球轴承，内填 进口长效润滑脂，10年不需更换；主轴箱采用热对称结构，主轴受热时轴线不会发生偏移，同时采用循环冷却方式将由于电主轴产生的热 量带走;液压动力夹紧装

8、置；整体铸造床身底座，后置倾斜；采用线性滚动导轨，具有 较好的动态特性；后置进口 12工位刀架可配各种动力刀具，可完成径向偏心孔平面 的钻铣等功能；机床采用模块化设计，可配置带 B轴的动力刀架，实现真正意义上的 铣削功能10；液压动力尾座该机床能对零件的内外圆端面进行车削加工，还可以加工各种螺 纹，钻铰镗孔以及径向偏心孔平面的钻铣等既适用于盘类零件加工，也适用于轴类 零件加工，尤其适用于形状复杂精度高多工序品种多变的单件或批量产该机床可广 泛应用于航空航天船舶汽车发电设备精密模具军工等行业电主轴系统热平衡。2.1.1整机热变形控制和补偿技术1) 建立机床整机热平衡温度场模型，研究机床主要发热部

9、件引起的热应力变化 对加工精度的影响程度，提出控制及补偿策略1一换纵台；2机呆罩壳;3丿J架;4一导软防护；5一 /轴传动冶一卜孚拖板.：7电柜；$洩压：9主辘箱;】（】一夹紧装置:H 移动罩；12床身底座:口一尾架：14冷却水箱；出一排眉器图12）以主轴部件稳态热分析的温度场为依据，在箱体上合理布置散热筋，以达到散热均匀，减小主轴的热变形3）对整机的温度场进行分析，对关键部位，如电主轴进行温度控制，保持22 C± 2C,减少因高速产生的热变形对机床精度的影响4）采用油雾润滑方式对主轴轴承强制冷却润滑2.1.2开展可靠性增长研究1）对关键技术从理论分析入手，分析机床精度保持与动态性能

10、振动热变形的关 系2）对关键基础件通过试验，掌握使用寿命与承载能力的关系3）与国内主要功能部件生产厂家合作研究，选用高可靠性高品质的配套件4）通过可靠性工艺设计，对机床零部件加工品质机床装配品质检测技术和配套 件品质进行控制和规范2.1.3主要技术创新点研究1）运用有限元分析技术进行机床模态分析温度场分析及优化设计，机床整机具 有足够的刚性及防振性，同时对温度补偿提出策略2）c轴阻尼制动控制技术，联动铣削时处于阻尼状态，定位铣削时处于制动状态， 保证铣削的平稳性3）采用带阻尼制动重载直线滚柱导轨，具有较好的动态特性，提高伺服系统传 动装置的精度4）主轴轴承采用成组预加负荷高速球轴承，精密主轴组

11、经精确动平衡，能实现 主轴高速回转，高精度及高刚性5）主传动采用内藏电动机式主轴，通过高精度反馈元件实现闭环控制。6）主轴箱采用热对称结构，主轴受热时轴线不会发生偏移；电主轴采用强制冷却，温度控制 22 °C± 2°C11-13。3数控车削中心误差识别及软件补偿3.1数控机床系统误差的软件补偿原理数控机床的基本功能是按照数控加工程序，使切削刀具与被切削工件之间实现 准确的定位和相对运动.因此只要测量出理想指令与实际指令的运动之间的误差，就 可把误差只反向叠加到数控系统的插补指令上，使误差部分抵消，实现误差的补偿. 数控机床各驱动轴的运动是靠数控系统对位置环的控制来

12、实现的，如图2所示.图中的位置调节器可由软件来实现，称为软件位控。354系统误差模型的建立大部分机床都可看成由连杆（滑块）和连接连杆的运动副组成.数控机床的系统 误差模型就是刀具相对工件在机床的工作空间内的总误差与机床各组件运动误差之 间的关系.误差模型的建立是误差补偿的关键环节，模型的形式和准确性直接影响误差补偿的速度和效果。误差模型的形式决定于误差的测量方法.数控机床的工作空间是一个连续的三 维立体空间，要直接测量出机床在整个工作空间中各点的误差矢量，工作量十分庞大为了简化误差测量工作，比较好的方法是将车床简化为一定物理模型，按此模型导出 机床运动误差与各项原始误差之间的关系后，就可按导出

13、的关系方程进行误差预报 补偿。误差的综合模型通常是在刚体运动前提下，基于坐标变换的方法推导出的.通过比较刀具位置和工件位置 （包括误差）,可得工件误差矢量，空间误差模型的形式 为：式中 Wyx-导轨沿x轴运动时在y方向上的平动误差Xyx-导轨沿x轴运动时在y方向上的转动误差Syz-和轴之间的垂直度误差4.1机床运动的通用模型为了简化误差补偿工作，希望机床的模型尽可能的简单，为此常把机床假设为刚 体模型根据机床的实际工作特点，任意的机床的结构都由一个封闭的运动链组成 在切削点处分为两个开环.从机座开始，在一个开环的末端支撑刀具，在另一个末端 支撑工件这样机床刀具相对于工件的运动就可用多刚体之间的

14、位姿关系来表示。设空间有两组刚体如图3所示,A1、A2An图3多刚体之间的位姿关系A1' , A2' An'.在每一刚体上选一基点 01, 02 On;01', 02' On'.过 各基点分别置一坐标系 S1、S2、Sn;S1' , S2' Sn'.再在空间中选一参考坐标系 S0,分别求出相邻坐标系间位姿转换关系矩阵：由于坐标间的关系是串联的面的连乘积求得：,故刚体An An'相对于S0的位姿矩阵TOn、TOn'可按下或=7T1卅U ft曲育帯'丫这种连乘关系称为链式关系,也叫做位姿矩阵方程式。利用

15、该方程，就可以求出任一未知矩阵。5,64.2 数控车削中心误差模型的建立以华中I型数控车削中心为例，如图4所示。图4数控车床各坐标系的建立有X轴和Z轴两个运动轴,Z轴移动大拖板左右运动,X轴移动小拖板前后运动. 为了计算刀尖和工件之间的误差，必须首先建立一系列的坐标系.参考坐标系为So,设 在机床床身上，为固定坐标系；坐标系有S、S,分别设在大拖板和小拖板上，坐标系为 S'设在主轴上.首先把刀尖位置在小拖板坐标系 S2上，再转换到大拖板坐标系S中, 最后转到机床床身(固定)坐标系So中,则相对于参考系So的刀尖位置为：To= fi fir同理,可以把工件切削点的位置表达在主轴坐标系S&

16、#39;,然后转换到机床床身坐标系So中，有：(堆+ -1附)3= 浮(胪十甲)因为刀尖点T0与加工点(W+A W)0为重合的同一点，所以有：flizTi = rLr(jr+代入具体的转换矩阵、位置坐标、误差元素等，整理后得：+ ''汁(丁,)入工+ 0 ict+7x ) 丨 0吐-(?l OrF Ol:+ 7'rl- Z) Prt他* 理+W,+ ("+ G 每+ (O呱 + (?2Lx+7j - (<?IOr - O】0r+ C?2lr+ 7+ X) P=-式中 X、Z拖板移动距离或位置坐标；Ouvw坐标系u与坐标系u在y方向上的距离；WX、Wx轴和

17、z轴的线性位移误差；W、Wz轴和x轴的直线度误差，第1个下标为误差方向，第2个下标为拖板运 动方向；Xyz、XyxZ轴和X轴的转角误差,第1个下标表示误差轴，第2个下标为拖板运动 方向；SxzX轴与z轴的垂直度误差；Pzs主轴与Z轴之间的垂直度误差13旳。参考文献：1 杨建国,任永强.数控机床热误差补偿模型在线修正方法研究J.机械工程 报,2003,39(3) :81-84.2 李永祥，杨建国.灰色系统模型在机床热误差建模中的应用J.中国机械工 程,2006,17(23):2439-2442.3 Ya ngHon g,NiJ un .D yn amicNeuralNetworkModeli n

18、gforN on li near,N on statio naryMachi neToolThermallyl nducedErrorJ.I nternatio nalJournal4 中国机械工业标准汇编.平衡和平衡机篇M . GB/T42012006/IS02953:1999.5 张正松，等.旋转机械振动监测及故障诊断M .北京:机械工业出版社，1991刘又午,刘丽冰,赵小松,等.数控机床误差补偿技术研究J.中国机械工 程,1998,9(12):48-52.7 袁景侠，倪 军.精密加工的计算机提高精度技术J.机械与电子,1998,(6):22-26.8 Zha ngG,VealeR,Cha

19、rlton T,etal.ErrorCompe nsa-tio no fCoordi nateMeasuri ngMachi neJ.Ann alsoftheCIRP,1985,34(1):445-448.9 高档数控机床与基础制造装备，科技重大专项课题任务合同书，大规格精密数控车床和车削中心系列化产品研究与应用.南京数控机床有限公司，2010.10 国家标准机床主轴端部与花盘互换性尺寸.中国标准出版社，2009.11 EIDENHAIN角度编码器.海德汉(中国)有限公司，2003.12 FAG滚动轴承.FAG中国有限公司，2002.13 同飞制冷综合样本.同飞制冷设备有限公司，2011.14

20、 刘又午,刘丽冰,赵小松,等.数控机床误差补偿技术研究J.中国机械工程,1998,9(12):48-52.15 袁景侠，倪 军.精密加工的计算机提高精度技术J.机械与电子,1998,(6):22-26.16 Zha ngG,VealeR,Charlto nTetal.ErrorCompe nsatio no fCoordi nateMeasuri ngMachi neJ.Ann alsoftheCIRP,1985,34(1):445-448.Turning Center headstock thermal error simulation and characterizationAbstract: This paper aims at study ing the thermal deformati on characteristics o f a CNC turni ngcenter spindle box and further the change rule of the thermal error components which serves as thest rong suppor t for the f