[发明专利]一种考虑重力和热影响的机床几何精度主动设计方法

权利要求书

1.一种考虑重力和热影响的机床几何精度主动设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：明确机床实际运行时所受重力载荷、热载荷、散热边界条件和约束条件，并计算得到所受重力载荷、热载荷与散热量；

步骤2：将所述步骤1中计算得到的机床实际运行时所受重力载荷、热载荷、散热量和约束条件作为有限元分析的边界条件，利用有限元软件根据重力载荷、热载荷与散热量分析重力和热综合影响下机床变形，获得到达热平衡态时，机床各部件导轨安装面、部件间结合面变形量数据；

步骤3：根据所述步骤2中得到的导轨安装面、部件间结合面变形量数据，基于反变形原理，在设计导轨安装面直线度以及部件间结合面平面度时，使导轨和部件间结合面做大小相等、方向相反的变形，以抵消或补偿受重力和热后发生的变形。

2.根据权利要求1所述的一种考虑重力和热影响的机床几何精度主动设计方法，其特征在于，步骤1中，查询机床实际使用地点的重力加速度，在有限元软件中将重力载荷以重力加速度的形式加载到机床，并在有限元软件中计算得到重力载荷。

3.根据权利要求1所述的一种考虑重力和热影响的机床几何精度主动设计方法，其特征在于，步骤1中，热载荷包括主轴轴承发热量和机床导轨摩擦发热量；

主轴轴承发热量通过下式计算：

Q_g＝1.047×10^-4nM (3)

M＝M₁+M₂ (4)

其中：n——转速；

M——摩擦力矩；

M₁，M₂——由载荷引起的摩擦力矩与粘性摩擦力矩；

Q_g——主轴轴承发热量；

机床导轨摩擦发热量通过下式计算：

H＝μFv (5)

其中，μ为摩擦系数；F为正压力；v为运动速度。

4.根据权利要求1所述的一种考虑重力和热影响的机床几何精度主动设计方法，其特征在于，步骤1中，散热边界条件为对流换热，对流换热系数h由下式计算得到：

其中：λ——导热系数：

l——特征尺寸；

Nu——努赛尔数。

5.根据权利要求3所述的一种考虑重力和热影响的机床几何精度主动设计方法，其特征在于，强迫对流时，

Nu＝CReⁿPr^m (6)

其中：Re——雷诺数；

u——流体的流速；

d——特征长度；

ν——运动粘度；

Pr——普朗特数；

C、m、n——与传热流动状态有关的常数。

6.根据权利要求3所述的一种考虑重力和热影响的机床几何精度主动设计方法，其特征在于，自然对流时，

Nu＝C(Gr·Pr)ⁿ (8)

其中：β——体积膨胀系数；

L——定型尺寸；

C——传热面的形状和位置有关的系数；

Gr——格拉晓夫数；

ρ——流体密度；

ΔT——温差；

g——重力加速度；

Pr——普朗特数；

ν——运动粘度。

7.根据权利要求1所述的一种考虑重力和热影响的机床几何精度主动设计方法，其特征在于，步骤2的具体过程如下：

1)简化床身、立柱模型中孔以及倒角；

2)在Ansys Workbench软件中设置模型材料，划分网格；

3)设置所受重力载荷、热载荷、散热量，进行稳态热分析，求解温度场；

4)添加静力分析模块，设置约束条件，导入温度场数据，求解机床各部件导轨安装面、部件间结合面、主轴前端热重耦合变形。

8.根据权利要求7所述的一种考虑重力和热影响的机床几何精度主动设计方法，其特征在于，步骤1)中简化床身、立柱模型中孔以及倒角具体过程如下：

(1)删除尺寸20mm的圆角和倒角；

(2)删除螺钉孔、螺栓孔和注油孔；

(3)使用等效实体模型和等效质量代替主轴；

(4)删除或修改床身、立柱模型中尺寸20mm的平面特征。