精密数控磨齿机热特性建模分析和结构优化研究

摘要

精密数控磨齿机是加工精密齿轮的工作“母机”，对于一个国家的工业化水平有着战略性意义。目前，国产数控磨齿机几何精度已经相对较高，热诱导误差成为了制约国产数控磨齿机加工精度提升与稳定性提升的主要影响因素，研究数控磨齿机热误差产生机理与热变形机制有非常重要的战略性意义。在设计阶段通过合理优化机床拓扑结构，合理布置床身冷却流道以及冷却策略，最终实现数控磨齿机端加工误差的抑制；同时，展开数控机床热误差测量、建模和预测技术的研究以提高机床加工精度与精度稳定性。论文的主要工作如下。 详细分析了磨齿机内部关键热源的生热机理与旋转工作台部件的热耗散机制。基于角接触球轴承拟静力学分析方法，构建了包括几何相容法与滚动体和内外套圈载荷平衡方程在内的角接触球轴承生热平衡模型，采用Newton-Raphson算法求解轴承生热量；并基于效率分析法求解了伺服电机发热量；求解磨齿机对流换热系数与轴承固定结合部接触热阻。将以上热源生热功率与热量耗散等热边界条件加到磨齿机热特性分析有限元模型中，实现数控磨齿机不同工况下热态特性的仿真研究。 通过合理设计床身筋板结构、尺寸及其布置方式，实现磨齿机床身的热划称分布，有效减小工件主轴的径向热变形。同时对床身增加冷却油池，使床身温度场分布更加均匀，最终实现数控磨齿机热特性优化，有效抑制了数控磨齿机整机的热变形。 利用温度传感器测量了数控磨齿机温度场分布，采用接触式位移传感器对工件主轴系统空间位姿进行了准确测量；使用灰色分组方法对温度测点进行了分组，并根据相关分析法选取出关键温度测点。分别构建了基于多元线性回归分析方法和最小二乘支持向量机的工件主轴系统热误差预测模型，并对工件主轴系统热误差模型的鲁棒性进行了验证。提出的两种热误差预测模型均能够准确预测工件主轴系统在不同工况条件下的热误差，最小二乘支持向量机模型的鲁棒性和通用性更好。 研究将磨齿机热特性分析方法与热误差建模预测方法的结合技术，实现精密数控磨齿机的设计制造，具有非常重要的理论意义与工程应刚价值。

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Abstract

1 绪论

1.1课题背景及研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1数控机床热特性分析研究现状

1.2.2数控机床热误差建模与补偿方法研究现状

1.3论文主要研究内容

2 精密数控磨齿机热特性研究

2.1精密数控磨齿机生热机理分析

2.1.1轴承生热量分析

2.1.2电机生热量分析

2.2精密数控磨齿机热耗散机制分析

2.2.1数控磨齿机与流体间的对流换

2.2.2轴承固定结合部接触热阻

2.3磨齿机热特性仿真分析

2.4本章小结

3 精密数控磨齿机热特性优化

3.1精密数控磨齿机热特性优化方法研究

3.2优化后磨齿机热特性有限元仿真分析

3.3实验验证

3.4本章小结

4 精密数控磨齿机热误差测量及建模方法研究

4.1精密数控磨齿机旋转工作台系统热

4.1.1 试验对象和测量设备

4.1.2测量结果及分析

4.2基于灰色相关分析法的热敏感点选

4.2.1热敏感点选择方法

4.2.2基于相关分析法的热敏感点优化方法

4.3 数控磨齿机旋转工作台系统热误

4.3.1基于最小二乘支持向量机的热误差预测方法

4.3.2基于多元线性回归理论的热误差预测方法

4.3.3热误差预测模型对训练数据拟合能力的优度评价

4.4 精密数控蜗杆砂轮磨齿机热误差

4.5本章小结

5 结论与展望

5.1总结与创新点

5.2研究展望

致谢

参考文献