摘 要

磨齿机受热变形产生热误差，其对成形磨齿机加工精度的影响较大。研究显示提高磨齿机加工精度最经济有效的方法是建立热误差模型，通过其对机床的热误差进行预测和补偿。因此对数控成形磨齿机热误差模型的研究已成为国内外学者研究的热门话题。本论文的研究基于建立热误差模型的两个关键点：一是选择合适的热关键点，二是建立精度高、稳定性好的热误差模型。首先理论分析了某大型数控成形磨齿机的结构特点及其温度场和热变形，并以磨齿机的电主轴为例，用ANSYS Workbench软件分析其温度场和变形场，再以加工直齿轮为例分析了热误差与齿形精度之间的关系。然后进行实验，在实验平台上布置了24个温度传感器测量温度，和2个位移传感器分别测量砂轮和工件轴沿X轴方向的热变形量，并计算测温点温度与热误差值之间的相关系数，用相关系数法筛选出温度敏感点，减小温度耦合对热误差模型精度的影响。最后建立BP神经网络模型，并对比实测热误差与模型预测误差值，分析模型的预测精度。

关键词：数控成形磨齿机 热误差模型 温度传感器布置的优化 BP神经网络

Thermal error analysis for CNC gear profile grinding machine

Abstract

The thermal error deformation of computer numerical control (CNC) gear profile grinding machine play an important role during the machining process. Researches show that thermal error model which can forecast and compensate the thermal error deformation is the most efficient method and costs less. Many researchers have paid close attention to the development of thermal error model. There are two key points while establishing thermal error model. On the one hand, carefully selecting the thermal sensitive points which can greatly indicate the temperature of the machine is of significance. On the other hand, establishing thermal error model with high precision and stablity is also important.In this paper, the thermal field and the thermal deformation are theoretically analysed. As an example, we use ANSYS Workbench to achieve thermal field and the related deformation of the motorized spindle with the given heat load and the boundary condition. And then , how thermal error produces an effect on gear profile is talked about in this paper. What is more, a thermal error experiment platform with 24 thermal sensors and 2 displacement sensors is built to measure the temperature and the thermal error deformation of X direction of the grinding wheel and the workpiece shaft respectively. In order to reduce the number of the temperature variables, correlation coefficient method is used to optimize temperature sensitive points. At last, a Back Propagation neural network model is established to forecast the value of the thermal error. The value of the real thermal error and the value that was predicted are compared at the end of the paper.

Key words: CNC gear profile grinding machine; thermal error model; the optimization of the temperature sensitive points; Back Propagation neural network model

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 引言 1

1.1 课题背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本论文的主要研究 3

第二章 数控成形磨齿机热分析 4

2.1 成形磨齿机热分析 4

2.1.1 成形磨齿机结构分析 4

2.1.2 成形磨齿机热源分析 5

2.1.3 成形磨齿机热变形分析 7

2.2 有限元分析电主轴 8

2.2.1 热边界条件的确定 8

2.2.2 有限元分析 11

2.3 机床热源影响与齿轮精度之间的关系 13

2.3.1 线性位移变化 13

2.3.2 角度变化 14

2.3.3 部分直线度变化 16

2.4 本章小结 17

第三章 温度传感器的布置及优化 18

3.1 温度传感器布置 18

3.1.1 温度传感器布置 18

3.1.2 实验平台搭建 19

3.2 热关键点的确定 20

3.2.1 热关键点的确认方法 20

3.2.2 热关键点的筛选 21

3.3 本章小结 23

第四章 热误差建模 24

4.1 建模方法介绍 24

4.1.1 经验热误差模型 24

4.1.2 理论热误差模型 24

4.2 热误差建模 25

4.3 本章小结 28

第五章 本文总结与展望 29

5.1 本文工作总结 29

5.2 工作展望 30

参考文献 31

第一章 引言

1.1 课题背景

。齿轮传动具有传动效率高、传动比稳定、寿命长等优点。因此其广泛应用于航空、机床、石油化工等多个领域。但是，一直以来我国设计和制造齿轮的水平低，齿轮质量不高，因此应大力提高齿轮制造精度。研究表明高精度硬齿面齿轮具有高承载能力，高抗疲劳强度和良好的耐磨性，应对其进行大力发展。田沙等人提出了磨齿是加工高精度硬齿面齿轮并对其进行修形的最佳方法^[1]。

。展成砂轮磨齿机基于啮合切削的原理，其中运用最广泛的是蜗轮蜗杆砂轮磨齿机。蜗轮蜗杆砂轮磨齿机的加工原理类似于滚齿机的加工原理，蜗轮蜗杆砂轮磨齿机的砂轮形状为蜗杆状，加工过程中，砂轮与齿轮工件啮合，将工件展成齿轮的渐开线形状，该方法多用于加工小模数齿轮^[2]。成形砂轮磨齿机基于成形加工的原理，砂轮轴截面被截形修整为与齿轮齿槽相一致的界面，进行成形磨削，该方法多用于加工大直径，大模数，少齿数齿轮^[3]。与展成砂轮磨齿机相比，成形磨齿机优点显著，主要表现在其操作简单、方便，效率高，磨削精度高、稳定性好，应用范围广等方面。因此工业生产中越来越多地使用成形磨齿机生产齿轮，提高其加工精度也成为国内外研究的热门课题。

影响成形磨齿机加工精度的误差分为热误差、几何误差与力引起的误差，如今，机械加工技术发展迅速，机械零件制造时产生的几何误差和安装过程中产生的安装误差已经得到了很好的控制，因此热误差对机床加工精度的影响越来越突出，Peklenik 教授在他的论文中提到热误差引起的制造误差达40% -70%^[4]，而在精密机床中热误差对加工精度的影响更大。所以，。

1.2 国内外研究现状

为了减小机床热误差对加工精度的影响，从上世纪50年代开始人们便着手攻克这一难题。人们从多方面进行研究，其中包括设计和改进测量误差的设备，提出并改进优化温度敏感点的方法，建立和改进。

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