数控机床主轴系统热误差分析与补偿技术研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 4MB 68 页 15积分

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摘要

热误差是影响数控机床精度最重要的因素之一。主轴系统作为数控机床的关

键零部件，其热变形误差又是引起机床热变形误差的重要因素，因此主轴系统精

度的高低在很大程度上决定了数控机床的加工精度。本文以此为研究背景，利用

有限元分析方法，同时结合实验结果，对数控机床主轴系统的热特性进行了分析

与设计，并对主轴系统产生的热误差进行实时补偿。

首先基于有限元法对主轴系统进行三维温度场建模和详细的热特性分析，计

算出热--力结构耦合条件下主轴系统在加工过程中达到热平衡时的温度场分布及

热变形大小，结果包含了主轴系统的力学和热学性能。

采用 SK7520/H 数控万能螺纹磨床作为研究对象，完成数控机床主轴系统的温

度与热误差测量实验。基于信息论原理，本文提出一种最优测温点的选择方法，

详细阐述了互信息量在最优测温点选择中的原理和应用。同时结合多元线性回归

法，进行主轴系统热误差建模。

对比实验结果和有限元分析方法，本文对有限元分析方法的有效性进行验证。

同时结合正交有限元法和单因素优选法，对主轴系统的有限元模型进行修正，使

得其有限元分析结果在最大程度上接近实际主轴热变形情况。

通过对西门子 840D 数控系统二次开发建立实时通信系统，设计了主轴系统热

误差补偿软件，研究完成了该补偿软件与数控系统的数据交换，实现了在加工过

程中，实时补偿主轴系统热误差。

最后优化主轴系统结构。重点考察了箱体散热筋板布置与尺寸对主轴系统热

变形的影响，结合实际主轴系统的安装结构与装配空间，完成结构优化。优化后

的主轴具有更好的热特性。

关键词：主轴系统最优测温点正交有限元法 840D 二次开发

结构优化

ABSTRACT

Thermal error is one of the most important factors to affect the precision of CNC

machine tools. The thermal deformation of the spindle system which as the key

component of the machine tools is the main reason causing the machine tools thermal

deformation. Therefore, the CNC machine tools’ precision is determined by that of the

spindle system. Based on this research background, the thermal characteristics of

spindle system are analyzed and designed with the combination of the finite element

method and experiment, and then the real-time thermal error compensation of the

spindle system is presented.

First of all, the three-dimensional thermal model of the spindle system is built and

the thermal characteristics are fully analyzed with FEM, the temperature filed and the

thermal deformation are calculated based on the thermal-structure coupling, and the

mechanical and thermal properties of the spindle system are gained along with.

The temperature and thermal displacement of the CNC thread grinding machine

tools are measured. Based on the information theory principles and mutual information,

this paper presents a new optimal method for choosing the temperature measurement

points. And the same time, the thermal deformation model of the spindle system is built

up using the multiple linear regression method.

Experiment result and finite element method are compared, to valid the FEM

modeling method. Then the spindle model is modified according to the orthogonal finite

element method and the single factor optimization method, making the output of the

FEM close to the actual thermal deformation of the spindle system to the max extend.

A thermal error compensation software is developed using the secondary

development tool of Siemens 840D numerical control system, the data exchanging

between the software and NC system is set up to realize the real-time compensation for

spindle system during the processing.

Finally, the structure of the spindle system is optimized. The arrangements and the

dimensions of the rid plate are researched; combined with the assembly structure and

spacing, after the optimization, the spindle system has better thermal characteristics.

Key Words: spindle system, optimal temperature measurement points,

orthogonal finite element method, 840D development,

structure optimization

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论.............................................................................................................1

§1.1 课题的背景及意义....................................................................................1

§1.2 主轴系统热变形分析国内外研究现状....................................................1

§1.3 本文研究的内容及论文结构...................................................................3

第二章机床主轴系统热特性分析.........................................................................4

§2.1 温度场问题的有限单元法.......................................................................4

§2.1.1 热传递基本方式................................................................................4

§2.1.2 温度场导热微分方程........................................................................5

§2.1.3 导热过程的边界条件........................................................................7

§2.2 机床主轴系统热源和发热量计算...........................................................8

§2.2.1 机床主轴系统的热源........................................................................8

§2.2.2 主轴系统轴承发热量的计算............................................................8

§2.3 机床主轴系统温度场分析.......................................................................9

§2.3.1 主轴系统有限元分析模型的建立....................................................9

§2.3.2 主轴系统边界条件的确定..............................................................10

§2.3.3 主轴系统温度场分析结果..............................................................11

§2.4 机床主轴系统热变形分析.....................................................................13

§2.4.1 主轴系统热变形衡量标准..............................................................13

§2.4.2 主轴系统热变形分析......................................................................14

第三章机床主轴系统热变形测量及热误差分析...............................................17

§3.1 机床主轴系统的热误差测量.................................................................17

§3.1.1 实验目的..........................................................................................17

§3.1.2 实验对象和实验设备......................................................................17

§3.1.3 实验过程..........................................................................................18

§3.2 机床主轴系统热误差补偿模型的建立.................................................20

§3.2.1 基于信息论的热误差敏感点选择方法..........................................21

§3.2.1.1 信息熵及互信息原理...............................................................21

§3.2.1.2 热误差敏感点确定方法...........................................................23

§3.2.1.3 热误差敏感点选择...................................................................25

§3.2.2 基于多元线性回归的热误差补偿模型建立..................................25

§3.2.2.1 多元线性回归法.......................................................................25

§3.2.2.2 回归模型的假设检验...............................................................27

§3.2.2.3 热误差补偿模型建立...............................................................29

§3.2.2.4 热误差回归模型的显著性检验...............................................30

§3.3 本章小结.................................................................................................31

第四章主轴系统有限元分析方法的有效性研究...............................................32

§4.1 基于有限元分析的互信息计算..............................................................32

§4.2 主轴系统热误差模型影响因素分析......................................................34

§4.3 基于正交试验的主轴系统有限元分析..................................................35

§4.3.1 正交试验设计原理...........................................................................35

§4.3.2 正交有限元分析方法.......................................................................36

§4.3.3 机床主轴系统正交有限元分析.......................................................37

§4.3.3.1 正交有限元分析方案................................................................37

§4.3.3.2 主轴系统正交有限元分析结果...............................................37

§4.3.3.3 主轴系统正交有限元试验极差分析.......................................39

§4.4 机床主轴系统有限元有效模型的建立.................................................41

§4.4.1 修正后主轴系统的有限元分析.......................................................41

§4.4.2 修正后主轴系统模型的有效性验证...............................................42

§4.5 本章小结..................................................................................................43

第五章主轴热误差补偿技术研究及主轴结构优化...........................................44

§5.1 热误差补偿方法研究.............................................................................44

§5.2 机床主轴系统热误差补偿的程序实现.................................................45

§5.2.1 数控系统的开放性研究...................................................................45

§5.2.2 热误差补偿系统开发工具..............................................................47

§5.2.2 热误差补偿系统的程序实现..........................................................48

§5.3 基于热-力耦合的机床主轴系统结构优化........................................... 49

§5.3.1 主轴系统散热筋板布局设计与优化..............................................50

§5.3.2 结构优化后主轴系统有限元计算..................................................52

§ 5.4 本章小结................................................................................................54

第六章结论与展望...............................................................................................55

§ 6.1 总结........................................................................................................55

§ 6.2 展望........................................................................................................55

参考文献.................................................................................................................57

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.....................................61

致谢.....................................................................................................................62

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摘要：

摘要热误差是影响数控机床精度最重要的因素之一。主轴系统作为数控机床的关键零部件，其热变形误差又是引起机床热变形误差的重要因素，因此主轴系统精度的高低在很大程度上决定了数控机床的加工精度。本文以此为研究背景，利用有限元分析方法，同时结合实验结果，对数控机床主轴系统的热特性进行了分析与设计，并对主轴系统产生的热误差进行实时补偿。首先基于有限元法对主轴系统进行三维温度场建模和详细的热特性分析，计算出热--力结构耦合条件下主轴系统在加工过程中达到热平衡时的温度场分布及热变形大小，结果包含了主轴系统的力学和热学性能。采用SK7520/H数控万能螺纹磨床作为研究对象，完成数控机床主轴系统的温度与热误差测量...

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