● 摘要
随着制造技术的不断发展，要求数控机床必须具有高速、高刚度和高精度等优点。在设计机床时如果能对机床的热动力学性能和机床精度进行精确预测和评估，对提高机床的设计水平具有重要意义。由于机床结构庞大，直接采用原型实验将遇到空间限制、实验难度大、实验成本高、实验周期长等诸多困难，因此，采用热动力特性相似模型来分析和评价机床的结构是否满足设计要求，具有一定的应用价值。本论文依托“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项项目(2009ZX04001-012)，针对BVG系列高速立式加工中心，采用理论与实验相结合的研究方法，完成以下几方面的工作：
1. 建立高速立式加工中心的热动力学仿真模型。采用ABAQUS仿真软件进行机床多模态振动分析，得到机床的固有频率和振型，判断机床结构的薄弱环节。计算机床在典型铣削工况下的切削力和激励频率范围，通过谐响应分析确定机床在切削过程中应避开的工作频段，并通过实验验证有限元模型的正确性。
2. 以高速立式加工中心主轴轴承发热量、主轴旋转对流散热系数及机床外表面自然对流换热系数等为初始条件，结合机床实际使用环境分析整机温度场的分布情况。在其基础上采用热力耦合方式得到主轴和机床因热而产生的应变分布情况，验证了机床热态特性满足设计要求。
3. 研究高速立式加工中心结合面的热动力学特征参数对机床热动力学特性的影响。通过改变结合面参数阻尼、热阻获取其与整机固有频率、温度场分布、热应力和热变形的关系，为采用相似分析法优化机床结构和性能评估建立基础。
4. 通过高速立式加工中心热动力学相似模型的设计及实验，验证了采用相似分析方法研究机床热动力学特性的准确性和可行性。以相似分析法为基础，采用复杂系统分层及逐层设计的方法，运用量纲法完成高速立式加工中心相似模型的理论设计。分别对机床和相似模型进行了模态及热传导实验。将机床测试结果与有限元分析结果进行对比，验证了机床有限元模型的准确度。完成了机床原型和相似模型对比实验，原型与相似模型组成的相似系统的相似度计算，验证了相似分析法进行结构优化分析的可行性。
5. 针对对高速立式加工中心动力学性能有重要影响的导轨滑块结合面，开展了机床原型整机状态下、原型部件状态下、相似模型部件状态下的刚度分析，依据相似比的理论计算结果与实验结果的对比，提出采用相似分析法时对不同层次的同一物理量、不同物理量的相似比应分别研究。
6. 针对机床精度保持性问题，基于相似分析法，结合通过多年机床精度测试而得到的机床几何精度数学模型，提出一种机床精度保持性的相似评估方法。分别计算机床相似运动系统的相似元的数量相似度和特征相似度，得到机床精度相似系统的相似度。将相似度与机床精度变化曲线相结合，提出一种机床精度保持性的相似评估法。