本發(fā)明屬于高精密制造行業(yè)數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償，尤其是一種基于精細(xì)化有限元分析的五軸立臥轉(zhuǎn)換加工中心溫度測(cè)點(diǎn)優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、隨著制造業(yè)向高速高精度加工方向發(fā)展，熱誤差對(duì)數(shù)控機(jī)床精度的影響日益嚴(yán)重。研究表明，約75％的加工工件幾何誤差由機(jī)床的熱誤差引起。為了減少熱誤差的影響及時(shí)的進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償就需要進(jìn)行合理的溫度測(cè)量。然而由于五軸立臥轉(zhuǎn)換加工中心的溫度場(chǎng)分布情況復(fù)雜，理論上需要大量的溫度傳感器來測(cè)量不同位置的溫度。五軸立臥轉(zhuǎn)換加工中心溫度測(cè)點(diǎn)優(yōu)化技術(shù)涉及到尋找整機(jī)溫度敏感點(diǎn)，進(jìn)行整機(jī)穩(wěn)態(tài)熱分析獲得溫度場(chǎng)后，單一利用溫度云圖進(jìn)行敏感點(diǎn)收集勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致其結(jié)果不準(zhǔn)確，造成部分溫度測(cè)點(diǎn)的缺失，因此，溫度測(cè)點(diǎn)優(yōu)化技術(shù)還需引入熱力耦合分析，利用溫度場(chǎng)和熱變形場(chǎng)綜合影響尋找出整機(jī)所有溫度敏感點(diǎn)，提高熱誤差模型的準(zhǔn)確性和魯棒性。目前，針對(duì)數(shù)控機(jī)床的溫度測(cè)點(diǎn)優(yōu)化技術(shù)的研究多基于有限元和聚類算法，開發(fā)出了諸如202011011840.x和202311076789.4的熱力耦合有限元分析方法，以及利用模糊c-均值fcm聚類分析法進(jìn)行溫度測(cè)點(diǎn)聚類。然而，現(xiàn)有的整機(jī)熱力耦合分析常常采用自動(dòng)畫網(wǎng)格法，導(dǎo)致所得溫度場(chǎng)與變形場(chǎng)結(jié)果不夠精準(zhǔn)。而現(xiàn)有聚類方法，對(duì)初始點(diǎn)依賴較大，不能很好的處理不同形狀和大小的簇。考慮到有限元仿真方法的可視性和可操作性，如何提出一種精準(zhǔn)的有限元仿真分析方法一直是數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償技術(shù)領(lǐng)域的重點(diǎn)難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于精細(xì)化有限元分析的五軸立臥轉(zhuǎn)換加工中心溫度測(cè)點(diǎn)優(yōu)化方法，解決仿真模型精度欠佳、聚類不全和試驗(yàn)成本高且難應(yīng)用等問題。

2、本發(fā)明所述的一種基于精細(xì)化有限元的五軸立臥轉(zhuǎn)換加工中心溫度測(cè)點(diǎn)優(yōu)化方法，具體包括如下步驟：

3、首先要計(jì)算五軸立臥轉(zhuǎn)換加工中心熱源載荷及邊界條件。其中五軸立臥轉(zhuǎn)化加工中心的熱源包括導(dǎo)軌滑塊副、主軸等軸承副、絲杠螺母副及電機(jī)。其具體的熱源生熱公式即：

4、

5、其中，m1是軸承總摩擦力矩，n1是軸承轉(zhuǎn)速，m2是絲杠螺母摩擦力矩，n2是滾珠絲杠轉(zhuǎn)速，μ是動(dòng)摩擦系數(shù)，w是垂直于導(dǎo)軌摩擦面的載荷，ν是滑動(dòng)速度，j是熱功當(dāng)量，η是電機(jī)的效率。

6、五軸立臥轉(zhuǎn)換加工中心邊界條件為整機(jī)與空氣的自然對(duì)流系數(shù)h1，主軸等軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)與空氣的強(qiáng)制對(duì)流系數(shù)h2，絲杠螺母副旋轉(zhuǎn)時(shí)與空氣的強(qiáng)制對(duì)流系數(shù)h3，與電機(jī)風(fēng)冷的強(qiáng)制對(duì)流系數(shù)h4。其具體的函數(shù)關(guān)系即

7、q＝ha(ts-tf)

8、其中，a是垂直與熱流方向的面積，ts-tf是物體表面溫差。

9、其次提出solidwroks-hypermesh-ansys聯(lián)合的零件配合表面-零件基體精細(xì)化有限元建模方法。對(duì)整機(jī)主要結(jié)合面進(jìn)行網(wǎng)格分層處理，在整機(jī)自動(dòng)網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，確定網(wǎng)格分層節(jié)點(diǎn)，對(duì)導(dǎo)軌滑塊副、絲杠螺母副及軸承副等主要結(jié)合面的網(wǎng)格尺寸和網(wǎng)格密度進(jìn)行精細(xì)化調(diào)整，其他部位保持不變，同時(shí)保證節(jié)點(diǎn)相互連接

10、在此基礎(chǔ)上添加材料屬性參數(shù)，設(shè)置初始邊界條件、強(qiáng)制對(duì)流系數(shù)和接觸狀態(tài)通過熱力耦合分析獲取整機(jī)的溫度場(chǎng)及變形場(chǎng)。

11、然后基于改進(jìn)k值聚類法-灰色關(guān)聯(lián)度法對(duì)整機(jī)穩(wěn)態(tài)溫度敏感點(diǎn)進(jìn)行分析，確定最佳溫度測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整機(jī)溫度測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化。基于改進(jìn)k值聚類法依次對(duì)整機(jī)的若干初始溫度敏感點(diǎn)進(jìn)行聚類分析，選取出不同類的溫度敏感點(diǎn)集合。其次利用灰色關(guān)聯(lián)算法獲得各類集合的中各個(gè)溫度敏感點(diǎn)的灰色關(guān)聯(lián)度，最后基于所得灰色關(guān)聯(lián)度值對(duì)各類的溫度敏感點(diǎn)進(jìn)行排序，取各類灰色關(guān)聯(lián)度值最高的溫度敏感點(diǎn)為最優(yōu)測(cè)點(diǎn)，獲得整機(jī)溫度測(cè)點(diǎn)的位置。

12、最后進(jìn)行溫度采集在此基礎(chǔ)上對(duì)整機(jī)進(jìn)行熱誤差建模及熱誤差補(bǔ)償，最后通過對(duì)比整機(jī)加工精度以驗(yàn)證溫度敏感點(diǎn)優(yōu)化方法的有效性。

13、本發(fā)明提供了一種基于精細(xì)化有限元分析的五軸立臥轉(zhuǎn)換加工中心溫度測(cè)點(diǎn)優(yōu)化方法，其目的是為了為整機(jī)熱誤差建模提供準(zhǔn)確的溫度測(cè)點(diǎn)，同時(shí)精準(zhǔn)的進(jìn)行整機(jī)的熱誤差補(bǔ)償?shù)取?/p>

14、本公開的上述技術(shù)目的是通過以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)的：

15、本公開的有益效果在于：本發(fā)明所述的一種基于精細(xì)化有限元分析的五軸立臥轉(zhuǎn)換加工中心溫度測(cè)點(diǎn)優(yōu)化方法是在精細(xì)化有限元模型的基礎(chǔ)上綜合考慮溫度以及熱變形對(duì)溫度測(cè)點(diǎn)的影響尋找出溫度測(cè)點(diǎn)，并基于聚類算法進(jìn)行溫度測(cè)點(diǎn)優(yōu)化。分析結(jié)果可視化且便于工程應(yīng)用的方法，包括熱源載荷及邊界條件計(jì)算、提出solidwroks-hypermesh-ansys聯(lián)合的零件配合表面-零件基體精細(xì)化有限元建模方法、整機(jī)熱力耦合分析獲得穩(wěn)態(tài)溫度測(cè)點(diǎn)、基于改進(jìn)k值聚類算法-灰色關(guān)聯(lián)度法的溫度測(cè)點(diǎn)優(yōu)化。最后通過對(duì)最佳溫度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行溫度采集在此基礎(chǔ)上對(duì)整機(jī)進(jìn)行熱誤差建模及熱誤差補(bǔ)償，最后通過對(duì)比整機(jī)加工精度以驗(yàn)證溫度敏感點(diǎn)優(yōu)化方法的有效性。

技術(shù)特征：

1.一種基于精細(xì)化有限元的五軸立臥轉(zhuǎn)換加工中心溫度測(cè)點(diǎn)優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于精細(xì)化有限元的五軸立臥轉(zhuǎn)換加工中心溫度測(cè)點(diǎn)優(yōu)化方法，其特征在于，步驟1中的熱源包括導(dǎo)軌滑塊副、主軸等軸承副、絲杠螺母副及電機(jī)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于精細(xì)化有限元的五軸立臥轉(zhuǎn)換加工中心溫度測(cè)點(diǎn)優(yōu)化方法，其特征在于，步驟2中的邊界條件為整機(jī)與空氣的自然對(duì)流系數(shù)h1，主軸軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)與空氣的強(qiáng)制對(duì)流系數(shù)h2，絲杠螺母副旋轉(zhuǎn)時(shí)與空氣的強(qiáng)制對(duì)流系數(shù)h3，與電機(jī)風(fēng)冷的強(qiáng)制對(duì)流系數(shù)h4；具體的函數(shù)關(guān)系q如下：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于精細(xì)化有限元的五軸立臥轉(zhuǎn)換加工中心溫度測(cè)點(diǎn)優(yōu)化方法，其特征在于，步驟2中提出solidworks-hypermesh-ansys聯(lián)合的零件配合表面-零件基體精細(xì)化有限元建模方法，即對(duì)整機(jī)主要結(jié)合面進(jìn)行網(wǎng)格分層處理，自動(dòng)網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，確定網(wǎng)格分層節(jié)點(diǎn)，對(duì)導(dǎo)軌滑塊副、絲杠螺母副及軸承副結(jié)合面的網(wǎng)格尺寸和網(wǎng)格密度進(jìn)行精細(xì)化調(diào)整，其他部位保持不變，同時(shí)保證節(jié)點(diǎn)相互連接。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于精細(xì)化有限元的五軸立臥轉(zhuǎn)換加工中心溫度測(cè)點(diǎn)優(yōu)化方法，其特征在于，步驟3中首先進(jìn)行整機(jī)的穩(wěn)態(tài)熱分析，直接加載所得的熱載荷，同時(shí)設(shè)置邊界條件，獲得整機(jī)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，隨后對(duì)穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，設(shè)置固定支撐獲得整機(jī)熱變形場(chǎng)，最后根據(jù)溫度云圖與熱變形云圖得到整機(jī)穩(wěn)態(tài)下的溫度敏感點(diǎn)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于精細(xì)化有限元的五軸立臥轉(zhuǎn)換加工中心溫度測(cè)點(diǎn)優(yōu)化方法，其特征在于，步驟4中，基于改進(jìn)k值聚類法依次對(duì)整機(jī)的穩(wěn)態(tài)溫度敏感點(diǎn)進(jìn)行聚類分析，選取出不同類的溫度敏感點(diǎn)集合；利用灰色關(guān)聯(lián)算法獲得各類集合的中各個(gè)溫度敏感點(diǎn)的灰色關(guān)聯(lián)度，基于所得灰色關(guān)聯(lián)度值對(duì)各類的溫度敏感點(diǎn)進(jìn)行排序，取各類灰色關(guān)聯(lián)度值最高的溫度敏感點(diǎn)為最優(yōu)測(cè)點(diǎn)，獲得整機(jī)溫度測(cè)點(diǎn)的位置。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于精細(xì)化有限元的五軸立臥轉(zhuǎn)換加工中心溫度測(cè)點(diǎn)優(yōu)化方法，其特征在于，步驟5中，基于最佳溫度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行溫度采集在此基礎(chǔ)上對(duì)整機(jī)進(jìn)行熱誤差建模及熱誤差補(bǔ)償，最后通過對(duì)比整機(jī)加工精度以驗(yàn)證溫度敏感點(diǎn)優(yōu)化方法的有效性。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于精細(xì)化有限元的五軸立臥轉(zhuǎn)換加工中心溫度測(cè)點(diǎn)優(yōu)化方法，屬于數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括如下步驟：計(jì)算五軸立臥轉(zhuǎn)換加工中心熱源載荷及邊界條件；利用Solidworks?Hypmesh?Ansys聯(lián)合進(jìn)行五軸立臥轉(zhuǎn)換加工中心零件配合表面?零件基體精細(xì)化有限元建模；S30通過熱力耦合分析獲取整機(jī)溫度場(chǎng)及變形場(chǎng)，獲取溫度測(cè)點(diǎn)；基于改進(jìn)K值聚類法?灰色關(guān)聯(lián)度法對(duì)整機(jī)溫度敏感點(diǎn)進(jìn)行分析，進(jìn)行溫度測(cè)點(diǎn)優(yōu)化；基于最佳溫度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行溫度采集，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行熱誤差建模及熱誤差補(bǔ)償，最后結(jié)合整機(jī)加工精度以驗(yàn)證溫度敏感點(diǎn)優(yōu)化方法的有效性。該方法可解決結(jié)合面自動(dòng)網(wǎng)格劃分導(dǎo)致的整機(jī)熱特性數(shù)值仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不符問題。

技術(shù)研發(fā)人員：張彩霞,葉忠,李迎,李寧,李紫慧,趙永勝,劉志峰,張忠文
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/24