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研究生:王義傑
研究生(外文):Yi-jie Wang
論文名稱:工具機主軸與滾珠導螺桿之熱變位模擬分析
論文名稱(外文):A Simulation Study of Thermal Deformation of Machine Tool Spindle and Ball Screw
指導教授:張嘉隆張嘉隆引用關係
指導教授(外文):Chia-Lung Chang
學位類別:碩士
校院名稱:國立雲林科技大學
系所名稱:機械工程系碩士班
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:101
中文關鍵詞:有限元素工具機主軸滾珠導螺桿熱變位摩擦熱
外文關鍵詞:Machine Tool SpindleThermal DeformationFrictional HeatFEMBall Screw
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為了增加工具機的效率,近年來工具機朝向高速化、高精度化的發展趨勢,為了達到此目的,工具機主軸轉速與進給速率勢必提高,但速度提高時,所造成的溫升熱變形,會直接地影響到加工件的加工精度。為了確保工具機精度之穩定,需從環境溫度的變化、機台熱源發熱、散熱與機台熱變位進行研究分析,才能掌握其基本特性。
本研究將探討工具機的兩大關鍵元件的熱變位,第一部份探討主軸因為溫升產生的熱變形,利用機設及熱傳公式估算其熱源與對流係數,藉由有限元素分析軟體ANSYS進行工具機主軸之熱傳與熱變位模擬分析,並與實驗量測值比較做討論。第二部份為預測滾珠導螺桿因為溫升而產生的熱變形,利用有限元素分析軟體ANSYS模擬其行為,預測其變形,結果可當日後實驗量測的參考依據。
In order to improve the efficiency of machine tools, the development of machine tools is toward high speed and high accuracy. To meet this trend, the speed and feed rate of spindle are increased. The high speed causes higher deformation, which affects the accuracy of machine tools. To maintain the accuracy of machine tools, the effects of environment temperature, heat sources, and heat transfer mechanisms on machine tools must be studied.

In this study, the thermal deformation of two key components of machine tools: spindle and ball screw are studied. In the first part, finite element software ANSYS is used to perform the thermal and structural analysis of spindle under the friction heat generated by bearings. The simulated results of temperature distribution and axial deformation are verified by experimental measurements. In the second part, the thermal and structural analysis of ball screw are carried out by ANSYS. The effects of moving speed of sleeve on temperature distribution and deformation of ball screw are also discussed.
中文摘要 ----------------------------------- i
英文摘要 ----------------------------------- ii
誌謝 ----------------------------------- iii
目錄 ----------------------------------- iv
表目錄 ----------------------------------- vii
圖目錄 ----------------------------------- viii
符號說明 ----------------------------------- xi
第一章 緒論-------------------------------
1.1 前言-------------------------------
1.2 動機與目的-------------------------
1.3 文獻探討---------------------------
第二章 研究方法---------------------------
2.1 有限元素法簡介---------------------
2.2 熱傳之有限元素表示-----------------
2.3 ANSYS熱分析------------------------
2.3.1 ANSYS的熱分析功能------------------
2.3.2 邊界條件和初始條件-----------------
2.3.3 ANSYS熱分析基本過程----------------
2.3.4 耦合場分析-------------------------
2.4 熱分析分類-------------------------
2.5 ANSYS的熱分析流程------------------
第三章 熱傳遞相關理論
3.1 熱傳基本概念-----------------------
3.1.1 熱傳導理論-------------------------
3.1.2 熱對流-----------------------------
3.1.3 熱輻射-----------------------------
3.2 熱對流係數-------------------------
3.3 熱傳導基礎理論---------------------
3.3.1 溫度場-----------------------------
3.3.2 熱力學第一定律---------------------
3.3.3 熱傳導的微分方程-------------------
3.4 工具機熱源估算---------------------
3.4.1 軸承壽命---------------------------
3.4.2 軸承負載---------------------------
3.4.3 不同可靠度的軸承壽命估算-----------
3.4.4 滾動軸承的摩擦熱-------------------
3.4.5 滾珠螺桿與螺帽之負載---------------
3.4.6 馬達電能轉換熱---------------------
第四章 主軸與滾珠導螺桿熱變位模擬---------
4.1 主軸熱變位檢測機台-----------------
4.1.1 位移感測器-------------------------
4.1.2 溫度感測器-------------------------
4.1.3 訊號擷取---------------------------
4.2 量測實驗---------------------------
4.2.1 主軸溫升位移檢測-------------------
4.2.2 主軸熱變位-------------------------
4.3 主軸熱傳分析模擬-------------------
4.3.1 繪出幾何模型-----------------------
4.3.2 設定材料性質-----------------------
4.3.3 熱源負載及邊界條件設定-------------
4.3.4 有限元素法之收斂性分析-------------
4.3.4.1 h-收斂分析-------------------------
4.3.4.2 p-收斂分析-------------------------
4.3.4.3 工具機主軸模擬之收斂分析-----------
4.3.5 熱傳分析求解與模擬結果-------------
4.3.5.1 穩態分析---------------------------
4.3.5.2 暫態分析---------------------------
4.4 主軸熱變位模擬分析-----------------
4.4.1 幾何模型建立-----------------------
4.4.2 元素選擇及網格分割-----------------
4.4.3 給定材料性質-----------------------
4.4.4 熱源負載及邊界條件設定-------------
4.4.5 結構分析求解與模擬結果-------------
4.4.5.1 穩態分析---------------------------
4.4.5.2 暫態分析---------------------------
4.5 結果與討論-------------------------
4.6 滾珠導螺桿熱傳模擬-----------------
4.6.1 幾何模型建立-----------------------
4.6.2 材料性質設定-----------------------
4.6.3 熱源負載及邊界條件設定-------------
4.6.4 螺桿模擬之網格收斂分析-------------
4.6.5 熱傳分析求解與模擬結果-------------
4.6.5.1 穩態分析---------------------------
4.6.5.2 暫態分析---------------------------
4.7 滾珠導螺桿熱變位分析模擬-----------
4.7.1 繪出幾何圖形-----------------------
4.7.2 給定材料性質-----------------------
4.7.3 給定元素形式及分割網格-------------
4.7.4 熱源負載及邊界條件設定-------------
4.7.5 結構模態分析求解與模擬結果---------
4.7.5.1 穩態分析---------------------------
4.7.5.2 暫態分析---------------------------
4.8 結果與討論-------------------------
第五章 結論-------------------------------
【1】 孟令人,1998,“高精度工具機熱變形補償控制 系統”,國立台灣大學, 碩士論文。
【2】 丘國勤,1993,“綜合加工機熱誤差之量測與即時補償”,國立中正大學, 碩士論文。
【3】 陳志明,2002,“高速單軸線性馬達進給平台結構熱變位模擬分析”,國立雲林科技大學,碩士論文。
【4】 林進福,1991,“工具機誤差的量測與補償”,國立台灣大學,碩士論文。
【5】 王靖霈,2002,“三軸工具機誤差分析及量測”,國立成功大學,碩士論 文。
【6】 蔡坤妙,1994,“電腦輔助工具機熱誤差量測與補償”,國立中正大學, 碩士論文。
【7】 陳政雄、鄭富榮,1993,“綜合加工機主軸熱變形之即時補償”,第十屆機械工程研討會論文集,頁497-506,十二月。
【8】 J. S. Chen and I. C. Dwang, 2000, “A ball screw drive mechanism with piezo-electric nut for preload and motion control”, International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 40, pp.513-526.
【9】 Min-yang Yang and Jin-ho Park, 1998, “Analysis of setting errors in precision ball screw machining and the automatic adjustable center”, International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 38, pp. 965-979.
【10】洪昆裕,1994,“工具機切削中熱誤差的量測與補償”,國立台灣大學, 碩士論文。
【11】曾柏昌,1995,“CNC綜合加工機之熱誤差補償技術”,第十二屆機械工程研討會論文集,頁281-290,十二月。
【12】Yiding Wang, Guoxiong Zhang, Kee S. Moon and John W. Sutherland,1998,“Compensation for the thermal error of a multi-axis machining center”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 75, pp. 45-53.
【13】高銘哲,2006,“精密刀具磨床之主軸熱變位暨刀具定位之探討”,國立雲林科技大學,碩士論文。
【14】廖子恩,2000,“滾珠螺桿溫升熱變位量測之研究”,國立中正大學,碩士論文。
【15】黃暉笙,2007,“高精密搪床之滾珠導螺桿熱變位量測與模擬分析”,國立雲林科技大學,碩士論文。
【16】 S. K. Kim and D. W. Cho,1997“Real time estimation of temperature distribution in a ball screw system”, International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol.37 No.4 , pp.451-464.
【17】Otakar Horejs,2007,“Thermo-mechanical model of ball screw with non-steady heat sources”, IEEE Thermal Issues in Emerging Technologies, THETA 1,Caior, Egypt, pp.133-137.
【18】 鄧應揚,2000,“工具機進給系統之熱傳分析”,國立中正大學,碩士論文。
【19】孫明華,2002,“預壓對滾珠螺桿磨耗之實驗探討”,國立中興大學,碩士 論文。
【20】吳政憲、朱佑泰、林祺明,2000,“進給系統熱誤差量測與補償”,第十七屆機械工程研討會論文集,第四冊,頁497-504,十二月。
【21】Shyh-chour Huang,1995,“Analysis of a model to forecast thermal deformation of ball screw feed drive systems”, International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol.35 No.8 pp.1099-1104.
【22】T. A. Harris, 1991, Rolling bearing analysis, 3 rd Edition, John Wiley and sons,New York.
【23】張國智、胡仁喜、陳繼剛,2007,ANASYS 10.0 熱力學有限元分析,機械工業出版社。
【24】林廣台、林世榮,熱傳遞學,1989,高立圖書公司。
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