机床滚珠丝杠热分析及热补偿

I机电工程学院毕业论文论文题目:机床滚珠丝杠热分析及热补偿学生姓名：学号：专业班级：指导教师：2011年5月25日II摘要现代制造技术正日益向高速化、精密化、自动化、智能化方向发展。数控机床在加工零件运行过程中，由于机床运动部件间的摩擦生热及周围环境热源的影响等诸多因素都将引起机床热变形。当机床中某些涉及定位、传动的零部件受到热变形影响时，就会造成机床精度下降，甚至无法制造出符合公差要求的产品。因此，对机床滚珠丝杠进行热特性分析，并根据分析得出的温度场和位移云图总结如何对其进行补偿是很有必要的。本文以南京工艺装备制造公司生产的DZHQ120型号工作台所配备的滚珠丝杠为热分析研究对象，首先建立实体模型，再用有限元分析方法建立有限元模型，并借助ANSYS热分析模块对滚珠丝杠进行热特性分析，获得仿真结果，为实施热变形补偿提供理论依据。最后根据热分析结果，提出它的热变形补偿方案。本文主要工作概括为如下几个方面：1.通过查阅资料建立滚珠丝杠三维温度场数学模型，以及结合弹性力学、热变形基本方程和有限元理论建立热变形数学模型。2.根据滚珠丝杠尺寸通过PRO/E建立CAD实体模型，将它导入ANSYS中划分网格，从而建立热特性有限元模型，为CAE分析奠定基础。3.通过分析计算得出滚珠丝杠上热源以及边界条件相关数据，加载求解后得出温度梯度图和热变形位移图。4.根据有限元热特性计算结果,通过查看丝杠节点温度和变形情况选取测温点，提出热补偿方案。关键词：滚珠丝杠热特性有限元ANSYS热补偿IIITitleThethermalanalysisandthermalcompensationofthescrewballAbstractModernmanufacturingtechniquesareincreasinglydevelopingtodirectionofhigh-speed,precision,automationandintelligent.CNCmachineoperationintheprocessingpart,duetothefrictionheatbetweenmovingpartsofmachinetoolsandtheheatofthesurroundingenvironmentandmanyotherfactorswillcausethemachinetoolthermaldeformation.Whenthemachinepartsinvolvedinsomeofthepositioningandthedriveareinfluencedbythethermaldeformation,itwillresultinthedecreaseoftheaccuracyofmachine,evenitcannotmanufacturetheproductstomeettolerancerequirements.Therefore,toanalysisthethermalcharacteristicsofballscrewmachine,anditisnecessaryforconcludinghowtocompensatewiththeanalysisderivedfromthetemperaturefieldanddisplacementcloudchart.Inthispaper,theballscrewequippedinDZHQ120worktablewhichismadebyprocessequipmentmanufacturingcompanyinNanjingisasthemodelforthestudyofthermalanalysis,firstistoestablishsolidmodel,thenestablishfiniteelementmodelbythefiniteelementanalysis,andusingANSYSthermalanalysismoduleanalysisthethermalcharacteristicofballscrew,andobtainthesimulationresultsforthermaldeformationcompensationprovidingatheoreticalbasis.Finally,basedonthermalanalysisresults,raisingprogramofthermaldeformationcompensation.Theworkofthispapersummarizedthefollowingaspects:1.Throughreadingrelativeinformationtoestablishthree-dimensionaltemperaturefieldmodeloftheballscrew,andcombineelasticity,thebasicequationofthermaldeformationandthefiniteelementtheorytoestablishthermaldeformationmodel.2.AccordingtoballscrewsizetoestablishCADsolidmodelbyPRO/E,itwouldmeshwhenitisimportedintoANSYS,soestablishingthermalcharacteristicfiniteelementmodel,forfoundingbaseoftheCAEanalysis.IV3.Itcanbegottherelevantdataofheatontheballscrewandboundaryconditionsbyanalyzing,thenitcanobtaintheheatdistortiontemperaturegradientmapanddisplacementmapafterloadingandsolving.4.Accordingtothecalculationsofthermalcharacteristicofthefiniteelement,thenbyviewingtemperatureanddeformationconditionofthescrewballnodestoselecttemperaturemeasurementpoint,lasttoraisethermalcompensationprogram.KeywordsBallscrewThermalcharacteristicsFiniteelementANSYSThermaldeformationcompensationV目录1绪论……………………………………………………………………………………………61.1课题研究目的和意义………………………………………………………………………61.2国内外研究现状……………………………………………………………………………71.3主要研究内容………………………………………………………………………………82滚珠丝杠热特性有限元建模………………………………………………………………102.1传热基本理论……………………………………………………………………………102.1.1理论解析…………………………………………………………………………………102.1.2实验方法…………………………………………………………………………………112.1.3比拟（类比）方法…………………………………………………………………………112.1.4数值计算方法……………………………………………………………………………112.2温度场计算的有限单元法…………………………………………………………………122.2.1傅里叶定律………………………………………………………………………………122.2.2牛顿冷却公式……………………………………………………………………………132.2.3导热微分方程及定解条件………………………………………………………………132.2.3.1时间条件………………………………………………………………………………152.2.3.2边界条件………………………………………………………………………………152.2.4稳态温度场的有限元法…………………………………………………………………172.3热变形的有限元法…………………………………………………………………………202.3.1热变形有限元法方程的矩阵形式………………………………………………………202.3.2热变形基本方程…………………………………………………………………………232.3.3热弹性有限元法…………………………………………………………………………232.4滚珠丝杠有限元模型的建立………………………………………………………………242.4.1滚珠丝杠三维CAD模型建立……………………………………………………………252.4.2滚珠丝杠向CAE模型的转化…………………………………………………………252.4.3单元类型…………………………………………………………………………………262.4.4材料属性…………………………………………………………………………………272.4.5网格划分…………………………………………………………………………………272.5小结…………………………………………………………………………………………283滚珠丝杠温度场分析…………………………………………………………………………283.1滚珠丝杠边界条件的计算…………………………………………………………………293.1.1滚珠丝杠热源及边界条件分析…………………………………………………………293.1.1.1滚动轴承摩擦热的计算………………………………………………………………293.1.1.2滚珠丝杠副摩擦力矩的计算…………………………………………………………323.1.2滚珠丝杠对流边界条件的计算…………………………………………………………323.2滚珠丝杠相关性能参数……………………………………………………………………32VI3.2.1滚珠丝杠螺母副介绍……………………………………………………………………323.2.2所选滚珠丝杠尺寸参数…………………………………………………………………353.2.3材料物理性能参数………………………………………………………………………383.3滚珠丝杠热源计算………………………………………………………………………383.4温度场的稳态分析………………………………………………………………………403.5小结………………………………………………………………………………………424滚珠丝杠热变形分析…………………………………………………………………………424.1滚珠丝杠热变形分析………………………………………………………………………424.1.1滚珠丝杠热变形位移分析过程…………………………………………………………424.2测温点的布置………………………………………………………………………………444.2.1测温点的布置设计………………………………………………………………………444.3小结…………………………………………………………………………………………445滚珠丝杠热补偿方案…………………………………………………………………………455.1热误差补偿原理……………………………………………………………………………455.2热误差补偿模型建立的理论分析…………………………………………………………465.2.1多元线性回归模型………………………………………………………………………475.2.2计算过程…………………………………………………………………………………485.3热误差补偿实现………………………………………………………………