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精密直线进给系统直线度热变效应仿真研究

韩忠建 刘腾 张建军 符志凯 高卫国 李为民 张大卫

韩忠建, 刘腾, 张建军, 符志凯, 高卫国, 李为民, 张大卫. 精密直线进给系统直线度热变效应仿真研究[J]. 机械科学与技术, 2020, 39(7): 1040-1047. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190237
引用本文: 韩忠建, 刘腾, 张建军, 符志凯, 高卫国, 李为民, 张大卫. 精密直线进给系统直线度热变效应仿真研究[J]. 机械科学与技术, 2020, 39(7): 1040-1047. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190237
Han Zhongjian, Liu Teng, Zhang Jianjun, Fu Zhikai, Gao Weiguo, Li Weimin, Zhang Dawei. Simulation Study on Effect of Thermal Variation on Straightness for Precision Linear Feed System[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2020, 39(7): 1040-1047. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190237
Citation: Han Zhongjian, Liu Teng, Zhang Jianjun, Fu Zhikai, Gao Weiguo, Li Weimin, Zhang Dawei. Simulation Study on Effect of Thermal Variation on Straightness for Precision Linear Feed System[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2020, 39(7): 1040-1047. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190237

精密直线进给系统直线度热变效应仿真研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190237
基金项目: 

国家自然科学基金项目 51775375

天津市自然科学基金项目 18JCZDJC38700

详细信息
    作者简介:

    韩忠建(1994-), 硕士研究生, 研究方向为精密机床整机/关键功能部件热态特性监测及分析, 394740187@qq.com

    通讯作者:

    刘腾, 副教授, 博士, wuqiu-liu@163.com

  • 中图分类号: TH161+.4

Simulation Study on Effect of Thermal Variation on Straightness for Precision Linear Feed System

  • 摘要: 由热效应引起的精密直线进给系统直线度变化会显著影响机床精度稳定性。针对这一问题,对精密直线进给系统直线度的热变效应进行了仿真研究。首先,利用有限元热-流-固耦合仿真技术建立进给系统温度特性仿真模型,并在此基础上构建了进给系统热变形特性仿真模型;然后,分析热变形仿真结果得出进给系统直线度误差热增量及其测试基准线热漂移量的预估模型;最后,通过实验验证了精密直线进给系统直线度热变化分析模型的准确性。研究表明:综合热源对精密直线进给系统直线度误差测试基准线的热漂移具有明显影响,但对直线度误差热增量影响相对较小;而造成直线度热变效应的主要因素是机床床身热变形引起的床身-导轨装配面热漂移。
  • 图  1  卧式加工中心直线进给系统结构(Z轴)

    图  2  滚珠丝杠单元结构

    图  3  直线进给系统网格划分

    图  4  进给系统温度场优化修正流程

    图  5  结合部有限元模型

    图  6  直线进给系统温度场结果

    图  7  直线进给系统结构热变形结果

    图  8  工作台中心点热变形

    图  9  床身-导轨装配面与工作台热变形对比

    图  10  直线度热变效应建模方法

    图  11  直线度误差测试基准线仿真结果

    图  12  传感器布置方法

    图  13  关键部位温度特性的实验-仿真对照

    图  14  Y向直线度误差热增量的实时测试数据-仿真对照

    表  1  直线进给系统结构物性参数

    结构名称 材料名称 密度/(kg·m-3) 比热容/(J·(kg·℃)-1) 导热系数/(W·(m·℃)-1) 弹性模量/GPa 热膨胀系数C-1 泊松比
    丝杠螺母副、轴承 GCr15 7 830 460 44 219 1.2×10-5 0.3
    床身 HT300 7 300 510 45 143 1.12×10-5 0.27
    导轨滑块副、工作台 45钢 7 890 450 48 209 1.17×10-5 0.269
    冷却液 主轴油 851 1 851 0.144 - - -
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    表  2  直线进给系统热载荷修正结果与边界条件数值

    边界条件/热载荷 加载位置 载荷大小
    生热率修正结果/(W·m-3) 丝杠-螺母副/导轨-滑块副/前轴承/后轴承 540 134.9/198 407.8/510 582.5/430 356.2(工况1)
    350 072.1/110 013.7/374 901.3/312 058.4(工况2)
    对流换热修正结果/(W·(m2·℃)-1) 丝杠外表面
    工作台、螺母副、床身
    37.4(工况1)/23.6(工况2)
    10.5/17.8/9.7
    接触热传导系数/(W·(m2·℃)-1) 螺母-滚珠及滚珠-丝杠接触面
    滑块-滚柱及滚柱-导轨接触面
    6 681
    7 458
    其他参数 冷却液流速/湍流强度/液力直径 0.472/7.1%/0.015
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    表  3  不同进给速度下直线度误差热增量

    运行时间/h 误差热增量/μm
    进给速度18 m/min 进给速度9 m/min
    1 1.34 0.85
    2 1.61 1.06
    3 1.75 1.10
    4 1.82 1.17
    5 1.84 1.18
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    表  4  Y向直线度误差热增量结果验证

    运行时间/h 仿真结果/μm 实验结果/μm
    1 1.34 2.05
    2 1.61 2.37
    3 1.75 2.61
    4 1.82 2.76
    5 1.84 2.85
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    表  5  直线度测试基准线端点热漂移量结果验证

    运行时间/h -800端 0端
    仿真结果/μm 实验结果/μm 仿真结果/μm 实验结果/μm
    1 3.59 4.31 3.76 4.12
    2 7.09 8.33 7.12 7.96
    3 9.8 11.3 9.73 10.92
    4 12.09 13.46 11.94 12.97
    5 14.04 14.79 13.81 14.42
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  • 收稿日期:  2019-06-26
  • 刊出日期:  2020-07-05

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