[发明专利]一种数控机床滚珠丝杠进给系统热误差预测方法

说明书

本发明属于热误差预测方法技术领域，提出了一种数控机床滚珠丝杠进给系统热误差预测方法。利用自适应实时模型(ARTM)预测滚珠丝杠进给系统的热误差。本方法首先建立实验测量工作台表面温度随时间的变化，然后建立一种自适应实时模型用来预测滚珠丝杠的瞬时温度分布和热误差分布。利用有限元结合蒙特卡洛方法(MC)确定滚珠丝杠进给系统两个轴承、移动丝母、滑轨的发热率。然后依据有限元计算数据，建立进给速度与时间的指数方程，用来描述测量表面点和运动对中心之间的温度差随时间的变化，最后建立一种数值预测算法用来预测滚珠丝杠进给系统的热误差。通过监测两个轴承座和运动螺母侧面的表面温度，使用数值预测算法快速高精度地预测相应的热误差。

技术领域

本发明属于热误差预测方法技术领域，涉及数控机床滚珠丝杠进给系统热误差建模方法。

背景技术

滚珠丝杠作为数控机床进给系统的关键部件，工作时轴承、丝杠螺母等部件摩擦生热引起丝杠温度的上升，其温度的变化导致机械结构的变形,从而产生热误差降低了进给系统的定位精度。由于热误差的存在，单件的加工精度易不合格；批量加工产品的一致性较差。因此，机床热误差问题一直是近期国内外研究的重点，已经成为了提高数控机床定位精度的重要研究方向。

近年来，国内外研究学者建立了几种滚珠丝杠热误差模型的有效方法，但是都存在其局限性。相关研究主要集中两个方面：第一种，对滚珠丝杠进给系统的结构进行简化，应用传热学理论为基础近似计算系统的热边界条件，建立滚珠丝杠进给系统热误差有限元模型。第二种，实测大量数据进行处理，建立滚珠丝杠进给系统热误差经验模型。通过对目前研究的分析。

发明内容

为了克服现有技术中存在的问题，本发明提出了一种数控机床滚珠丝杠进给系统热误差预测方法。该方法利用自适应实时模型(ARTM)预测滚珠丝杠进给系统的热误差。本方法首先建立实验测量工作台表面温度随时间的变化，然后建立一种自适应实时模型用来预测滚珠丝杠的瞬时温度分布和热误差分布。利用有限元结合蒙特卡洛方法(MC)确定滚珠丝杠进给系统两个轴承、移动丝母、滑轨的发热率。然后依据有限元计算数据，建立进给速度与时间的指数方程，用来描述测量表面点和运动对中心之间的温度差随时间的变化，最后建立一种数值预测算法用来预测滚珠丝杠进给系统的热误差。

本发明的具体技术方案为：

步骤1，滚珠丝杠进给系统温度测量

确定进给系统表面温度检测点，其中，温度检测点包括两个丝杠支撑轴承的表面点、丝母法兰的表面点和丝杠轴一侧导轨表面均匀分布点；T型贴片热电偶通过磁性底座分别固定在两个丝杠支撑轴承的表面点、丝母法兰的表面点上，按周期进行连续采样；通过红外线测量仪对测量点进行定时检测；

步骤2，建立其有限元模型；

步骤2-1，根据目标数控机床进给系统的几何尺寸，建立其有限元模型，模型包括伺服电机、两个支撑轴承、丝杠、螺母和两个滑轨，各部分均选择固体单元，而丝杠与两个支撑轴承、丝母之间的连接选用接触单元；

步骤2-2，确定系统的热源；系统包括固定热源和移动热源；固定热源为伺服电机、轴承一和轴承二；依据系统结构，将伺服电机发热率合并到轴承一，记为Q_B1，轴承二的发热率记为Q_B2；移动热源为两个滑轨和一个丝母，在此只考虑各热源传入模型部分的发热率，两个滑轨发热率为Q_g1＝Q_g2＝Q_g，丝母的发热率Q_n；

步骤2-3，对流换热系数的确定；

在丝杠旋转过程，丝杠表面与空气产生对流传热，则对流换热系数为：

其中，N_u为努塞尔数；λ_fluid为空气的导热系数；d为丝杠的直径。