本发明涉及数控机床技术领域，具体是一种主轴末端热变形合成仿真分析方法。
背景技术：
随着基础制造业和精密加工技术的不断发展，人们对于数控机床的加工精度提出了更 高的要求。大量研究与加工实践表明，对于高速高精度机床，由热变形引起的加工制造变 形所占的比例为40％-70％，热变形日益成为影响机床加工精度的重要因素。机床的主轴、 导轨、丝杠、刀具等部件都会在运动中因负载和摩擦作用而升温变形，但热变形链中最终 影响加工精度的却是主轴相对工作台的位移。因此，对于机床主轴末端热变形建模技术的 研究就显得十分必要。目前，尚没有利用有限元软件对机床主轴末端热变形进行合成的仿 真方法。一般都是针对整机或某一独立结构件进行温度场与热变形场的求解，由于不能保 证整机仿真与独立结构件仿真温度场的一致，使得仿真结果准确性不高，不能为工程实践 提供理论依据。
目综上所述，针对于目前数控机床主轴热变形仿真方法的不足，有必要提出一种新的 仿真方法，可分别仿真得出检验棒、主轴、主轴箱、立柱各结构的热变形及综合末端热变 形。该方法可通过对各结构件Z向变形量进行叠加合成，与主轴末端综合热变形对比，分 析得到各结构件对主轴末端综合热变形量的贡献。为机床精准补偿及工程实践提供理论依 据。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种主轴末端热变形 合成仿真分析方法。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种主轴末端热变形 合成仿真分析方法。利用有限元ANSYS软件对机床整机温度场进行仿真，在相同工况下， 分别对各结构件立柱、主轴箱、主轴、检验棒自身Z向热变形和整机Z向热变形进行仿 真。通过对各结构件Z向变形量进行叠加合成，与主轴末端综合热变形对比，分析得到各 结构件对主轴末端综合热变形量的贡献以及各结构件的变形规律。
所述仿真分析方法是基于通用有限元分析软件Workbench进行的，包括如下步骤：
步骤一，在几何建模软件Creo中建立机床整机模型，将主轴轴承内外圈用相同尺寸的 等效圆环代替，模型中去掉轴承内的滚动体部分，并对模型进行简化；
步骤二，将简化后的几何模型导入workbench中的稳态温度场模块，对机床整机进行 温度场计算；
步骤三，在主轴轴承内外圈添加弹簧，设置弹簧刚度；
步骤四，约束床身底面，在workbench中的静态结构模块中，进行机床综合热变形计 算；
步骤五，约束立柱滑块与导轨接触面，在workbench中的静态结构模块中，对立柱单 一结构件进行热变形计算；
步骤六，约束主轴箱滑块与导轨接触面，在workbench中的静态结构模块中，对主轴 箱单一结构件进行热变形计算；
步骤七，约束水套与主轴箱结合面，在workbench中的静态结构模块中，对主轴热变 形进行计算；
步骤八，约束检验棒根部圆周面Z向位移，在workbench中的静态结构模块中，对主 轴热变形进行计算。
在步骤一中，所述主轴轴承模型中主轴轴承内外圈用相同尺寸的等效圆环代替，模型 中去掉轴承内的滚动体部分。
在步骤三中，在所述主轴轴承内外圈添加的弹簧用来代替轴承内滚动体，弹簧刚度包 括轴向刚度和径向刚度。在轴承内圈前端面和轴承外圈后端面之间添加轴向刚度，在轴承 内外圈间添加径向刚度。并选择轴承内外圈的接触类型为frictionless,其余结构部件之 间接触类型均选为bonded。
在步骤五中，对所述立柱进行热变形计算，提取立柱两条导轨Z向变形量取平均值绘 制变形量-距离曲线，得到主轴箱上下滑块位置对应的变形量。再以主轴箱上下滑块变形量 建立一次函数，求得对应主轴中心线处立柱的Z向热变形量。
本发明具有以下技术效果:本发明的主轴热变形末端合成仿真方法，仿真过程中，考虑 到了轴承的刚度特性及接触类型，考虑到整体与独立分析中温度场的一致性，通过对各结 构件Z向变形量进行叠加合成，与主轴末端综合热变形对比，分析得到各结构件对主轴末 端综合热变形量的贡献以及各结构件的变形规律。可以为机床精准补偿提供理论依据。
附图说明
图1为主轴热变形分离仿真分析方法流程示意图。
图2为卧式加工中心模型图。
图3为温度场分布图，图中(a)为整体，(b)为立柱，(c)为床身，(d)为工作台，(e)为 主轴箱，(f)为主轴，(g)为水套，(h)为主轴转子，(i)为检验棒。
图4为轴承-弹簧刚度图，图中1为径向弹簧，2为轴向弹簧。
图5为整机变形场计算仿真图，图中(a)为约束位置图，(b)变形场分布图。
图6为立柱变形场仿计算真图，图中(a)为约束位置图，(b)变形场分布图。
图7为主轴箱变形场仿真计算图，图中(a)为约束位置图，(b)变形场分布图，(c)立柱 导轨Z箱变形量曲线图。
图8为主轴变形场仿真计算图，图中(a)为约束位置图，(b)变形场分布图。
图9为检验棒变形场仿真计算图，图中(a)为约束位置图，(b)变形场分布图。
图10为综合热误差与结构件的热变形关系图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详 细说明如下：
请参阅图1-10，一种主轴末端热变形合成仿真分析方法。
参照图1所示流程，对图2所示某一卧式加工中心主轴末端及各部件热变形进行仿真 分析。有限元仿真分析具体步骤如下：
步骤一，在几何建模软件Creo中建立机床整机模型，将主轴轴承内外圈用相同尺寸的 等效圆环代替，其中轴承型号参数、预紧力与刚度关系如下表1(a)、(b)所示，模型中去 掉轴承内的滚动体部分，并对模型进行简化；
表1
步骤二，将简化后的几何模型导入workbench中的稳态温度场模块，参照下表2施加 热载荷，对机床整机进行温度场计算，温度场结果参照图3(a-i)；
表2
步骤四，把热分析结果作为载荷导入到静态结构模块中，约束床身底面，进行机床整 机综合变形计算。图5中列出了约束及变形场结果，虚线为结构件的变形趋势；
步骤五，删除步骤四中的约束面，约束立柱滑块与导轨接触面，对立柱单一结构件进 行变形计算。图6中列出了约束及变形场结果，虚线为结构件的变形趋势。提取立柱两条 导轨Z向变形量取平均值绘制变形量-距离曲线，得到主轴箱上下滑块位置对应的变形量。 再以主轴箱上下滑块变形量建立一次函数，求得对应主轴中心线处立柱的Z向热变形量。
步骤六，删除上步中约束面，约束主轴箱滑块与导轨接触面，对主轴箱单一结构件进 行变形计算。图7中列出了约束及变形场结果，虚线为结构件的变形趋势；
步骤七，只约束主轴与主轴箱结合面，对主轴整体进行变形计算。图8中列出了约束 及变形场结果；
步骤八，约束检验棒根部圆周面Z向位移，在workbench中的静态结构模块中，对检 验棒变形进行计算。图9中列出了约束及变形场结果；
通过仿真可以得到各结构件竖直方向与主轴转子中心等高位置处Z向热变形量为：主 轴末端综合变形量为109.24μm、检验棒热伸长量为9.96μm、主轴末端热伸长量为 12.46μm、立柱Z向热变形为18.30μm、主轴箱热变形量为71.63μm。立柱热变形量对主 轴末端热伸长贡献率为16.75％，主轴箱热变形量对主轴末端热伸长贡献率为65.57％，主 轴自身与检验棒对主轴末端热伸长总贡献率为20.52％，见图10可得出主轴末端Z向综合 热变形量是由结构件的热变形量叠加产生的。叠加热伸长量略大于综合热伸长量，这是由 于综合向Z变形中受到了结构件角度误差与两两结构件垂直度误差的综合影响，不仅仅是 各结构件Z向热伸长量的简单叠加。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的 具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技 术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以 做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。