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第1章 绪论1

1.1 数控机床及其在制造业中的作用1

1.1.1 数控机床发展的历史与趋势1

1.1.2 数控机床在现代制造业中的基础支撑作用4

1.1.3 工业4.0与数控机床5

1.2 数控机床热误差补偿技术概述9

1.2.1 数控机床热误差补偿的基本概念9

1.2.2 数控机床热误差补偿技术研究与应用的历史9

1.2.3 数控机床热误差补偿技术研究与应用的现状10

1.2.4 数控机床热误差补偿技术研究与应用的发展趋势15

1.3 数控机床热误差补偿技术研究与应用的意义17

第2章 数控机床误差及其检测技术、标准与设备18

2.1 数控机床误差分析18

2.1.1 数控机床误差分类18

2.1.2 数控机床误差源分析19

2.2 数控机床的几何误差21

2.3 数控机床几何误差的检测标准27

2.3.1 一条线在一个平面或空间内的直线度27

2.3.2 部件的直线度31

2.3.3 运动的直线度32

2.4 数控机床几何误差的检测方法33

2.4.1 基于单项误差分量检测的直接测量方法33

2.4.2 基于试件加工误差反求的间接测量方法34

2.4.3 基于标准参考物的综合测量方法34

2.5 数控机床几何误差检测的检测技术及设备34

2.5.1 基于激光干涉仪的检测技术及设备34

2.5.2 基于球杆仪的检测技术及设备37

2.6 五轴数控机床误差建模原理与分析40

2.6.1 多体系统理论分析与误差建模40

2.6.2 五轴数控机床结构形式分类43

2.6.3 实验对象机床误差模型44

2.6.4 五轴数控机床的精度测评的关键技术48

2.7 五轴数控机床旋转定位误差的非接触检测方法49

2.7.1 机器视觉检测技术49

2.7.2 图像处理方法50

2.7.3 机器视觉检测流程52

2.7.4 机床旋转轴转角定位误差检测实例53

2.7.5 检测结果分析56

2.8 转台加摆头式五轴数控机床几何和伺服误差综合评价58

2.8.1 机床运动误差模型58

2.8.2 实验方法与装置60

2.8.3 实验结果分析与验证61

2.9 双转台式五轴数控机床旋转轴误差检测与辨识方法65

2.9.1 五轴数控机床旋转轴误差定义65

2.9.2 五轴数控机床旋转轴误差辨识原理和流程66

2.9.3 五轴数控机床旋转轴误差辨识模型67

2.9.4 旋转轴误差检测方法70

2.9.5 误差辨识过程72

2.10 双摆头式五轴数控机床空间误差分析模型75

2.10.1 九线法检测原理75

2.10.2 基于多体系统的机床精度预测建模81

2.11 数控机床圆度误差检测与误差分离方法86

2.11.1 误差源的轨迹模式及误差传递函数87

2.11.2 圆度误差检测误差分离90

2.11.3 不同圆度误差检测方法比较91

2.12 基于层次分析法的数控机床精度评价系统96

2.12.1 基于层次分析法的模糊综合评判96

2.12.2 五轴数控机床精度评价过程98

2.12.3 基于J2EE的数控机床精度测评系统101

第3章 数控机床热误差及其形成机理109

3.1 数控机床热误差影响因素分析109

3.2 数控机床热量传递类型与传递方程110

3.2.1 数控机床热量传递类型110

3.2.2 数控机床热量传递方程112

3.2.3 机床导热微分方程和热弹性运动方程113

3.2.4 机床热误差多体系统理论方程114

3.3 基于热态信息链的机床热误差机理研究117

3.3.1 机床热态信息链概念及理论模型117

3.3.2 机床热态信息链在热误差机理研究中的作用119

3.4 数控机床热误差补偿体系结构及其关键支撑技术120

3.4.1 数控机床热误差补偿体系结构120

3.4.2 热误差硬件抑制技术120

3.4.3 热误差软件补偿技术121

第4章 数控机床热误差仿真分析技术123

4.1 数控机床重点热刚度辨识原理与技术123

4.1.1 机床热刚度123

4.1.2 机床重点热刚度定义123

4.1.3 机床重点热刚度辨识124

4.2 对流换热系数的迭代修正130

4.2.1 对流换热系数初始值计算131

4.2.2 对流换热系数迭代修正模型132

4.2.3 对流换热系数迭代修正计算步骤134

4.3 龙门加工中心X向进给系统热特性有限元分析135

4.3.1 基于ANSYS的热分析原理与基本模型135

4.3.2 龙门加工中心X向进给系统热载荷和热边界条件分析136

4.3.3 龙门加工中心X向进给系统热稳态分析140

4.3.4 龙门加工中心X向进给系统热结构耦合分析141

4.4 龙门加工中心Y向进给系统热特性有限元分析148

4.4.1 龙门加工中心Y向进给系统热源分析148

4.4.2 龙门加工中心Y向进给系统热变形分析150

4.5 龙门加工中心主轴系统热特性分析157

4.5.1 主轴系统发热量157

4.5.2 主轴系统热量传递方式及其性能参数159

4.5.3 主轴系统热稳态分析160

4.5.4 主轴系统热变形分析161

4.5.5 不同转速条件下主轴系统热态性能分析165

4.6 滚珠丝杠热性能分析166

4.6.1 热量的计算167

4.6.2 滚珠丝杠热传递性能参数169

4.6.3 滚珠丝杠的热稳态性能分析169

4.6.4 滚珠丝杠稳态热变形171

第5章 数控机床热误差硬件抑制原理与技术176

5.1 龙门加工中心X向传动系统热态特性实验与数据分析176

5.1.1 实验设计176

5.1.2 实验数据分析179

5.2 龙门加工中心Y向传动系统热态特性实验与数据分析182

5.2.1 实验设计182

5.2.2 实验数据分析185

5.3 龙门加工中心Z向传动系统热态特性实验与数据分析187

5.3.1 实验设计187

5.3.2 实验数据分析190

第6章 龙门加工中心进给系统热误差抑制与补偿193

6.1 基于热误差抑制的龙门加工中心X向进给系统热优化设计193

6.1.1 龙门加工中心X向丝杠优化设计与载荷计算193

6.1.2 优化效果验证199

6.2 龙门加工中心进给系统热误差的软件补偿202

6.2.1 龙门加工中心Y向进给系统热补偿数学模型204

6.2.2 基于西门子840D系统的热误差补偿212

6.2.3 热误差补偿软件系统开发214

6.3 龙门加工中心进给系统热误差在线补偿效果验证216

6.3.1 龙门加工中心进给系统热误差补偿实验及其分析216

6.3.2 龙门加工中心S试件切削实验及其分析218

参考文献220