数控成形磨床移动式立柱温度特性分析及拟合方法研究

摘要

为了改善成形磨削加工过程中的热态特性，进一步提升高性能磨床的加工精度，在分析了成形磨床移动式立柱温度场特性基础上，针对移动式立柱温度场非线性、大滞后的特点，提出了逐级递推拟合式算法以预测立柱温度场变化趋势。为了检测并分析移动式立柱温度场分布，采用LabVIEW(Laboratory VirtualInstrument Engineering Workbench)虚拟仪器开发了多通道温度场检测仪器。结合实验数据将拟合算法应用到移动式立柱温度场热误差与变形分析中，拟合曲线与实验检测数据进行对比，证明此算法具有较高的拟合精度，而且运算过程快速、方法简单实用，适用于移动式立柱温度特性分析、热误差预测建模与误差消除等方面。具体包括：
　　 第一章，本章介绍了高性能成形磨床技术国内外发展现状，讨论了热误差引起的变形对制造精度的影响。详细阐述了国外发达工业国家在温度场分析与热误差建模方面的研究现状，以及国内重点大学对此课题的研究成果。最后论述了课题的研究意义，提出了论文的主要研究内容及结构。
　　 第二章，本章介绍了虚拟仪器在温度检测领域的作用和意义，详细阐述了温度采集系统方案的硬件配置与性能参数。采用虚拟仪器LabVIEW开发了一套多通道温度采集系统，并且解释了温度采集仪器各个模块的用途、程序设计方案、人机交互界面的设计理念与操作方法等，为后续的温度场检测实验以及算法拟合应用奠定坚实基础。
　　 第三章，本章首先介绍了温度场热传递基础理论，并在此基础上阐述了稳态与瞬态温度场有限元分析的数学建模方法。基于实验数据绘制温度场走势图像，并对成形磨床中腰导轨移动式立柱进行工况与热源分析，通过温度对比图像说明立柱前、后侧表面存在温度差。运用有限元理论与AFISYS软件对立柱热源所产生的温度场分布进行分析，进一步证明立柱温度场分布不均衡，也为后续温度数据拟合研究建立依据。
　　 第四章，本章提出了逐级递推拟合算法，详细阐述了实验方法、过程及结果，并根据实验数据对移动式立柱温度场热误差、热变形、误差消除进行系列研究。针对移动式立柱温度场变化符合多阶指数函数规律的特点，为了建立准确的热误差数学模型，高精度地预测立柱温度场变化趋势，针对实时间数跨度较大的多阶指数函数，提出一种新的逐级递推拟合式算法。根据不同时间常数的指数函数具有不同平衡时间的特点，通过数学方法变化，采用一阶指数函数的拟合算法进行拟合并逐级递推，分别得到多阶指数函数的不同项的时间常数和相应的幅值。最后将所提出的算法在温度场数据拟合、热变形数据拟合以及误差消除等方面进行应用，将拟合曲线与实验检测数据进行对比，证明此算法具有较高的拟合精度，而且运算过程快速、方法简单实用，适用于移动式立柱温度特性分析和热误差预测建模。
　　 第五章，对全文进行全面的总结，并系统回顾本文的研究思路和成果。展望下一步的研究工作和计划，并为将来的研究提出设想。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

第一章绪论

1.1前言

1.2温度场分布不均引起的变形对加工精度的影响

1.3高性能成形磨床技术发展现状

1.4机床温度场热误差与数据拟合方法研究现状

1.5课题研究意义

1.6论文研究内容及安排

第二章基于LabVIEW的多通道温度场检测系统设计与实现

2.1温度场检测技术总述

2.2移动式立柱温度采集系统方案

2.2.1热电偶测温原理与应用

2.2.2虚拟仪器简介及其应用现状

2.3基于LabVIEW的温度采集系统设计

2.3.1基于LabVIEW的温度采集系统流程图

2.3.2温度采集系统DAQ硬件模块

2.3.3基于LabVIEW的温度采集系统程序模块分析

2.4本章小结

第三章移动式立柱温度场特性分析

3.1热传导理论

3.2温度场分析有限元理论

3.2.1空间域离散方法

3.2.2时间域离散方法

3.2.3稳态温度场有限元分析方法

3.2.4瞬态温度场有限元分析方法

3.3成形磨床中腰导轨移动式立柱热源分析

3.4移动式立柱温度场特性有限元分析

3.4.1 Y轴驱动电机温度场分析

3.4.2立柱侧面温度场分布分析

3.4.3立柱Y轴导轨移动热源分析

3.5本章小结

第四章逐级递推式拟合算法提出、实验验证与应用研究

4.1一阶指数函数的拟合算法研究

4.2多阶指数函数的逐级递推式拟合算法

4.3中腰导轨移动式立柱温度场检测实验

4.4中腰导轨移动式立柱实验数据拟合及分析

4.4.1立柱前表面温升数据拟合及分析

4.4.2立柱后表面温升数据拟合及分析

4.4.3逐级递推式拟合算法热变形数据拟合应用

4.4.4逐级递推式拟合算法在累计误差消除方面的应用

4.5本章小结

第五章总结与展望

5.1总结

5.2展望

附录A

参考文献

攻读硕士学位期间完成的科研成果