龙门加工中心的热误差分析及神经网络建模

摘要

我国现代加工制造业正发生着突飞猛进的进步，数控机床、加工中心在其中起到了推进助力的作用，让制造技术有了质的飞跃。数控机床已经成为衡量国强技先的标尺。随着发展，人们对数控机床提出了新的要求。高效率、高精度、高集成、高智能、柔性化、并联驱动化、网络化、绿色化加工技术已经成为二十一世纪数控机床的发展趋势。数控机床在加工的过程中，轴承、电机、导轨等会产生一定的热量，这些热量造成数控机床部分零部件产生热线位移或热角位移，即热变形。数控机床的热变形从而降低了加工精度，被加工件的这种误差就是热误差。通过查阅、计算等途径了解到，热误差对数控机床加工精度影响极大，甚至对被加工件有破坏性作用，在数控机床的所有误差中所占比重最大，有的高达一半以上。所以，有效合理的控制数控机床的热误差已经成为提高加工精度的重中之重。由此，不由得问我们如何提高？该采取哪些措施？本论文针对某型号龙门加工中心，利用热误差补偿的相关理论和方法对其热误差进行了分析和预测。本课题进行了以下工作：
　　 1.了解了国内外的研究现状，并提出目前存在的主要问题。
　　 2.阐述了ANSYS热分析的基本理论，包括：热传导、稳态瞬态传热、ANSYS软件的热分析过程、制定了数控加工中心的分析过程。
　　 3.对龙门加工中心主轴系统的热特性进行分析，对机床主轴温度场的变化及热变形作出预测，建立热误差的预测模型。
　　 4.针对数控机床热误差补偿领域中亟待解决的问题，进行了比较深入的理论研究，以便进一步提高数控机床的加工精度。在本研究中，应用神经网络理论建立了数控机床热误差补偿模型；数控机床热误差补偿的神经网络模型的建立是本研究的重点，基于BP神经网络的优良特性，建立了数控机床热误差补偿神经网络模型，利用试验检测出来的数据对该模型的结构性能进行检验和预报。
　　 总述：本论文整体分了五章，分别详细的做了分析研究，本着提高数控加工中心的加工精度为目的，从目前问题，基本理论知识，通过ANSYS热分析，BP神经网络建模，建立了合理有效的分析模型。通过上述的工作，降低了机床的热误差，同时保证了被加工件的加工精度。本研究有重要的实际意义。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 数控机床热误差补偿主要研究内容

1.2.1 数控机床的误差源

1.2.2 导致数控机床热变形的三种热源

1.2.3 三种措施改善机床热变形

1.2.4 热误差建模

1.2.5 热误差补偿控制系统及实施

1.3 热误差补偿的研究现状

1.3.1 补偿龙门加工中心热误差的过程

1.3.2 热误差建模方法

1.4 目前存在的主要问题

1.5 本文研究的主要内容

第二章 ANSYS热分析基本理论

序言

2.1 热传导基本理论

2.1.1 热力学第一定律

2.1.2 傅里叶导热定律(导热基本定律)

2.1.3 三种基本热传递方式

2.2 稳态热分析和瞬态热分析

2.2.1 稳态传热

2.2.2 瞬态传热

2.2.3 稳态热分析

2.2.4 瞬态热分析

2.2.5 耦合分析

2.3 热弹性基本理论

2.4 热弹性的有限元理论

2.5 有限单元法的基本理论

2.5.1 基本假设

2.5.2 基本方程

2.6 有限元软件ANSYS的简介

2.7 基于ANSYS的龙门加工中心主轴系统热分析过程

2.8 本章小结

第三章 数控龙门加工中心主轴系统热特性分析

序言

3.1 机床主轴系统的轴承发热研究

3.2 龙门加工中心的热源分伽及计算

3.2.1 龙门加工中心主轴系统热特性

3.2.2 主轴轴承摩擦种类

3.2.3 轴承发热强度计算

3.3 主轴系统温度场建模

3.4 主轴系统温度场分析

3.4.1 边界条件计算

3.4.2 计算努谢尔特数Nu的准则方程

3.4.3 轴承温升影响因素分析

3.5 主轴系统热变形

3.5.1 主轴系统热变形检验标准

3.5.2 主轴系统热变形分析

3.5.3 评价主轴系统的热特性

3.6 本章小结

第四章 龙门加工中心热误差的神经网络建模

序言

4.1 神经网络的基本理论

4.1.1 神经网络简介

4.1.2 神经网络分类

4.1.3 神经元的基本模型

4.1.4 神经网络的基本结构

4.1.5 神经网络的特点及优点

4.2 神经网络的学习方法

4.3 BP神经网络

4.3.1 BP网络的数学模型

4.3.2 BP网络的学习算法

4.3.3 BP网络的局限性

4.3.4 BP网络设计的基本方法

4.3.5初始权值及期望误差的选取

4.4 龙门加工中心主轴系统的神经网络建模

4.4.1 建立BP神经网络的数学模型

4.5 模型的实现流程图

4.6 基于BP神经网络热误差补偿建模

4.7 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表学术论文