CN105631122A - 一种机床大件的热变形仿真分析与建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于机床大件的热变形仿真分析与建模的方法，包括对机床大件的热变形仿真分析与热变形建模方法；所述机床大件的热变形仿真分析方法是基于通用有限元分析软件Ansys进行的，并在发明中详细阐述了运用“间接法”进行热-结构耦合分析的具体步骤；所述机床大件的热变形建模方法，包括在有限元分析完成后，根据提取出的需要建立热变形模型位置处的热变形结果以及按照一定规则在机床大件预先选定位置处所提取的特定方向的热变形结果，利用多项式拟合及多元线性回归的方法，建立机床大件上确定位置处的热变形的数学模型。

Description

一种机床大件的热变形仿真分析与建模方法

技术领域

本发明涉及数控机床技术领域，特别是一种机床大件的热变形仿真分析与建模方法。

背景技术

随着数控机床整机及零部件设计、制造、装配和材料等相关技术的不断进步，几何误差、刀具磨损、伺服误差等在数控机床整体误差中所占的比例逐渐减少。在高速高精度极端加工条件下，热变形日益成为影响机床加工精度的重要因素。大量研究与加工实践表明，对于高速高精度机床，由热变形引起的加工制造误差所占的比例为40％～70％。因此，对于机床热变形建模技术的研究就显得十分必要。目前，常采用的热变形建模技术，一般是根据机床的物理结构，分析各部位的温度变化情况，以便寻找机床的热关键点，对机床的测温点进行优化布置，建立温度关键点与机床特定部位热变形之间的关系，从而得到其热误差模型。这种热变形建模方法，依赖于准确的选择测温关键点来建立热变形模型，一旦测温关键点的选择不合理，建立的热变形模型将会偏差很大。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种机床大件的热变形仿真分析与建模方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种适合于机床大件的热变形仿真分析与建模方法，包括对机床大件的热变形仿真分析与热变形建模方法。

所述机床大件的热变形仿真分析是基于通用有限元分析软件Ansys进行的，包括如下步骤：

步骤一，采用间接法进行热-结构耦合分析，选择适用于间接法进行热-结构耦合分析的单元；所述的间接法是指，Ansys提供的一种热-结构耦合分析方法，这种方法要求首先进行热分析，然后将求得的节点温度作为体载荷施加在结构应力分析中，本热变形仿真分析方法是基于间接法建立的；

步骤二，对机床几何模型进行简化，去掉机床大件的热变形有限元分析影响较小的结构，如小的倒角、圆角、小孔等细小结构；

步骤三，将机床几何模型导入Ansys中，添加材料属性；

步骤四，热载荷的施加，包括热源的施加、环境温度设定、机床表面传热系数的设定以及接触位置的热阻定义；

步骤五，按照上述步骤定义完成后首先进行热分析求解；

步骤六，热分析完成后，保存热分析结果文件；进行单元的转换，将热单元转换成对应的结构单元；删除热分析中定义的接触热阻；定义约束，以及设置接触面处的刚度、阻尼；载荷的施加，将热分析结果文件作为载荷施加到结构分析中；

步骤七，进行机床结构应力分析，得到有限元分析结果；

步骤八，提取有限元分析结果，包括在有限元分析完成后，确定机床大件上需要建立热变形数学模型的位置并提取热变形结果，以及按照一定规则在机床大件上预先选定位置并提取其特定方向的热变形结果。

所述步骤八，按照一定规则在机床大件上预先选定位置，包括预先选定的位置所占的范围要尽可能大，这样热变形结果的变化就会更明显；所述特定方向，最好与需要建立热变形模型的位置处的方向垂直。

所述机床大件的热变形建模方法，包括利用多项式拟合及多元线性回归的方法，建立机床大件确定位置热变形的数学模型。其中，首先利用多项式拟合的方法，根据提取出的机床大件上需要建立热变形模型位置处的热变形结果，建立相同阶次的不同加载情况下的热变形数学模型；其次，利用多元线性回归的方法，建立按照一定规则在机床大件预先选定位置处所提取的特定方向的热变形结果与第一次所建立的数学模型系数之间的函数关系。

附图说明

图1为机床大件热变形的仿真分析与建模方法的流程示意图；

图2为一台卧式加工中心的CAD模型示意图；

图中：1、预先选定位置1；2、预先选定位置2；3、立柱上导轨；4、预先选定位置3；5、预先选定位置4；

图3为图2所示的卧式加工中心的16种加载工况；

图中：溜板位置-左，主轴箱位置-上，工作台位置-前，与其各自中间位置的距离为0.2m；

图4为图3中两种热载荷所对应的加载情况；

图中：a)热载荷1所对应的加载情况；b)热载荷2所对应的加载情况；

图5为图2所示的卧式加工中心的有限元网格模型示意图；

图中：a)施加热载荷后的网格模型；b)定义约束后的网格模型。

图6为图2所示的卧式加工中心02工况下的温度场及变形云图示意图；

图中：a)温度场云图；b)变形云图。

图7为图2所示的卧式加工中心立柱上导轨位置处的Z向热变形数学模型的效果验证示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1-7，一种机床大件的热变形仿真分析与建模方法，包括确定机床大件上需要建立热变形数学模型的位置及方向；对机床大件进行有限元仿真分析；利用多项式拟合及多元线性回归的方法，建立关于机床大件确定位置及方向的热变形的数学模型。

参照图1所示流程，对图2所示的某一卧式加工中心的立柱上导轨的热变形进行仿真分析与建模。

首先，确定对立柱上导轨的Z向热变形建立数学模型，如图2中“黄线”所示；

其次，按照图3所示的16中工况进行有限元仿真分析，有限元仿真分析的具体步骤如下：

步骤一，本次分析选用间接法进行热-结构耦合分析，选用Solid87单元；

步骤二，对机床几何模型进行简化，去掉机床大件的热变形有限元分析影响较小的结构，如小的倒角、圆角、小孔等细小结构；

步骤三，将简化好的机床几何模型导入Ansys中添加材料属性，机床大件包括床身、立柱、溜板、转台以及主轴箱按照QT500-7的属性添加，包括弹性模量1730GPa，泊松比0.3，密度7300kg/m³，热膨胀系数9.1×10^-61/K，热导率47W/(m·K)，X、Y及Z三向导轨按照45钢的材料属性添加，包括弹性模量2190GPa，泊松比0.3，密度7850kg/m³，热膨胀系数1.17×10^-51/K，热导率48W/(m·K)；

步骤四，热载荷的施加，包括热源的施加、环境温度设定、机床表面传热系数的设定以及接触位置的热阻定义；其中，热源的施加位置包括电机座位置、轴承座位置、导轨位置、滑块位置、主轴位置，大小按照图4所示进行施加；环境温度设定为20℃；机床表面传热系数10W/(m²·K)；接触热阻位置的定义，包括滑块-大件接触面、导轨-滑块接触面，导轨-机床大件接触面；

步骤五，按照上述方式定义完成后首先进行热分析求解；

步骤六，热分析完成后，保存热分析结果文件；进行单元的转换，将热单元转换成Solid92结构单元；删除热分析中定义的接触热阻；定义约束，包括对机床底面的X、Y与Z方向的自由度的限制，以及接触面处的刚度、阻尼的设置；载荷的施加，将热分析结果文件作为载荷施加到结构分析中；

步骤七，进行机床结构应力分析，得到有限元分析结果，图6中列出了该加工中心在02工况下的有限元分析结果。

步骤八，有限元分析完成后，提取有限元分析结果文件。包括机床上导轨的Z向热变形，以及预先选定位置1、2、3及4的Y向热变形。

再者，根据不同加载工况下提取的立柱上导轨的Z向热变形结果，利用多项式拟合的方法建立相同阶次的立柱上导轨的Z向热变形数学模型，

δ_zi＝p_i·x(1)

式中p_i＝(p_i1p_i2p_i3)，i＝1,2…,16，x＝(x²x1)^T，δ_zi为i工况下立柱上导轨的Z向热变形，p_i为表达式的系数，x为坐标值；再利用多元线性回归的方法，建立预先选定位置处所提取的热变形结果与式(1)系数之间的函数关系，

p_i＝A·δ_yi+B(2)

其中，δ_yi＝(δ_yi1δ_yi2δ_yi3δ_yi4)^T，i＝1,2…,16，δ_yi为提取出的i工况下预先选定位置处的1、2、3及4的Y向热变形结果；联立式(1)与式(2)，最终可以得到立柱上导轨的Z向热变形数学模型，

δ_z＝(A·δ_y+B)·x(3)

式中，δ_z为立柱上导轨的Z向热变形，δ_y为提取出的预先选定位置处的1、2、3及4的Y向热变形结果，x＝(x²x1)^T，x为坐标值，A是3×4的系数矩阵，

$A=\left[\begin{array}{cccc}0.5625& -1.2405& 0.0281& -1.1009\\ 3.1224& -5.8372& -1.5819& -3.2287\\ -1.2405& 0.4909& -0.5321& 0.551\end{array}\right]$

B是3×1的常数向量，

$B={\left[\begin{array}{ccc}-19.661& -1.6062& -4.1752\end{array}\right]}^T$

最后，将工况6、工况9提取出的预先选定位置1、2、3及4的Y向热变形代入得到的热变形数学模型(3)中，得到两种情况下立柱上导轨的Z向变形情况，并与直接从有限元分析软件中提取出Z向变形情况进行比对，对比结果如图7所示。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种机床大件的热变形仿真分析与建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，采用间接法进行热-结构耦合分析，选择适用于间接法进行热-结构耦合分析的单元；所述的间接法是指，Ansys提供的一种热-结构耦合分析方法，这种方法要求首先进行热分析，然后将求得的节点温度作为体载荷施加在结构应力分析中，本热变形仿真分析方法是基于间接法建立的；

步骤二，对机床几何模型进行简化，去掉机床大件的热变形有限元分析影响较小的结构，如小的倒角、圆角、小孔等细小结构；

步骤三，将机床几何模型导入Ansys中，添加材料属性；

步骤四，热载荷的施加，包括热源的施加、环境温度设定、机床表面传热系数的设定以及接触位置的热阻定义；

步骤五，按照上述步骤定义完成后首先进行热分析求解；

步骤六，热分析完成后，保存热分析结果文件；进行单元的转换，将热单元转换成对应的结构单元；删除热分析中定义的接触热阻；定义约束，以及设置接触面处的刚度、阻尼；载荷的施加，将热分析结果文件作为载荷施加到结构分析中；

步骤七，进行机床结构应力分析，得到有限元分析结果；

步骤八，提取有限元分析结果，包括在有限元分析完成后，确定机床大件上需要建立热变形数学模型的位置并提取热变形结果，以及按照一定规则在机床大件上预先选定位置并提取其特定方向的热变形结果。

2.根据权利要求1所述的一种机床大件的热变形仿真分析与建模方法，其特征在于，所述步骤八，按照一定规则在机床大件上预先选定位置，包括预先选定的位置所占的范围要尽可能大，这样热变形结果的变化就会更明显；所述特定方向，最好与需要建立热变形模型的位置处的方向垂直。

3.根据权利要求1所述的一种机床大件的热变形仿真分析与建模方法，其特征在于，所述机床大件的热变形建模方法，包括利用多项式拟合及多元线性回归的方法，建立关于机床大件确定位置的热变形的数学模型。其中，首先利用多项式拟合的方法，根据提取出的机床大件上需要建立热变形模型位置处的热变形结果，建立相同阶次的不同加载情况下的热变形数学模型；其次，利用多元线性回归的方法，建立按照一定规则在机床大件预先选定位置处所提取的特定方向的热变形结果与第一次所建立的数学模型系数之间的函数关系。