1. 研究目的与意义（文献综述）
现代精加工中,热误差以占总误差40%-70%的影响比例成为限制数控机床精加工精度的重要因素。因此,控制机床热误差对于提高机床加工精度至关重要。经试验发现,主轴热误差是数控机床的主要误差源之一,主轴热误差与机床运行中的温度分布有紧密联系,主轴各方向变形量呈现出随主轴温度升高而明显增大趋势,并且主轴z方向的伸长量远大于x和y向的变形量。因此研究主轴的温度场分布及其引发的相关变形分析具有重要意义。
目前国内外在主轴的研究上已经有了大量的研究成果，在1955年，实验者通过实验测试得到了一个滚动轴承计算的经验公式。1988年，来自nsk公司的aramaki h深入研究和验证了高速陶瓷球轴承的热动力学模型。指出摩擦产热是高速电主轴的主要热源。1998年，jim kyung choi等人建立了高速主轴系统的有限元模型，对五轴联动机床进行热特性分析及其实验验证。结果表明，有限元分析方法是可行且可靠的。bossmanns等提出了一种研究能量场的分布和传热机理的有限差分模型。此外，raja v. p等通过计算热量的产生得悉了高速电主轴的温度分布情况。yeo s. h进一步研究了油气润滑的硬件特性。同时，sun-kyu lee综合考虑电机结构和高速电主轴的热产生机理成功预测并验证了高速电主轴的热变形。陈伟林和李红旗构建了hsms综合热动力学模型，并讨论了其主要影响因素。2010年，t holkup等人利用有限元分析方法研究了辊轴承的结构模型，随后对传热机理和温度分布进行了预测和相应的热变形探讨。徐哲诸等人从理论和实验两方面对精密进给传动及其热性能进行了广泛深入的研究。
误差补偿法是减小热误差最主要的方法,而进行热误差补偿,首先必须检测得到机床温度场,但是传统的测温系统存在诸多不足。相比而言,光纤bragg光栅温度传感器不仅安全可靠、抗电磁干扰、耐腐蚀、而且体积小、结构简单,测温时具备输出线性,还可实现准分布式式测量,从而成为机床测温的另一选择。因此本次研究采用光纤传感。
2. 研究的基本内容与方案
2.1 研究目标
以1060铝制长方体这种金属结构件为研究对象，利用光纤传感研究其在单侧热源作用下的温度场分布。
2.2 基本内容
（1）理论分析：根据传热学基本知识计算温度场分布，然后利用控制变量法依次分析环境温度、金属结构件的导热系数、热交换系数等对温度场的影响，得到这些影响因素对温度场的影响规律并总结。
（2）实验验证：在金属结构件某些位置贴上光纤光栅，采集在某种条件下金属件温度场分布情况。并与理论分析结果相验证。
2.3 技术方案
由于机床主轴本身结构复杂，具体研究涉及范围过广，远超本科范围。因此本次毕设将其抽象简化为一个铝制长方体。主要研究对象就确定为长方体受热时热场的传递特性。对应的实际应用是机床主轴的受热变形分析及补偿。
首先确定初步研究对象为点热源作用下铝制长方体的热场传递特征。在长方体一侧施加热源作用，然后借助FBG传感器检测长方体各部位温度变化，进而得出其温度场变化特征，后续可以在此基础上进行热误差检测与补偿。完成后可以进一步研究二维热源激励下的热传递特征，例如在空心圆柱内部加置热源，再依次进行检测分析。
具体实施方法为首先依据模型进行理论计算，再在ANSYS上仿真分析。而后设计实验进行实验测试。
（a）理论计算：初始阶段只对一侧加热，此时传热方式只有热传导。由于两个端面存在温差，此时存在沿温降方向的传热，传热速率可由傅里叶定律得出，据此可知加热过程中长方体温度分布情况。同时由于长方体与外部空气的自然对流与外部腔体墙壁间的辐射换热而存在热损，表面发射功率与辐照密度均可求得，由此可求热损速率。
（b）ansys分析：首先选择稳态热分析系统，再依次确定材料参数，在Design Molder中建立建立几何模型，进入Mechanical分析程序，选用系统默认网格进行网格划分，按实际情况施加边界载荷，设置好需要的结果----温度分析与热流密度然后便可得出结果.
(c)实验验证：
原理如上图所示，在长方体不同部位贴上光纤光栅，然后在一侧选择一定的温度梯度逐步进行水浴加热。解调仪采集由温度变化引起的波长变化信号后，在计算机上通过软件将波长信号进行显示和存储。
总体技术路线：
3. 研究计划与安排
（1）第3周前，完成文献查阅和英文翻译。
（2）第4-7周，掌握热场分析基本方法和工具，设计研究主要思路，给出开题报告。
（3）第8-15周，进行详细的研究工作，完成所有研究任务。
4. 参考文献（12篇以上）
[1] 杨才久,殷国富,刘立新,方辉,阳红.龙门加工中心主轴系统的热态性能分析技术研究[j].机械设计与制造.2011(11)
[2] 徐金忠,梁睿君,叶文华.机床温度与热误差实时检测系统的开发[j].机械制造.2009(03)
[3] 应杏娟,李郝林.数控机床主轴系统热特性有限元分析[j].工具技术.2010(01) [4] 李中华.数控机床主轴轴承热特性及相关主轴热误差建模方法研究[d].上海交通大学2010
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