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2017年5月19日

數(shù)控機(jī)床熱特性分析技術(shù) - 加工中心

精工機(jī)床熱特性分析技術(shù)是實(shí)現(xiàn)機(jī)床熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。精工機(jī)床熱特性分析通常采用實(shí)驗(yàn)研究方法和數(shù)值模擬法。實(shí)驗(yàn)研究方法一般用紅外熱像儀、熱電偶、激光干涉儀和微位移傳感器等精密測量儀器，進(jìn)行機(jī)床空運(yùn)轉(zhuǎn)綜合實(shí)驗(yàn)、分離熱源實(shí)驗(yàn)和磨削試驗(yàn)確定主要熱源，并測量各內(nèi)熱源作用下精工機(jī)床各部件的溫升、溫度場變化、熱變形和達(dá)到熱平衡的時(shí)間。因?yàn)闄C(jī)床熱誤差并不是僅僅和機(jī)床某一點(diǎn)的溫度變化呈現(xiàn)性對(duì)應(yīng)關(guān)系，而是受到各熱源的綜合作用，并和機(jī)床的整體溫度變化有關(guān)，因此，必須在機(jī)床上布置多個(gè)測點(diǎn)，并通過數(shù)據(jù)處理分析找到和熱變形相關(guān)性好的重要測點(diǎn)，即熱關(guān)鍵點(diǎn)。如何選擇最少的傳感器和******測量位置，并能******程度地和機(jī)床的熱變形誤差相對(duì)應(yīng)呢？通常采用兩種實(shí)驗(yàn)方法來確定機(jī)床的熱關(guān)鍵點(diǎn)，一是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算熱變形量與各測量位置溫度變化之間的相關(guān)系數(shù)，去掉相關(guān)系數(shù)小的點(diǎn)；二是分析溫度變化曲線，剔除提供重復(fù)信息和處于不敏感位置的測溫點(diǎn)。機(jī)床各發(fā)熱部件從開始工作到達(dá)熱平衡是一個(gè)溫升過程，熱學(xué)理論一般將溫升過程用指數(shù)函數(shù)描述。無錫內(nèi)圓磨床研究所管仁偉等采用回歸分析方法得到了機(jī)床溫升與時(shí)間的方程，用此方程可近似求出機(jī)床部件******溫度、機(jī)床溫升和熱平衡時(shí)間等機(jī)床熱態(tài)特性評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)法通常需要花費(fèi)大量的時(shí)間與經(jīng)費(fèi)，而且受實(shí)驗(yàn)條件限制，還往往難以獲得全面的熱誤差信息。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法越來越多地被用于精工機(jī)床熱誤差的分析。有限元仿真和熱網(wǎng)絡(luò)法是目前主要的精工機(jī)床熱特性數(shù)值模擬分析方法。有限元熱特性分析的關(guān)鍵所在是建立精確地模型。建立有限元模型包括3各重要內(nèi)容，即妥善的網(wǎng)絡(luò)劃分、恰當(dāng)?shù)膯卧x擇和邊界條件的正確施加。然而有限元建模過程中的不確定因素對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果的影響很大。如有限元建模過程中存在的離散誤差（單元形式、網(wǎng)格劃分）、形狀誤差（模型結(jié)構(gòu)簡化等）、參數(shù)誤差（載荷誤差、物理參數(shù)等）等，特別是有限元邊界條件參數(shù)的設(shè)定往往與實(shí)際不相符，導(dǎo)致機(jī)床的熱特性分析結(jié)果與實(shí)際結(jié)果存在一定的誤差。為了降低機(jī)床有限元分析的誤差，將實(shí)驗(yàn)方法與有限元分析方法相結(jié)合，可有效提高精工機(jī)床熱特性分析精度。如有學(xué)者應(yīng)用響應(yīng)面法構(gòu)造電主軸系統(tǒng)的對(duì)流換熱系數(shù)與測點(diǎn)溫度之間的隱性關(guān)系，以實(shí)驗(yàn)測得的溫度與測點(diǎn)溫度計(jì)算值的誤差作為尋優(yōu)函數(shù)，最終優(yōu)化各對(duì)流換熱系數(shù)。經(jīng)修正后的邊界條件能使得到的溫度場結(jié)果誤差大大減小，與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的精工機(jī)床有限元仿真能使所建立的模型更加精確。此外，結(jié)合面問題是有限元分析的難點(diǎn)。國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在接觸熱問題上做了很多研究，主要從接觸表面形貌和彈塑性接觸機(jī)理入手，結(jié)合分形理論和統(tǒng)計(jì)推理技術(shù)等建立合適的熱接觸分析模型，利用建立的模型計(jì)算結(jié)合面的接觸熱阻，或者采用實(shí)驗(yàn)手段測定實(shí)際的接觸熱阻。結(jié)合面接觸熱阻影響因素包括接觸體材料類型、結(jié)合面壓力、表面加工質(zhì)量和介質(zhì)類型等。目前，對(duì)機(jī)床的主軸或電主軸系統(tǒng)、滾珠絲杠系統(tǒng)以及工件裝配部分的有限元數(shù)值模擬均考慮了接觸熱阻的影響，進(jìn)而為機(jī)床整機(jī)精確分析提供了條件。雖然有限元法具有邊界適應(yīng)性好、計(jì)算準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，但計(jì)算過程復(fù)雜，適合于理論研究及需要對(duì)溫度場詳細(xì)了解的場合。熱網(wǎng)絡(luò)法是一種基于熱電比擬原理的集中參數(shù)數(shù)值分析方法，又稱熱阻熱容法。相對(duì)于有限元法，熱網(wǎng)絡(luò)分析法的優(yōu)點(diǎn)是物理意義清晰，劃分的節(jié)點(diǎn)能夠反映物理模型的本質(zhì)，并能根據(jù)物理模型節(jié)點(diǎn)溫度的變化率確定其溫度變化趨勢，其網(wǎng)格劃分簡單，易被工程技術(shù)人員掌握。采用熱網(wǎng)絡(luò)計(jì)算復(fù)雜大系統(tǒng)的傳熱問題，具有簡單可行、邊界條件易于處理等優(yōu)點(diǎn)。尤其是對(duì)于包含潤滑冷卻液、油氣混合物、固體結(jié)構(gòu)件等多相傳熱介質(zhì)的復(fù)雜系統(tǒng)熱分析以及薄壁介質(zhì)問題的處理而言，熱網(wǎng)絡(luò)法要優(yōu)于有限元法。運(yùn)用熱網(wǎng)絡(luò)法可以方便、快捷地實(shí)現(xiàn)機(jī)床系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)，量化分析改變材料類型、結(jié)構(gòu)尺寸和接觸狀況對(duì)機(jī)床溫度場的影響。采用熱網(wǎng)絡(luò)法對(duì)機(jī)床熱關(guān)鍵部件，如主軸系統(tǒng)、立柱、軸承等展開熱特性研究是機(jī)床熱特性分析的又一個(gè)重要手段。