[發(fā)明專(zhuān)利]一種可預(yù)測(cè)滾珠絲杠溫升及熱誤差的建模方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110698141.5
• 申請(qǐng)日: 2021-06-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113591339A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-11-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 滿(mǎn)兵;郭永環(huán);范希營(yíng)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 江蘇師范大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/23
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/23;G06N3/00;G06N3/04;G06N3/08;G06F119/08
• 代理公司: 北京淮海知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 32205
• 代理人: 楊曉亭

本發(fā)明公開(kāi)了一種可預(yù)測(cè)滾珠絲杠溫升及熱誤差的建模方法，針對(duì)傳統(tǒng)熱誤差模型中忽略滾珠絲杠螺母副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)與滾珠絲杠熱誤差之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的問(wèn)題，提出一種考慮實(shí)際工況的瞬態(tài)熱?結(jié)構(gòu)耦合模型，利用APDL將滾珠絲杠螺母設(shè)定為移動(dòng)熱源載荷，定義滾珠絲杠螺母副與滾珠絲杠的位移?時(shí)間關(guān)系，模擬滾珠絲杠在軸承和滾珠絲杠螺母副熱源作用下的溫度和熱變形分布，并以溫升數(shù)據(jù)為輸入、熱誤差數(shù)據(jù)為輸出建立了基于粒子群算法PSO優(yōu)化灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)GNN熱誤差預(yù)測(cè)模型，結(jié)果表明，該建模方法能夠較好地預(yù)測(cè)進(jìn)給系統(tǒng)的熱誤差，進(jìn)而可以為實(shí)際工況下滾珠絲杠熱誤差的補(bǔ)償提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種建模方法，具體是一種基于滾珠絲杠瞬態(tài)熱-結(jié)構(gòu)耦合特性的可預(yù)測(cè)滾珠絲杠溫升及熱誤差的建模方法，屬于精密機(jī)床制造技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

滾珠絲杠因其具有高精度、高效率和剛度高的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)。然而，在高速進(jìn)給過(guò)程中，軸承和螺母之間會(huì)產(chǎn)生大量的摩擦熱，從而導(dǎo)致溫升和熱變形。滾珠絲杠進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的熱變形會(huì)導(dǎo)致定位偏差，最終導(dǎo)致加工精度下降。因此，合理地對(duì)機(jī)床滾珠絲杠熱誤差進(jìn)行建模，并以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)熱誤差的補(bǔ)償對(duì)于提高機(jī)床加工精度具有重要的意義。

現(xiàn)有技術(shù)中針對(duì)滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)熱誤差的探究通常是研究滾珠絲杠溫度與熱誤差之間的關(guān)系，通常研究方法包括以下兩種：

第一種方法是利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)確定熱誤差與溫升之間的關(guān)系。如先利用臨界發(fā)熱量點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)采用回歸分析方法對(duì)熱誤差進(jìn)行理論建模，再在不同的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，以研究熱膨脹對(duì)滾珠絲杠進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的影響；又如基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和NARMA-L2模型建立軸承溫升與運(yùn)行工況的關(guān)系，等等。但上述基于試驗(yàn)的誤差建模方法往往需要更多的傳感器，因此成本較高，且對(duì)于關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)部件的溫度測(cè)量十分困難，往往很難得到真實(shí)的數(shù)據(jù)。

第二種方法是利用理論模型來(lái)預(yù)測(cè)熱誤差。通常采用有限差分法和有限元法來(lái)計(jì)算滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的熱特性。如采用三維有限元分析方法對(duì)導(dǎo)軌和進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行瞬態(tài)熱-結(jié)構(gòu)耦合分析、并建立有限元模型，進(jìn)而得到熱誤差的有限元模擬結(jié)果；又如基于熱力三維有限元模型的預(yù)緊力隨溫度升高而變化的數(shù)值模擬方法；再如將有限元法與蒙特卡羅法相結(jié)合對(duì)滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的熱流率、溫度分布和熱誤差進(jìn)行預(yù)測(cè)，等等。利用有限元法對(duì)滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的熱特性進(jìn)行研究，雖然方便、且成本低，但數(shù)值模擬的熱源和邊界條件的計(jì)算值與實(shí)際工況往往具有一定的差異，進(jìn)而影響仿真精度。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種可預(yù)測(cè)滾珠絲杠溫升及熱誤差的建模方法，根據(jù)滾珠絲杠螺母實(shí)際工況的相對(duì)運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)與滾珠絲杠熱誤差之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系建立瞬態(tài)熱-結(jié)構(gòu)耦合模型，能夠較好地預(yù)測(cè)進(jìn)給系統(tǒng)的熱誤差，進(jìn)而可以為實(shí)際工況下滾珠絲杠熱誤差的補(bǔ)償提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本可預(yù)測(cè)滾珠絲杠溫升及熱誤差的建模方法具體包括以下步驟：

步驟一、構(gòu)建瞬態(tài)熱-結(jié)構(gòu)耦合有限元仿真模型：首先建立滾珠絲杠理論三維模型、并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后根據(jù)軸承的發(fā)熱量計(jì)算和滾珠絲杠螺母副的發(fā)熱量計(jì)算進(jìn)行熱邊界條件計(jì)算，最后在理論三維模型的基礎(chǔ)上利用APDL將滾珠絲杠螺母副產(chǎn)生的熱量作為移動(dòng)熱載荷進(jìn)行移動(dòng)熱載荷加載，通過(guò)對(duì)熱流密度和對(duì)流系數(shù)的分段加載和卸載，計(jì)算滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的溫度場(chǎng)與熱變形場(chǎng)，構(gòu)建瞬態(tài)熱-結(jié)構(gòu)耦合有限元仿真模型；

步驟二、構(gòu)建PSO-GNN熱誤差預(yù)測(cè)模型：在瞬態(tài)熱-結(jié)構(gòu)耦合有限元仿真模型的基礎(chǔ)上，首先構(gòu)建以溫升數(shù)據(jù)作為輸入、將熱誤差數(shù)據(jù)作為輸出的灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱誤差預(yù)測(cè)模型，其次用粒子群算法優(yōu)化灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型生成PSO-GNN熱誤差預(yù)測(cè)模型。

進(jìn)一步的，步驟一中，將滾珠絲杠螺母副產(chǎn)生的熱量作為移動(dòng)熱載荷進(jìn)行移動(dòng)熱載荷加載時(shí)，選取7200s作為仿真總時(shí)長(zhǎng)，每走一步先刪除滾珠絲杠螺母副與滾珠絲杠接觸面的熱對(duì)流系數(shù)、再將熱流密度施加到滾珠絲杠與軸承上。