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基于结合面的数控机床静动热态特性研究

作　者: 张晓星
导　师: 赵继
学　校: 吉林大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 结合面特性接触理论静力分析模态分析热态分析高速加工中心有限元分析
分类号: TG659
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

对于精密数控加工中心而言,其静动热态特性对机床整机的加工精度影响很大。目前,针对于数控机床的研究多集中在整体性研究,而较少的考虑机床上各机械结合面对整机精度等性能的影响。本文围绕数控机床的结合面接触动力学问题,以BV系列精密机床产品为研究对象,研究探索其结合面的静、动热态接触性能建模与数字仿真的科学技术问题及一般方法,建立数控机床接触表面静动热态性能模型,为数控机床的性能设计及数字仿真提供方法。数控机床结合面和整机的静动态研究将大大提高数控机床整机性能和开发效率,促进我国机床整体水平迈上新台阶。本文阐述了国内外对于机床动静热态性能的发展概况,对机床的动静热态特性进行了研究。本文主要进行了以下几个方面的研究：首先通过理论分析了BV系列精密加工中心关键结合面类型及静动热态特性影响因素,并对影响机床结合面特性的动静热态参数进行分析。然后根据多体动力学、机构学理论建立结合面动静热态特性理论模型；并利用仿真技术和实验对模型进行修正和验证。通过实验方法对相关参数进行测量,为整机动静热态实验奠定基础。同时建立加工中心整机的有限元模型,进行数值模拟分析。分析出影响因素对结合面动静热特性的影响规律；同时根据实验结果对影响结合面的参数进行逐一测定。根据以上理论、仿真和实验所得数据和结论,将结合面的各种特征和参数综合到整机动力学模型中,分析结合面的特性对整机特性以及整机精度的影响。最后通过对机床整机模型的联合仿真和整机实验对分析结果进行进一步修正和验证。具体过程为运用三维建模软件Pro/E和有限元分析软件Ansys建立了机床整机的有限元模型,并对其进行动静热态性能研究,并在此基础上,考虑结合面的影响,对机床整机进行了静应力分析、模态分析和热态分析,并通过实验手段分别对机床整机的动静热态特性进行实验,验证理论分析及有限元分析的合理性,分析了机床的主要薄弱环节并提出结构改进意见。研究了机床整机在稳态情况下温度场的分布及关键部位的热变形情况。对于机床动态性能主要采用单点激励多点响应模态实验分析方法来获取完整模态参数,引入相干性函数分析测试信号的可靠性。最后通过模态实验结果和有限元计算结果对比分析,准确识别出加工中心关键振型的模态参数,为加工中心的动态优化设计提供可靠的基础。静态性能主要是研究数控加工中心主轴在静态力的作用下的变形情况,进而得到主轴系统的静态刚度,通过有限元方法的分析和实验方法的验证,获得机床刚度的薄弱环节并对机床结构的改善提供意见。热态性能主要是在机床热分析过程中考虑结合面间接触热阻的存在,得出在此情况下机床的热变形并在机床主轴空运转情况下测量关键点的热变形。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-20
  1.1 课题的提出及背景  11-13
  1.2 课题研究的意义  13
  1.3 课题的国内外研究现状  13-15
  1.4 论文课题来源与研究内容  15-20
    1.4.1 课题来源  15
    1.4.2 课题的主要研究内容  15-16
    1.4.3 课题的研究对象  16-17
    1.4.4 课题技术路线  17-20
第2章结合面建模及特性研究  20-39
  2.1 结合面的性质分类及影响因素  20-23
    2.1.1 固定结合面  20-21
    2.1.2 移动结合面  21
    2.1.3 半固定结合面  21-22
    2.1.4 结合面影响因素  22-23
  2.2 结合面的等效动力学模型  23-26
  2.3 结合面等效动力学参数识别方法  26-28
    2.3.1 实验参数识别方法  26
    2.3.2 理论建模与动态实验相结合的系统辨识法  26-28
  2.4 结合面热态理论及分析  28-33
    2.4.1 热传递方式  29-30
    2.4.2 接触热阻及算例  30-33
  2.5 有限元在热态分析中的应用  33-38
  2.6 本章小结  38-39
第3章数控机床整机建模  39-48
  3.1 机床整机建模  39-43
    3.1.1 机床床身建模  40
    3.1.2 机床立柱建模  40-41
    3.1.3 机床滑板建模  41-42
    3.1.4 机床工作台建模  42
    3.1.5 机床主轴箱建模  42
    3.1.6 整机三维模型  42-43
  3.2 整机模型简化  43-45
  3.3 模态综合法在整机动态特性的技术  45-47
  3.4 本章小结  47-48
第4章数控机床整机仿真分析  48-63
  4.1 整机模态分析  48-53
  4.2 整机静态分析  53-55
    4.2.1 静态有限元分析  53-54
    4.2.2 结果讨论  54-55
  4.3 整机热态分析  55-62
    4.3.1 传热分析  55-58
    4.3.2 有限元模型的建立  58-59
    4.3.3 热载荷及有限元分析  59-62
  4.4 本章小结  62-63
第5章机床整机动静热态实验研究  63-76
  5.1 BV系列立式加工中心特性分析  63-64
  5.2 整机静态实验  64-70
    5.2.1 实验仪器设备  65-66
    5.2.2 实验步骤  66-67
    5.2.3 实验结果及数据处理  67-70
  5.3 整机动态实验  70-74
    5.3.1 实验仪器设备  70-71
    5.3.2 实验方案及过程  71-73
    5.3.3 实验结果分析  73-74
  5.4 整机热态实验概述  74-75
  5.5 本章小结  75-76
第6章结论  76-78
  6.1 论文主要工作  76
  6.2 论文结论  76-78
参考文献  78-81
攻读硕士学位期间的科研成果  81-82
致谢  82

基于结合面的数控机床静动热态特性研究

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