基于有限元法的高速空心滚珠丝杠系统热特性仿真.pdf

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1、2010年第12期·设计与研究·文章编号：1001—2265(2010)12—0021—04基于有限元法的高速空心滚珠丝杠系统热特性仿真曹巨江，李龙刚，刘言松，孙建功(陕西科技大学机电工程学院，西安710021)摘要：以ANSYS热分析模块为工具，对高速空心滚珠丝杠系统的热态特性进行仿真，得到该滚珠丝杠系统的温度场和热位移。在分析结果的基础上，提出了改善高速空心滚珠丝杠系统热态特性的措施，为高速空心滚珠丝杠系统的设计和热变形误差补偿提供参考。关键词：滚珠丝杠；温度场；热位移；有限元法；ANSYS中图分类号：TH16；TG65文献标识码：AThe

2、rmalCharacteristicsSimulationofHighSpeedHollowBallScrewSystemBasedonFiniteElementMethodCAOJu-jiang，LILong—gang，LIUYan—song，SUNJian—gong(SchoolofMechatronicEngineering，ShaanxiUniversityofScienceandTechnology，Xian710021，China)Abstract：TakingtheANSYSthermalanalysismoduleasthere

3、searchtool，thethermalcharacteristicsofthehi曲speedhollowballscrewsystemweresimulatedandthetemperaturefielddistributionandthermaldisplacementsweregotinthispaper．Bytheresultoftheanalysis，themainmeasurestoimprovethether-malcharacteristicsofthehi曲speedhollowballscrewsystemwereput

4、forward，whichcouldbeusedasaguideforthedesignandthethermalerrorcompensationofthehighspeedhollowballscrewsystem．Keywords：ballscrew；temperaturefield；thermaldisplacement；finiteelementmethod；ANSYS0引言摩擦生热和轴承的旋转摩擦生热。由于摩擦产生的热量还是时间的函数，所以摩滚珠丝杠系统由于具有传动效率高、定位精度擦生热计算采用了热流量西(即单位时间产生的热好、刚度

5、好、运行平稳、使用寿命长等优点，被广泛应能)和热流密度q这两个参数。用于加工中心等高精设备中⋯。由于滚珠丝杠运动过程中与螺母和轴承之间的摩擦而产生热量，同时1．1滚珠丝杠螺母副摩擦热的计算随着滚珠丝杠回转速度的提高，必然导致滚珠丝杠滚珠丝杠螺母副单位时间的发热量的计算公式温度的上升，使得滚珠丝杠的轴向热位移增加。而为：且滚珠丝杠螺母副处于进给系统传动链的末级，它西=1．047×10～M·n(1)的传动误差将直接导致加工中心的定位精度下降。其中，(b为单位时间的发热量(w)；M为滚珠丝杠的为此研究滚珠丝杠系统的热特性，对提高加工中心摩擦力矩(N·

6、film)；n为滚珠丝杠的转速(r／min)。的工作精度具有非常重要的意义。本文以高速立滚珠丝杠螺母副的摩擦力矩与多种因素有关，式加工中心DVG850所使用的高速空心滚珠丝杠系但当对丝杠副施加预紧力后，其它因素的影响远远统为研究对象，应用有限元分析软件ANSYS对其在小于预紧力引起的摩擦力矩。滚珠丝杠副中由预转速为2000r／min、强制冷却系统流量为5L／min、冷紧力引起的摩擦力矩计算公式为：却水和环境温度均为20℃的情况进行仿真，分析了M=2Z(M+M)co(2)该空心滚珠丝杠系统的温度场和热变形。z为滚动体数目。为摩擦阻力矩。为几何滑移

7、摩擦力矩。为丝杠滚道的螺旋角。计算出1空心滚珠丝杠系统生热计算的滚珠丝杠螺母副热流量(单位时间的发热量)为该空心滚珠丝杠系统主要由空心滚珠丝杠、螺93．12W。经计算丝杠与螺母处产生的热流密度为q母及前后端轴承组成。其主要热源包括螺母的移动收稿13期：2010—09—20；修回日期：2010—10—18基金项目：国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项课题(2009ZX04001—014)；陕西科技大学研究生创新基金作者简介：曹巨江(1955一)，男，陕西西安人，教授，硕士研究生导师。主要研究方向为空间凸轮机构，自动包装机械理论与设计方法

8、，曲面加工及装备，(E—mail)jjcao@sust．edu．an。·设计与研究·组合机床与自动化加工技术=6590w／m。主轴转速，为空气的运动粘