第一章 緒論

在當(dāng)今工業(yè)科技飛速發(fā)展，技術(shù)不斷創(chuàng)新的時(shí)代，工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)——裝備制造業(yè)在其中起到了中流砥柱的作用。它是現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)發(fā)展的基石，高新技術(shù)的現(xiàn)實(shí)、高科技產(chǎn)品的開發(fā)和現(xiàn)代智能工業(yè)不斷發(fā)展的重中之重的基礎(chǔ)。而裝備制造業(yè)科技水平的最重要的指標(biāo)就是數(shù)控機(jī)床制造的水平，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展關(guān)乎國(guó)計(jì)民生和國(guó)防尖端科技建設(shè)，隨著制造業(yè)不斷發(fā)展各行業(yè)對(duì)高端機(jī)床及裝備的需求也急劇增多，進(jìn)而機(jī)床制造業(yè)對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了重大影響，同時(shí)也是社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的無盡力量和能量源泉。因此，大力發(fā)展裝配制造業(yè)、提高高端數(shù)控機(jī)床及裝備技術(shù)水平是當(dāng)務(wù)之急并具有全局性、戰(zhàn)略性的意義[1]。隨著制造加工技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)加工尺寸的精度和零件的表面質(zhì)量提出了越來越高的要求。在加工中心的各項(xiàng)誤差中，根據(jù)文獻(xiàn)[2]報(bào)道，熱誤差是最大的一項(xiàng)，占總誤差的40%~70%。對(duì)于高速高精度機(jī)床來說，主軸系統(tǒng)的熱變形誤差是引起加工誤差的重要因素之一。對(duì)于運(yùn)用這種代價(jià)非常小的“軟技術(shù)”——誤差補(bǔ)償技術(shù)便可獲得“硬技術(shù)” ——傳統(tǒng)裝配工藝難以達(dá)到的精度，是非常有經(jīng)濟(jì)意義的。因此，分析主軸系統(tǒng)的熱誤差對(duì)保證加工零件的高精度和高質(zhì)量有很重要的意義；準(zhǔn)確預(yù)測(cè)主軸熱誤差并建立有效補(bǔ)償模型可明顯改善加工中心的加工精度。

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第二章 加工中心主軸系統(tǒng)熱變形及熱源分析

2.1 加工中心主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本課題所研究的 VMC750 立式加工中心主軸系統(tǒng)包括：主軸，前后滾子軸承，主軸電機(jī)，主軸殼體，拉桿等，主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2.2 所示。

2.2 加工中心主軸系統(tǒng)熱源分析

加工中心主軸系統(tǒng)的熱態(tài)特性對(duì)加工中心精度的影響至關(guān)重要，也是制約加工中心發(fā)展的重要因素之一。加工中心主軸系統(tǒng)的熱源主要分兩大部分，第一部分是主軸電機(jī)熱損耗發(fā)熱，第二部分是主軸軸承的摩擦發(fā)熱，其中主軸軸承的發(fā)熱量最大，并且通過 VMC750 主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖可知主軸電機(jī)與機(jī)床本身沒有直接接觸，其熱損耗的發(fā)熱主要傳入空氣中。而且由于主軸軸承體積小、在工作中轉(zhuǎn)速較高和功率密度大，熱損耗發(fā)熱量大以及因其散熱面積相對(duì)較小造成的散熱困難，而且機(jī)床主軸箱自身沒有循環(huán)冷卻系統(tǒng)，所以主軸系統(tǒng)的熱特性主要受到主軸箱的發(fā)熱變形影響，且其熱變形的最主要熱源為主軸軸承的摩擦發(fā)熱。上述分析主軸在高速工作時(shí)，由于主軸系統(tǒng)發(fā)熱源主要集中在主軸軸承上，因此，主軸系統(tǒng)中各部件間就會(huì)存在溫差。根據(jù)牛頓熱力學(xué)第二定律可知熱量是由高溫?zé)嵩醋园l(fā)地傳給低溫?zé)嵩吹�，因此，存在溫差的主軸系統(tǒng)就會(huì)形成熱量的傳遞。加工中心主軸系統(tǒng)中的熱量傳遞主要表現(xiàn)為：前后軸承與主軸箱之間的熱量傳遞，主軸箱與空氣之間的熱量交換。

第三章 加工中心主軸系統(tǒng)熱誤差實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究............................26

3.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案............................26
第四章 加工中心主軸系統(tǒng)熱誤差補(bǔ)償模塊的研究與開發(fā)........................40
4.1 熱變形補(bǔ)償系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)........................40
4.1.1 誤差補(bǔ)償方式.............................40
4.1.2 熱誤差補(bǔ)償方案....................43
4.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖...........................44
第五章 加工中心主軸系統(tǒng)熱誤差補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用.....................................54
5.1 應(yīng)用機(jī)床的選擇................................54
5.2 補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用實(shí)施.......................54

第五章 加工中心主軸系統(tǒng)熱誤差補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用

5.1 應(yīng)用機(jī)床的選擇

本課題中的研究?jī)?nèi)容主要是針對(duì)立式加工中心主軸系統(tǒng)熱變形誤差補(bǔ)償技術(shù)所進(jìn)行試驗(yàn)研究的。因此選用青海一機(jī)數(shù)控機(jī)床有限責(zé)任公司生產(chǎn)的 VMC 系列立式加工中心作為主軸熱變形誤差補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用對(duì)象。為了能更好的提現(xiàn)本課題所研究的誤差補(bǔ)償技術(shù)的實(shí)際補(bǔ)償效果，我們不僅選擇了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的加工中心而且還對(duì)用戶正在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中的 VMC 系列立式加工中心進(jìn)行該技術(shù)的應(yīng)用。

5.2 補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用實(shí)施

對(duì)用戶處的機(jī)床由青海一機(jī)技術(shù)員到用戶現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行主軸系統(tǒng)熱變形測(cè)量，按照前述數(shù)據(jù)分析建模方法，對(duì)所采集的溫度、熱變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出影響主軸系統(tǒng)熱變形的熱敏感點(diǎn)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和建模，通過增加溫度傳感器和外掛式補(bǔ)償模塊實(shí)施了對(duì) VMC750 三臺(tái)加工中心的熱變形補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用，通過了激光干涉儀進(jìn)行誤差補(bǔ)償驗(yàn)證測(cè)量，達(dá)到了非常顯著的效果，解決了用戶使用的 VMC750 加工中心由于主軸系統(tǒng)熱變形問題引起的零件加工誤差。青海一機(jī)數(shù)控機(jī)床有限責(zé)任公司現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的兩臺(tái)VMC750和一臺(tái)VMC1000加工中心由本人進(jìn)行了主軸系統(tǒng)熱變形誤差補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用，產(chǎn)品在連續(xù)八小時(shí)運(yùn)行中，經(jīng)激光干涉儀進(jìn)行誤差補(bǔ)償驗(yàn)證測(cè)量，主軸系統(tǒng)的熱變形誤差補(bǔ)償達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T18400.7-2010/ISO10791-7：1998 加工中心技術(shù)條件 第七部分：精加工試件精度檢驗(yàn)）規(guī)定的精度要求。本課題研究的加工中心主軸系統(tǒng)熱誤差的測(cè)試、建模、補(bǔ)償技術(shù)成功的運(yùn)用到了青海一機(jī)數(shù)控機(jī)床有限責(zé)任公司生產(chǎn)的立式加工中心的主軸系統(tǒng)上，通過應(yīng)用熱變形補(bǔ)償技術(shù)加工中心主軸系統(tǒng)誤差可減少 70%左右，，取得了良好的補(bǔ)償效果。本課題中研究的補(bǔ)償技術(shù)不僅補(bǔ)償制造成本較低、實(shí)際應(yīng)用簡(jiǎn)單，而且補(bǔ)償效果明顯。此補(bǔ)償技術(shù)是典型的運(yùn)用代價(jià)非常小的“軟技術(shù)”實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)裝配工藝難以達(dá)到的精度，從經(jīng)濟(jì)效益上將是十分主要的，而且其應(yīng)用過程簡(jiǎn)單，方便實(shí)際生產(chǎn)推廣。
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結(jié)論與展望

本文所研究?jī)?nèi)容是青海省科學(xué)技術(shù)廳 2012 年科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“高檔數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)綜合補(bǔ)償技術(shù)研究”高檔數(shù)控機(jī)床的熱誤差動(dòng)態(tài)建模及預(yù)測(cè)補(bǔ)償技術(shù)的一部分。針對(duì)青海一機(jī)生產(chǎn)的 VMC750 系列立式加工中心在使用過程中產(chǎn)生的熱誤差現(xiàn)象,進(jìn)行分析和試驗(yàn)研究，目的就是通過對(duì)該型號(hào)的立式加工中心的熱誤差問題進(jìn)行研究, 設(shè)計(jì)與數(shù)控系統(tǒng)集成的軟、硬件接口規(guī)范和相應(yīng)模塊，與高檔數(shù)控系統(tǒng)集成，應(yīng)用到具體機(jī)床中，實(shí)現(xiàn)高檔加工中心的熱誤差動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，降低熱誤差對(duì)加工精度的影響。本文主要有以下幾點(diǎn)總結(jié)：1、通過對(duì)影響主軸系統(tǒng)發(fā)熱的因素分析，確定主要熱變形部件為主軸箱體并建立了加工中心主軸系統(tǒng)主軸箱 Solidedge 模型。基于熱力學(xué)原理分析了加工中心主軸系統(tǒng)的熱源為軸承發(fā)熱，計(jì)算出了軸承發(fā)熱量，并確定了熱量傳遞方式與邊界條件，用 ANSYS Workbench 軟件分析出了加工中心主軸系統(tǒng)主軸箱給系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布。通過分析溫度場(chǎng)的變化為熱變形補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)主軸箱測(cè)溫點(diǎn)布置提供了理論依據(jù)。2、提出了主軸系統(tǒng)熱變形試驗(yàn)技術(shù)方案，確定了熱誤差檢測(cè)的快速標(biāo)定方法，進(jìn)而找到加工中心主軸系統(tǒng)熱誤差補(bǔ)償?shù)拿舾悬c(diǎn)位置并建立熱誤差動(dòng)態(tài)模型。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：35058