开题报告（冯丙波)终版——报告资料文档.docx

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1、南京理工大学硕士研究生学位论文开题报告姓名：冯丙波学号：108010048学科：机械制造及自动化所在院系：机械工程学院指导教师：王栓虎副教授20xx年9月10日填其有效率达到70机数控机床的热变形主要是在由机床立柱Y方向、主轴组成的“C”形 结构X方向相对小，可以不计。机床的热源是多样的，但温度最高的区域并不一定是温度敏 感区。指出机床的温度敏感区有：主轴轴承后端、各个轴的丝杠两端的轴承前端、连接丝 杆的运动螺母、伺服电机与丝杆连接的轴瓦前端。龚伟等人为了得到床身的热变形规律, 运用三维有限元分析软件Pro/Engineer对床身进行热变形仿真分析，得出了机床热变形实 测结果与仿真结果非常吻合

2、的结论，该仿真分析解法对优化床身的结构设计，减少由热 变形引起的加工误差提供了一个非常有效的手段.周芝庭,冯建芬利用有限元分析软件 ANSYS,在建立整机的CAD以及CAE模型基础上,实现对机床热特性的分析,并给出了机床热源 和发热量的计算”叱本文拟通过对冲床的结构和运动分析，通过UG建模软件对床身进行简化建模，并对影 响冲床热变形的关键部件液体静压导轨、曲轴、连杆、床身分别建模，然后将三维模型导 入ANSYS有限元分析软件分析。通过分析个关键部件的热传递过程，预测冲床关键件的热 变形和温度场，进而分析影响温度场分布和热变形的因素，为关键部件的优化设计和热平 衡研究提供依据。问题3：高速冲床的

3、热平衡技术日本KYORI公司Beat ANEX系列高速冲床采用对称曲柄一一肘杆机构，连杆和肘杆的 热变形互相抵消，不但减少了热变形对滑块运动位置精度的影响，而且降低了滑块在下死 点附近的速度，提高了加工性能。KYORT的高速精密冲床产品由于采用了热平衡设计和结 构上的其它措施，其运转8小时内下死点位置的变化以及速度调节后下死点位置的变化均 能控制在0. Olmnio瑞士 BRUDERER公司的产品则通过设置油-水冷却器以控制温度的变化, 确保其工作精度。本文拟在分析冲床热关键部件的基础上，对冲床的冷却装置进行研究，以优化冲床热 关键构件处的温度为目标，对冷却装置的回油路径和各部件处的冷却功率进

4、行设计和优化 研究，进而达到控制冲床热变形对热动态精度的影响。为此在优化关键件的结构，尽可能实现温度场分布均匀的基础上，采取以下热设计技 术措施：1）高速精密数控冲床在相对运动的摩擦面上存在着较大的相对速度，从而导致摩擦发 热量严重，这样势必加快零件的磨损，恶化机床的精度，降低其使用寿命。为了减少热量 的产生，高速精密数控冲床各个运动面上摩擦系数应尽可能小，特别是曲轴与连杆、曲轴 与床身间、传动轴与床身等运动部位设计时均应考虑减少摩擦发热量以减少热量产生。2）设计全稀油强制润滑系统。采用全稀油强制循环润滑，并采用双制式的油冷却/加 热设备确保机床油箱内润滑油的温度恒定（0.5以内），为传动系统

5、的各运动副间及时 提供有效润滑和冷却，平衡机械系统结构的温度，减少各运动副间的异常机械磨损，同时 有效控制各关键件的冷热变形，防止冷热变形对机床精度造成影响，保证机床精度的持久 恒定。其原理是：由于曲轴与连杆在机器运转时产生温度变高时，对滑块位置的影响是向 下的；在机身立柱内设置了热油通道，通过强制给油，使得各运动副的充分润滑，同时大 量的润滑油带走了大部分的热量；通过设置的流道将热量分散到各个部位，再回到底座内 的油箱，热油流过立柱，使立柱受热膨胀，使滑块向上移动，这使得曲轴与连杆受热与机 身立柱受热对滑块位置的影响抵消一部分；通过计算及实验，以热源体连杆等的温度为基 准，通过控制从热源体流

6、出的润滑油的温度，实现高速精密数控冲床的热平衡。第9页，共27页六、开题条件1、学术条件长期以来，课题组与扬州锻压机床集团有限公司保持着密切的科研合作关系，在压力 机结构优化技术、高速卷料技术、关键部件加工工艺技术以及压力机的远程故障诊断技术 等方面的研究比较深入，对高速精密冲床的原理、结构、工艺非常了解，具有比较明显的 优势。利用本校图书馆和电子资源，查阅了高速冲床的结构，产生热变形的原因，以及机 床的防止热变形措施等相关方面的资料，对本课题的研究内容有了一定的了解，初步确定 了课题研究的可行性。2、设备条件南京理工大学机械工程学院拥有国内外各种管理软件、CAD、CAM、PDM软件、先进的

7、工业控制软件、各种测试软件等。扬州锻压机床有限公司技术力量雄厚、生产工艺先进及 检测设备齐全，是国内高速精密冲床制造行业内的排头兵，产品覆盖250-3000KN各类型号 的高速精密单、双点冲床。其中J76-80型800kN闭式双点精密数控冲床冲程次数已达 GOOmin4； J76-300型3000kN闭式双点高速精密冲床冲程次数已达400n】inl是目前国内最 高冲程次数的闭式双点高速精密冲床；YHT-300型3000KN闭式三点高速精密冲床是目前国 内吨位最大、技术最先进的高速冲床，该三点冲床经江苏省科技厅组织鉴定为国内首创、 国际领先产品。它为本课题的研究提供了物质上的保证。3.经费概算及

8、其落实情况经费由扬州锻压机床有限公司提供，目前已落实到位。七、文献综述（一）.国内外高速冲床的发展1、国内外高速冲床的发展概况世界上第一台高速冲床出现在20世纪50年代。当时，瑞士博瑞达公司（BRUDERER）根据 金属冲压行业的生产需要，制造出了第一台高速精密新概念冲床：心” 20世纪60年代以 后.随着电子技术、计算机的发展，锻压机械改变了 19世纪开始的向重型化和大型化发展 的趋势.转而向高速、高效、自动、精密、专用及多品种的生产方向迈进，于是高速压力 机如雨后春笋般迅速发展起来。高速冲床按冲次分为小高速和高速.冲次每分钟三百次左 右的业内称为小高速；大于五百次的，称为高速；大于一千次的

9、，称为超高速。中国台湾 的高速冲床起步比较早.现在和日本、德国,并称为世界三大高速冲床生产基地。目前: 日本已成为全球高速冲床技术创新的领头军。近年来，大规模集成电路和电器元件、录像机、计算机、办公和通讯设备以及微电机 芯片的生产进一步扩大，更有力的推进了高速压力机的发展势头，特别是世界超微电子设 备市场竞争异常激烈，高速压力机在8007000次/min速度范围内的超精密加工也达到了前 所未有的水平，零件质量稳定可靠。布鲁德勒公司开发生产的BSTA系列超高速压力机采用 多连杆传动机构，完全动平衡装置和柱式滚动导向结构，造型别致、运行平稳，其中BSTA25 型250kN超高速精密压力机，在行程长

10、度为13nlm时，速度达到1500次/min;美国明斯特公司 生产的Pulsar系列超高速精密冲床则采用传统的曲柄传动结构，液力静压轴承导向和液压 离合器-制动器，其中Pulsar20型200kN高速精密压力机在行程长度为13mm时，滑块行程次 数达到2000次/min.这两个系列的超高速压力机风格各异，是目前比较先进的机种，具有 一定的代表性。在这一时期，日本高速精密压力机的发展也极为迅速，几个主要生产厂家 的产品其最高行程次数均达到了 1500次/min左右。其中很多产品采用柱式导向结构，如三 井精机的PS系列和山山托比的FP系列就是其典型代表物。1982年由济南铸锻机械研究所和北京低压电

11、器厂开始共同研制我国第一台高速压力 机，公称力为600kN,最高速度达到400次/min。随后又研制成功300kN高速精密压力机、 最高速度为600次/min。采用整体框架式预应力床身，机械无机变速装置(PIV ),柱式滚动 导轨和强制油冷式热平衡系统，采用平衡块式平衡装置和轻合金滑块，运行平稳，压力机 还配有机械夹钳式送料装置(本系列已由通辽锻压机床厂生产，型号改为J75G系列)。营口 锻压机床厂研制出了250kN, 400kN和10()()kN闭式高速精密压力机。其中400kN和l()()()kN压力 机，采用组合式预应力床身，八面直角预应力滚动导轨，副滑块式动平衡装置。lOOOkN高 速

12、压力机配有蜗杆凸轮式幅式送料装置，而400kN高速压力机则配有机械夹钳式送料装置。 扬锻高速冲床为J76系列闭式双点高速精密压力机；冲压线是扬锻与日本方帝公司以合作方 式进行生产的高速；冲床及周边设备主要产品型号有:J76-80、J76T25B、J76-200B、J76-300 等系列。2、高速冲床的发展趋势目前，高速精密压力机初正向数控化和柔性自动化方向发展。由于CNC技术在高速精 密压力机上的应用，冲压过程能自动完成上料、冲压、成品计数、自动更换成品箱、自动 停机、自动更换另一种产品模具并进行重新生产。高速精密冲床技术主要被瑞士BRUDERER 公司,日本AIDA公司、KOYRI公司、YA

13、MADA DOBBY公司和ISIS公司,美国MINSTER公司,德 国RASTER公司等所掌握，核心技术包括主要有单轴双曲柄式、对称双肘杆式等主传动方式 闭式双点高速冲床，产品性能达到了相当高的水平。如日本KYORI公司生产的Mach系列超高 速精密冲床、瑞士BRUDERER公司800kN冲床可达到1000niin冲床下死点位置精度均可控制 在 0. 01mmo我国高速精密压力机与国际先进水平相比，还存在不少差距，主要表现为产品品种和 规格较为单一，产品性能差距较大，生产规模小，监测和试验手段落后，缺乏自己的数控 系统等。值得一提的是，我国生产的高速精密压力机由于在产品性能、质量、价格和售后

14、服务等方面与国情相适应，所以某些产品出现了供不应求的可喜情况。目前能独立开发 800kN以上闭式双点高速精密冲床国内仅有扬州锻压、徐州锻压等为数不多的几家,能独立 开发800kN以上闭式双点高速精密冲床速度又能达600min词内仅有扬州锻压，代表了国内 高速冲床的最高水平。图2为扬锻最新开发的J76系列高速精密数控冲床外形图。国内目前 的机床开发主传动系统主要仿照国外模式，采用单轴或双轴曲柄滑块结构方式；送料则采 用机械联动式或伺服方式两种，但速度、精度远落后与国外同类产品。数控冲床的发展可以总结为以下几个方面：1）高速高精度化;2）液压主传动取代机械 主传动;3）加工过程无人干预的冲压（或复

15、合）中心;4）速度不断提高，同时采用开放、可靠 的工控机控制;5）开发远程诊断技术的应用和普及。图2 J76系列高速精密数控冲床一、拟选定学位论文的题目名称高速精密数控冲床的热平衡研究及仿真分析二、选题的科学意义和应用前景1、科学意义国家的装备制造业的整体实力和发展水平决定着国家的经济实力、国防实力、综合国 力，决定着国家现代化和民族复兴进程。国家“十一五”规划把振兴装备制造业放在重要 位置，高速精密数控冲床是国家“高档数控机床与基础制造装备”重大专项的关键设备之 一，它具有自动、高速、精密三个基本特征，代表了高速精密数控冲床的发展方向，可完 成板料的自动输送和板料的高效率精密加工，广泛应用于

16、航空航天、汽车、发电设备、信 息、家电等高科技领域，是为保证经济和国防安全而必须自主研发的重大装备之一。随着 大规模集成电路和电器元件、计算机、通信、船舶和微芯片的进一步发展，更有利的推动 了高速精密冲压技术的发展势头。高速精密数控冲床是高精度板金冲压设备，其发展的方向以提高生产率为首要目标， 目前，高速精密冲床技术主要被瑞士 BRUDERER公司、日本MDA公司、KOYRI公司、YAMADA DOBBY公司、美国MINSTER公司、德国RASTER公司等所掌握，产品性能已达到了相当高的 水平。如日本KYORI公司生产的Mach系列超高速精密冲床、瑞士 BRUDERER公司800kN冲 床可达

17、到1000min冲床下死点位置精度均可控制在0. 01mm。国内高速精密冲床起始于 济南铸造锻压机械研究所“六.五”期间承担的原机械部“60吨闭式高速精密冲床研制”， 随后扬州锻压、通辽锻压等企业相继开发了开式、闭式、单点、双点等各种高速精密冲床, 高速精密冲床科研成果的不断推出，大部分厂家都是生产开式床身600kN以下高速冲床， 对大吨位、高速度的高速精密冲床的研究和产品开发相对滞后。冲床的动态精度是是高速精密数控冲床关键的性能指标。热平衡技术是研制高速精密 数控冲床动态精度的一个很重要的关键技术，而这一技术在国内处于空白状态。（二）、高速精密冲床的基本结构与工作原理以Pulsar系列高速精

18、密数控冲床结构图（图3）为例，说明高速精密数控冲床的工作原理21、2231o电动机7通过三角皮带将运动传递给大皮带轮，再经过齿轮传递给曲轴5,转化为工 作滑块2的往复直线运动。由于工艺需要，滑块式而运动，时而停止，因此装有离合器4和 制动器9.冲床在整个工作周期进行工艺操作的时间很短，既有负荷的工作时间短，大部分 时间为无负荷的空程。为了有效地利用能量，在大皮带轮6上装有飞轮。根据工作原理可以看出，高速精密冲床一般由以下几部分组成：(1)工作机构：一般由曲轴、连杆和滑块等零件组成，将旋转运动转换成往复直线运动。(2)传动系统：包括齿轮传动和皮带传动等机构，将电动机的能量传输至工作机构，在 传输

19、过程中，转速逐渐降低，转矩逐渐增加。(3)操纵系统：主要有离合器、制动器和相应的电气器件组成，在电机启动后，控制工 作机构的运动状态，使其能间歇连续工作。(4)能源系统：由电动机和飞轮组成，机器运行的能源由电动机提供，开机后电动机对 飞轮进行加速，冲床短时工作能量则有飞轮提供，飞轮起着储存和释放能量的作用。(5)支撑部件：由机身、工作台和紧固件。(6)辅助系统和辅助装置：动平衡装置、润滑系统、过我保护装置以及气垫等。(7)电气控制：一般均采用微电脑控制，具有可供用户选择的若干组输出计数器，可实 现连续、单次、寸动等操作规范。(三)、关于冲床的热变形问题1、冲床的热变形的数值仿真研究对机床热误差

20、的研究通常是从两方面入手的，即理论分析(即仿真计算)和试验法。 理论分析直接由加工条件和机床各热源分布及其热功率等边界条件进行传热计算，得到整 个机床的温度场分布情况，进而通过热一一结构耦合得到机床变形位移情况。试验法是通过大量试验直接测得机床温度场和变形 位移场。理论分析会使机床内部传热规律比较清晰，能够从事物的本质出发解决问题，但 由于机床传热过程很复杂，边界条件很难准确把握，这大大限制了仿真理论分析的精确度。 试验法虽然能得到真实的温度及变形位移，但由于实际条件的限制（如温度及位移传感器 的数量等），它不可能得到机床整体的温度场及变形位移场情况，因此在哪些点上布置传感 器将会影响试验法建

21、立的热误差模型精度，另外试验法的成本也比仿真分析的成本高得多。 两种方式具有很强的互补性，因此，都得到了较广泛的应用。Pulsar系列高速压力机L工作台；2.工作滑块；3.导柱；4.离台器；5.曲轴；6.带一7离合器；S.平衡滑块；9.制动器；10.连杆；11.滑块活塞。图3 Pulsar系列高速精密冲床结构简图随着计算机技术的发展，数值分析方法已广泛应用于工业工程技术中用来求解超大规 模的、复杂的、高度非线性的问题，模拟真实的机器系统，对设计方案进行预测计算，可 行性分析等。仿真分析首先要掌握机床各部件材料的热特性及整个机床系统的所有热源分 布及其功率大小。最重要的材料热属性就是热传导和热扩

22、散系数，因此精确掌握材料的热 传导及热扩散系数是直接法建模成败的关键因素之一。利用逆热传导计算可以解决如何从 已知的物体内部温度场或热流通量变化确定材料的热传导系数、热容、初始条件、边界条件和热源。有很多文献讨论了精确测定材料的热传导及热扩散系数的方法。德国柏林工业大学借助有限元计算机床部件及整机的温度场及变形场算机床部件及整机的温度场及变形场补偿和微机控制进行数控机床误差实施补偿。美国密歇根大学的s. Yang等运用小脑模型连接控制器（CMAC）神经网络建立了机床热变形模型。 Jedrzejewski等使用有限元法计算了机床温度场的分布，而后导出机床的位移和热变形， 他在产生热的那些元素和包

23、含热源的那些元素处进行结构和参数的优化，主要目标是减少 由于热变形引起的加工误差。S. K.kim根据实时测量的温度作为输入建立了热误差的时变 动态模型，并用有限元方法建立机床滚珠丝杠系统的温度场。Okuyama等人，通过实验测 量了在平面研磨机工作过程中，砂轮主轴和工作台的相对热位移，结果分析表明bv方向的 主要热变形是由液压油温度升高引起的。并使用有限元方法对研磨机的热变形进行理论研 究，理论结果与实验结论相一致。最后，提出了用降低油温的方法来补偿热位移，结果表 明?方向的热位移减少了 30%o Moriwaki等人通过实验和有限元方法研究了由于环境温度 变化引起的热变形对加工中心的影响。

24、周顺生”等人应用有限元分析软件ANSYS计算分析, 模拟数控机床加工运行状况，有效的估计出机床不同情况热误差的大小以及估算出机床的 温度敏感区域，节约大量的实验检测时间，其有效率达到70%。数控机床的热变形主要是 在由机床立柱Y方向、主轴组成的“C”形结构X方向相对小，可以不计。机床的热源是多 样的，但温度最高的区域并不一定是温度敏感区。指出机床的温度敏感区有：主轴轴承后 端、各个轴的丝杠两端的轴承前端、连接丝杆的运动螺母、伺服电机与丝杆连接的轴瓦前 端。龚伟等人为了得到床身的热变形规律，运用三维有限元分析软件Pro/Engineer对床 身进行热变形仿真分析，得出了机床热变形实测结果与仿真结

25、果非常吻合的结论，该仿真 分析解法对优化床身的结构设计，减少由热变形引起的加工误差提供了一个非常有效的手 段.周芝庭，冯建芬利用有限元分析软件ANSYS,在建立整机的CAD以及CAE模型基础上, 实现对机床热特性的分析，并给出了机床热源和发热量的计算.上海交通大学通过借鉴气 体流动传热学理论模拟了计算机机床主轴表面热交换系数，对机床主轴温度场和热误差进 行了有限元分析，得出了机床鲁棒建模的关键点，热误差在数控加工中心进行了模拟验证。常用的数值分析方法主要有两种：差分法和有限元法，均在传热分析中均得到了广泛 应用。P.Tuomaala对平板瞬态热传导有限元模型的结点分布问题进行了研究，指出合理的

26、 非均匀网格比均匀密集网格具有更好的计算精度和效率。实例证实此法具有如下优点：对 于稳态传热和随时间变化的传热问题都可得到精确解；在时间和空间域均具有二阶精度； 可迭待求解且快速收敛；在处理多种材料传热时精度高，这对于机床来说更具实际意义， 因为机床就是由多种材料构成的机械系统。B. P. Naganarayana提出的基于连续函数理论的 高阶剪切变形元素对热应力问题进行了深入的分析，指出不一致的初始应变场也能干扰高 阶剪切变形元素的位移恢复，从而引起误差。如想使用此元素进行热应力分析并得到优化 解，必须构建一致的热应变场，横向正应变和热应变项应相对于面内正应变场进行一致插 值来弥补常规方程中

27、的不足。由于机床关节压力分布的非均匀性，接触热阻应被看作是位置相关的而不是一个平均 值。Jedrzejewski et al.也使用有限元方法计算了机床温度场分布，然后导出位移和热变 形，他在产生热的那些元素和包括热源的那些元素处进行结构和参数优化，主要优化目标 是减少由于热变形引起的加工误差。Kim et al.用双线性类型元素分析了滚珠丝杠系统的 温度分布。此处摩擦热是主要热源，依赖于预载荷、润滑条件和装配条件。有限元模型是 在假设螺母和丝杠分别是实体和空心轴的前提下建立的，并且假设瞬态热传导发生在无热 辐射、介质不变形的情况下，发热的间隙元素被置于丝杠和螺母中间。Venugopal et

28、 al. 认为在某一特定时刻的变形依赖于那个瞬时的物体温度，采取的研究程序是在感兴趣的部 位计算热剖面图，然后通过有限差分方法求解相关的热弹性方程来得到最终变形。2、目前国内外机床热变形对策1）热态特性优化设计利用“热对称面”概念，设计热对称结构或对车热源分布。“热对称面”即把最影响 加工精度的零件配置在热对称面上，就能大大改善热变形所引起的加工精度不良的状况。如扬锻J76系列高速精密冲床采用的是底座和横梁用四根拉紧螺杆拉紧，机身刚性好，变形 小。本课题高速精密数控冲床的热平衡研究及仿真分析正是在这中背景下提出的。针 对影响高速精密冲床精度的主要因素之一热变形，结合扬州锻压机床有限公司申报的

29、800min 800kN闭式数控高速精密冲床进行深入研究。通过热平衡技术优化机床的设计可 以提高机床的精度，满足高速精密数控冲床的设计要求，探讨冲床热变形对加工精度的影 响规律，并给出相应的改善措施。本课题的研究对提高我国高速精密冲床的设计和制造将 具有重要的研究价值和意义。2、应用前景高速精密冲床（包括成形加工和冲压加工）是近年来开发出来的新型冲压设备，已广 泛应用于家电、电器、电子、通讯、计算机及汽车等行业。闭式双点高速精密冲床代表了 目前高速精密冲床的发展方向。国外工业化水平较高，因而其电子、通讯、计算机、家电及汽车等工业部门，无论在 功能性冲压件还是在外观性冲压件的加工方面，在大量采用

30、高速精密冲压设备的基础上， 形成了一股伺服化的潮流，正在加快用伺服电机作为冲床动力源的数控高速精密冲压设备 的开发应用，其中高速精密冲床的应用比例已接近20%o国内，各类高速精密冲床已广泛应用于家电、电器、电子、通讯、计算机及汽车等领 域，加工各种大批量、标准化、系列化薄板精密零部件。如：中小型电机的定转子（硅钢 片）、变压器硅钢片、剃须刀、电器接插件、TC引线框架等。但是还缺少主要用于大规模、 极大规模集成电路引线框架，特别是256支以上多脚框架和超窄间距连接线等高精度零件 的高速精密冲压设备，严重的制约了我国电子、通信行业的发展速度。本课题的研究将解 决800min-l、800kN高速精密

31、冲床热平衡问题，将从根本上保证以集成电路引线框架为代 表的各类精密器件的加工精度，改变精密冲压设备依赖于进口的状态，提升国内整个行业 的技术水平。支承结构为四点式曲轴支承结构，可增加曲轴强度，减小变形。此外，还可以把热源 从机床本体分离出去减少发热量；从机床的热刚刚度着手进行热态特性优化设计，进一步 考虑静刚度、动刚度、热刚度的总体优化设计。热容量平衡设计也是减少热变形的有效方 法，它是根据机床各部件的热容量不同，所以，对局部热容量大的部件采取一定的措施来 控制和减少其温升，使它与热容量较小的部位不致产生较大的温差，尽量达到它们之间的 热平衡，从而使机床整体的热变形减少。日本KYORI公司Be

32、atANEX系列高速冲床采用对称曲 柄一肘杆机构，连杆和肘杆的热变形互相抵消，不但减少了热变形对滑块运动位置精度的 影响，而且降低了滑块在下死点附近的速度，提高了加工性能。KYORI的高速精密冲床产品 由于采用了热平衡设计和结构上的其它措施，其运转8小时内下死点位置的变化以及速度调 节后下死点位置的变化均能控制在0. 01mm。浙江大学根据相变材料的特性，提出将相变 材料注入到机床基础件中，可在一定范围内消除基础件的热变形。2）改善散热和隔热条件整机设计定型之后，对内热源进行强制冷却，开发利用热管有目的地传递热量以均衡 冲床温升或向外排除热量。在机床构件（如立柱、床身）的一定位置布置加热元件或

33、冷 却系统，实现温度场的均衡，减少热误差。对机床的内热源强制冷却，是历来采用较多的 措施之一。浙江大学和武汉重型机床厂联合开发了应用于重型机床的热监控系统，来控制 机床的热变形，取得了较好的效果。瑞士 BRUDERER公司的产品则通过设置油-水冷却器以 控制温度的变化，确保高速冲床工作精度。3）使用热补偿技术对冲床的热补偿方法有两种：一是在精度要求不高的情况下，可利用预置热补偿的方 法进行，通过直接测量出的热变形数值或通过其他方法（如离线建模等），找出热变形与 工艺参数、时间参数的关系模型，得出其变形规律，然后变成并按此规律进行误差补偿； 二是精度要求较高时，采用实时测量补偿系统进行补偿，该方

34、法通过一定的实时监测系统 和误差模型快速实时地得到补偿值，实现实时误差补偿。通过传感器对机床在线采集数据（如热位移或温度），进行A/D转换，再经过已经建立的热误差模型对误差进行预测，然 后进行补偿，其控制系统如图4所示。该技术的关键在于建立热误差模型和误差补偿策略对 热误差补偿研究，美国密歇根大学ChenJ.S教授等提出了包括几何误差在内的多达32个误 差源的在线测量、数据处理和误差补偿系统，上海交大提出了鲁棒建模方法。还有很多学 者使用神经网络的方法进行热误差补偿粉。德国柏林工业大学借助有限元计算机床部件及 整机的温度场及变形场补偿和微机控制进行数控机床误差实施补偿。浙江大学对机床误差 补偿

35、特别是热变形研究得比较早和深入，获得了很多成果，特别是提出了热敏感点理论， 为在机床上温度测点的选取和热误差建模提供了依据。浙江大学还提出了机床热误差Fuzzy 前馈补偿控制策略，根据热误差变化规律的模糊、非线性特性，采用Fuzzy理论设计前馈 补偿控制器，仿真研究表明该补偿控制策略可取得令人满意的结果。但热补偿方法也有其 缺点，如在进行数据采集的时候，由于传感器精度及其它原因的干扰，使得采集的数据可 能失真，这样就会对补偿结果造成影响。PC 刈 叱板吊y.婕12 1 CNcgia- 一热一？*J （5W I f, 4断Q机床 图4热变形补偿控制系统4）控制环境温度建立恒温车间，实行季节性调温

36、。（四）、传热学的基本理论1、传热的基本定义热量传递有三种基本方式：1）导热：热量通过固体或静止的流体由温度高的地方传递给温度较低的部分。2）对流：仅在流体中出现，当不同温度的流体发生扰动和混合时，热量从一处带到 另一处叫对流。3）热辐射：物体通过一定波长范围的电磁进行热量传递。2、机床温度场的计算温度场的求解方法主要有：1）解析法：它要求t （x、y、z、t ）既满足某个导热微分方程，又要满足单值性条 件，常用的方法有分离变量法和积分变换法，由于解析法求解比较复杂，有时甚至无法求 解，所以在实际工程中应用很少。2）近似理论解法：不得到精确解，而是采用近似理论解的值。其原理是以描述温度 场的微

37、分方程的通解为基础，用有限项之和近似精确解，并在边界上有限点的温度场确定 近似解中的各个待定系数，进而求得整个温度场分布。3）数值解法：数值求解是以离散数学为基础，以计算机为工具的一种求解方法，在 目前中应用最普遍。常用的方法是差分法和有限单元法。本文采用应用最为普遍的有限元 法。3、有限元法求解温度场1） ANSYS热分析的基本原理ANSYS热分析的的基本原理是先将所处理的对象划分成有限个单元（包含若干节点）， 然后根据能量守恒原理求解一定边界条牛和初始条件下每一节点处的热平衡方程，由此计 算出各节点温度，继而求出其他相关量，如节点及单元的热流密度、热梯度等，与结构分 析相结合，可进一步求出

38、对象的热应力和热位移。初始条件为传热开始时物体整个区域中所具有的温度值。温度场的边界条件有三类， 如图5所示。图中D表示一个整体区域。(1)第一类边界条件，指物体边界B上的温度函数7；已知；(2)第二类边界条件，指物体边界B上的热流密度夕;已知；(3)第三类边界条件，又称对流边界条件，指与物体相接触的流体介质的温度T,与换 热系数a己知。第,关边界条件第,关边界条件q,T,已知第三类边界条件图5温度场边界条件温度场不随时间发生变化的传热过程称为稳态传热过程。在该过程中，任何一个节点 的温度不随时间变化。温度场随时间发生变化的传热过程称为瞬态传热过程。在该过程中， 系统的温度、热流率、边界条件以

39、及内能都将随时间而发生变化。实际上，无论是在自然 界还是在工程上，绝大部分的传热过程均为瞬态传热过程。工程上，一般假定设备在稳定 运行时处于稳态传热状态。在进行瞬态热分析以前，通常需通过稳态热分析来确定初始温度的分布；同时，对于一 个从瞬态逐渐过渡到稳态的传热问题，应将稳态热分析作为瞬态热分析的最后一步工作， 用以确定系统在稳态时所处状态。2） ANSYS热分析的基本步骤ANSYS热分析的基本步骤即包括构建有限元模型、施加载荷、求解与后处理。1构建有限元模型(1)创建几何模型；(2)设置单元类型，设定单元选项，定义单元实常数；(3)设置材料属性；(4)划分网格。2施加载荷(1)定义热分析类型:

40、稳态热分析或瞬态热分析；(2)设置初始温度与参考温度；(3)施加载荷，如温度、热流率、对流、热流密度和生热率。3求解在对热分析问题进行求解时，通常需设定Time/Frequence选项、非线性选项以及输出 控制等载荷步选项。4后处理ANSYS将热分析结果包含基本数据(节点温度)和导出数据(节点及单元的热流密度、节 点及单元的热梯度、单元热流率等)，可用彩色云图、矢量图和列表来显示结果。ANSYS提 供两种后处理方式，即P0ST1和P0ST26。前者用于处理整个模型在某一时间点的结果。后 者处理模型中特定点在整个瞬态过程的结果。(五)、总结高速精密数控冲床在工作过程中，热误差是影响机床性能和加工

41、精度的重要因素之一, 而机床的热变形直接影响了机床的性能和加工质量。因此通过机床高速运转过程中的温度 分布和变形规律的研究，解决由于机床热变形引起的机床性能下降问题具有重要的意义。八、学位论文工作进度安排20X X.06. 10-20X X.09. 1020X X.09. 11-20X X. 12.31查阅文献，撰写开题报告研究冲床机床热变形因素，学习相关软件20XX.01.01-20XX.05. 31实验研究工作，确定热变形关键部件、优化参数20X X.06. 01 20X X. 09. 30机床关键部件建模分析与实验对比分析20XX. 10. 01-20XX.03. 31前期工作总结，撰写

42、毕业论文硕士生签名：年 月 日九、指导教师意见指导教师签名：年 月日十、学院（系）审核意见主管院长（主任）签字：院系公章：年 月 日查阅主要文献资料目录清单序号作者题目刊物名称期（卷） 号年份起止页码1秦剑,冯华伟， 李黎明高速冲床的现状与未来锻造与冲压0720 X X46-492胡鹏浩,费业泰，王会生减少机床热变形的有效 途径机械工业自动化21(1)199951-533J.Jcdrzcjcwski, J. Kaczmarek, Z. Kowal, Z.WiniarskiNumerical optimization of thermal behavior of machine toolsAnn

43、als of the CIRP011990379-3824Kim. S.K.D.W. ChoReal-time Estimation of Temperature Distribution in a Ball-Screw SystemInternational Journal of Machine Tools and Manufacture371997451-4645Okuyama Shigeki Okuda Hiroki,I way a Takeshi, ctalThermal deformation of CNC surface grinding machine under the war

44、ming - up operationJournal of the Japan Society for Precision Engineering63(1)199776- 806Moriwaki,Toshimichi,Zhao, et alThermal deformation of machining center due to temperature change in (he environmentTransactions of (heJapan Society ofMechanicalEngineers57(539)9912447-24527周顺生有限元分析在数控铳床 热变形方面的研究

45、微计算机信息0820 X X58-608龚伟基于 Pro/MECHANICA 的 磨床床身有限元热变形 分析精密制造与自动化0320 X X49-509Zhao Haitao, Yang Jianguo, Shen JinhuaSimulation of thermal behavior of a CNC machine tool spindleInternational Journal of Machine Tools & Manufacture4720xx1(X)3-101010周芝庭，冯建芬基于ANSYS的加工中心机床热特性有限元分析机械制造与研究0620XX22-24II陈旭明，肖小亭

46、高速冲压及模具技术化学工业出版社20 X X12梁永奇机械制造中的传热与热 变形基础机械工业出版社198213A.C. Okafor,Yalcin M.ErtekinDerivation of machine tool error models and error compensation procedure for three axes vertical machining center using rigid body kinematicsInternational Journal of Machine Tools & Manufacture40(8)20001199-121314YANG

47、.SJ.YUAN J,NI JThe improvement of themial error modeling and compensation on machine tools by CMAC neural networkInternational Journalof Machine Tools andManufacture36(4).199615赵强，刘素明， 张令机床热变形产生机理及控制措施煤矿机械29 (01)20 X X160-16116居冰峰NC机床恒温立柱模型的 建立及热模态实验研究中国机械工程10 (06)1999679-68217鲁远栋，徐中行数控机床热变形误差补 偿技术机床与液压0220 X X44-4518唐开勇机床热变形的探讨昆明理工大学学报0620 X X51-5419中国机械工程学 会摩擦学学会主编摩擦磨损润滑译文集上海科学技术文献 出版社19822()范宏才现代锻压机械机械工业出版社199421英F.P鲍登，D.泰伯固体润滑与摩擦机械工业出版社198222KIM SK, CHO D .WReal time estimation of temperature distributi