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铣车复合加工中心旋转工作台热变形误差补偿模块开发

作　者: 周超超
导　师: 韩振宇
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械工程
关键词: 旋转工作台热变形实时补偿热误差测量
分类号: TG54
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

高档立式铣车复合加工中心广泛应用在军工、航空航天、汽车、造船、发电、纺织、模具制造等制造行业,是影响国计民生、国家安全的重要装备。但是,我国重型精密数控加工中心的加工精度同国外同类机床相比,还存在着非常大的差距,这严重地阻碍了我国制造业的发展。除了机床制造、加工、装配误差对于加工精度的影响之外,由于机床内外热源的作用,机床热变形引起的误差也是不可忽视和难以解决的问题。要研制“高精尖”的数控加工中心,普通的机床散热措施已经不能满足加工精度的要求,必须针对机床发热量较大的部件设计热变形实时补偿系统或装置。本课题所研究的对象为高档立式铣车复合加工中心,经分析得出该加工中心最大发热源为其旋转工作台。因此,本文针对该类型机床旋转工作台所产生的热变形,提出了一种基于误差测量的热变形补偿方案,研制了热变形实时补偿软硬件系统,且通过实验验证了各功能模块的可行性。论文具体进行的工作如下:首先,在详细分析和调研国内外热误差补偿技术的研究现状以及目前存在的主要问题的基础上,确定了本文的研究思路,提出了针对旋转工作台的热变形实时补偿方法。其次,利用UG三维建模软件建立了旋转工作台三维模型,导入ANSYS仿真软件进行结构-热耦合场分析,利用仿真结果得出了对加工质量影响较大的坐标方向的热误差分量。在分析ANSYS仿真结果的基础上,对于影响加工精度且便于布置传感器方向的热变形分量,提出了在线检测这些热变形的传感器布置方案以及测量位置优化策略。最后,开发了热误差在线补偿系统,包括数据采集板卡的软件部分和系统硬件装置部分,实现了针对旋转工作台热变形误差在线检测和在线补偿功能。借助齐重数控机床厂提供的立式车床工作台进行了替代性实验,得到了相关实验数据,验证了所提出方案的正确性和可行性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-17
  1.1 课题来源及研究的目的和意义  8-9
  1.2 热变形产生原因及其对机床的影响  9-10
  1.3 解决机床热变形问题的措施  10-14
    1.3.1 减小（均衡）热变形  11-13
    1.3.2 补偿热变形  13-14
  1.4 热误差补偿技术国内外发展综述  14-15
  1.5 论文主要研究内容  15-17
第2章旋转工作台有限元热分析  17-29
  2.1 旋转工作台三维建模  17-18
  2.2 旋转工作台热分析前处理及相关参数计算  18-23
    2.2.1 消隙齿轮布置计算  18
    2.2.2 大齿圈啮合区计算  18
    2.2.3 传动链各轴运动及动力参数计算  18-19
    2.2.4 大齿圈受力分析  19-20
    2.2.5 轴承生热率计算  20-21
    2.2.6 大齿圈稳态热流密度计算  21-23
  2.3 热分析软件的相关参数设置  23-25
  2.4 旋转工作台热分析求解及结果分析  25-28
  2.5 本章小结  28-29
第3章热变形补偿模块总体方案及硬件设计  29-37
  3.1 旋转工作台热变形补偿数学模型  29-32
  3.2 热变形补偿模块总体方案  32
  3.3 热变形补偿模块的硬件组成  32-36
    3.3.1 电涡流位移传感器  32-35
    3.3.2 数据采集模块  35-36
  3.4 本章小结  36-37
第4章热变形补偿软件模块设计  37-44
  4.1 数据采集模块设备驱动介绍  37
  4.2 软件模块总体设计及程序流程  37-40
  4.3 实时补偿软件子模块程序介绍  40-43
    4.3.1 补偿参数设置子模块  41-42
    4.3.2 数据采集子模块  42-43
    4.3.3 在线补偿子模块  43
  4.4 本章小结  43-44
第5章热变形补偿实验  44-50
  5.1 热变形补偿模块的硬件搭接  44-45
  5.2 热变形实时补偿实验  45-49
  5.3 本章小结  49-50
结论  50-51
参考文献  51-55
致谢  55

铣车复合加工中心旋转工作台热变形误差补偿模块开发

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