大型精密機床橫梁變形補償技術

中捷機床有限公司 (遼寧沈陽 110142) 郭志超 王世超 孫中權

當前，大跨距的重型龍門式機床已成為能源、電力、航空航天及船舶等行業必需的重型加工設備。大型龍門式機床突出特點之一，就是大跨距的橫梁部件，其機械性能的好壞直接影響到機床的最終加工精度。而跨距增大隨即帶來的就是橫梁嚴重的自重變形，如何有效地解決這一問題，并以此為基礎促使大跨距龍機床精度的進一步提高，便成各機床廠家及相關科研機構的重要攻關課題。對于運動式的大跨距重載橫梁，如何有效保障分析結果的可靠性、如何準確處理加工過程中與實際裝配中的位置差異性帶來的數據處理等問題都鮮見報道。

1.橫梁工藝分析

傳統的橫梁由于跨距較短、自重變形小，所以橫梁的導軌都是按直線加工的。對于跨距稍大的橫梁在安裝調試過程中就會發現橫梁因為自重及承載發生了塌腰變形，致使機床橫梁方向直線度不合。此時傳統的修正方法就是按照經驗反復加修，這不但影響了安裝進度，還會造成極大地成本浪費。

此外，傳統的修正方法過于依賴主觀經驗，難于形成嚴謹的技術體系，對于大跨距橫梁的變形加工、修復更是難以實現。為此，本文提出基于加工階段，通過有限元分析和現場實際檢測相結合的方法來解決這一問題，并明確相關技術要點，確保技術的準確性。

文中分析選用的橫梁為鑄鐵材質，橫梁長度13 m，滑枕及滑板部件在橫梁導軌面上滑動。如圖1中上導軌的5面與下導軌的3面為移動部件的X向基準定位約束，下導軌1面提供Z向的基準定位約束。

圖1 橫梁導軌基面圖

該龍門產品在驗收時要求滑板沿橫梁方向運行的正向和側向直線度均小于0.03 mm，即需要通過適當的工藝手段保障安裝后的橫梁導軌基準面的直線度處于精度許可范圍內。如圖2為按照傳統的直線加工方法加工后的橫梁于安裝狀態下的變形情況，最大彎曲變形量達0.34 mm，若在機床Z軸的滑枕長度在內，其裝配后的精度固然與要求相差甚遠。可見傳統的直線加工方法難以滿足大跨距橫梁導軌的直線度要求，而橫梁較長其修復加工的過程也必然復雜難以進行。接下來文中就將介紹一種基于有限元分析的變形補償技術－仿形加工方法。

圖2 橫梁工作狀態變形圖

2.橫梁仿形加工

仿形加工技術的難點是如何找到輪廓準確的仿形加工數據。大型龍門機床多為動梁結構，橫梁在立柱上處于“立式”狀態，即工作狀態，固定由兩側導軌及背部壓板、兩側下端的絲杠母座及一單側下端的導向導軌共同作用實現，此時橫梁的承載主要是自身及其上面左右滑動部件的重量;處于加工狀態下的橫梁多處于“仰式”狀態，此時橫梁僅承受自身重力，其支撐方式由加工需求及工藝要求決定，通常采用四點支撐放置。加工狀態與工作狀態姿勢上的區別，也增加了仿形數據的獲取難度。本文以1面為例，以有限元分析和實際檢測為基礎，通過模型修正與數據擬合的辦法求取橫梁1基面的仿形加工曲線，具體過程如下。

(1)橫梁有限元模型的建立 (見圖3):對橫梁模型進行適當簡化，忽略橫梁上螺栓孔等非重要結構。

圖3 有限元模型加載圖

邊界條件處理:合理的邊界條件是仿真計算結果可靠性的重要保障。本文中進行的分析與真實橫梁的加工過程同時進行，經過數次的加工實踐數據與模擬計算數據的真實對比，保障了模型邊界條件的準確性。

橫梁承載的模擬:對于橫梁承載研究過程中采用模型加載的方式，即建立完整的移動部件模型，通過固定聯接、摩擦聯接等方法將移動部件模型與橫梁導軌聯接起來。

(2)仿形曲線獲取與檢驗:仿形加工的目的之一就是通過對橫梁導軌“加肉”的方式抵消自身及滑枕結構重量帶來的橫梁塌腰變形。在橫梁行程范圍內按200 mm長度分成若干個工作位置，分析移動部件及自重在各個位置產生的橫梁變形，并采集對應導軌數據，完成曲線獲取。

曲線獲取的具體過程如下:分析加工狀態下的橫梁1面的變形曲線。如圖4所示，理想的橫梁模型“仰式”四點支撐放置，定義導軌面變形的拾取路徑，路徑位于導軌面的中心線處，其近似于模擬導軌面的平均變化值。拾取點間隔距離參照直線度檢測儀器的測量間距 (200 mm)，并與之后計算中拾取點位置統一。

通過有限元計算獲取導軌面1加工狀態對應的直線度曲線如圖5所示 (橫坐標為數據拾取點標號，其余對應的實際檢測標號一致，下同)。

圖4 加工位置示意圖

圖5 加工狀態導軌面變形曲線

模擬工作狀態下的橫梁1面的變形曲線:將理想的橫梁及移動部件模型“豎立”放置，并模擬其真實的邊界條件，最終獲取不同工作位置對應的1面各拾取點連成的曲線如圖6所示。

圖6 工作狀態導軌面變形曲線

曲線數據擬合處理:上述步驟中計算的是橫梁的“塌腰”彎曲變形曲線，而為了保持好導軌面平直就需要對上圖6中的曲線，相對原點反置，得到如圖7中的曲線A。處于加工位置的橫梁由于自重1面也產生了變形B，所以將圖中曲線A與曲線B做減差，進而得到仿形加工曲線C。

圖7 擬合曲線

有限元模型的檢驗與修正:在第1步我們已經獲取了加工狀態的橫梁1面變形如圖8中曲線A。同樣采取有限元分析橫梁導軌1面在無負載狀態的“立式”變形如圖8中曲線C。將曲線A與曲線C作差得到圖8中曲線B，即理論狀態橫梁導軌“仰式”與“立式”的變形差值。

圖8 理論變形曲線

在檢測實際導軌變形時，首先，我們在橫梁的半精加工后采用直線度測量儀對“仰式”狀態下按直線方式加工的橫梁導軌1面直線度進行測量。其次，將橫梁由“仰式”放置轉換成“立式”放置24 h后，檢測導軌1面的直線度。同樣將兩者作差得到如圖9中的實線。

為了檢驗橫梁的變形規律及變形量，我們采用理論變形差值與實際變形差值相對比，來確保我們的仿形加工曲線可靠。為了更直觀地顯示二者關系，排除必然的微小測量誤差，這里對理論曲線加載了適當的誤差范圍，結果如圖9所示，真實曲線位于理論推導曲線的±0.02 mm誤差范圍內，即模型準確實體變形可靠。

圖9 變形驗證曲線

反之，若真實曲線與理論曲線偏差過大，則要需將模型邊界條件、橫梁加工時的固定辦法進行統籌分析找出問題，修改相關約束條件重新分析。如果排除此類問題，將對仿形曲線進行補償后進行加工。

3.結語

對比分析該大型橫梁曲線補償加工前后的直線度:橫梁“仰式”放置，將導軌面分別采用自重曲線補償加工和直線方式加工兩種方式。加工后翻轉成“立式”狀態靜置24 h后檢測導軌面1的直線度，如圖10所示曲線A為曲線補償式加工后基面1的直線度檢測值，曲線B為直線方式加工后基面1的直線度檢測值，將曲線對應的關鍵點位置數值表格化，如附表所示。

圖10 補償加工前后直線度對比

通過附表中的數值可知，采用直線加工時基面1出現“塌腰”變形，最大變形0.149 mm，而仿形加工后則基本上避免了“塌腰”，對比仿形加工前后數據基面1的直線度由0.14 mm提高到了0.02 mm，由此可見該技術的正確運用，對保證這種大跨距橫梁導軌的直線度要求至關重要。

直線度對比表 (單位:0.001 mm)

采用仿形加工技術后橫梁實際運行時的Y軸直線度檢測:通過激光干涉儀測量已安裝完畢的龍門加工中心滑板沿橫梁Y向移動的直線度，且系統不參與補償。直線度檢測結果如圖11所示，刀尖處的正側向直線度最大偏差均小于0.03 mm達到驗收要求。

圖11 直線度實測曲線

通過理論分析傳統的加工方法不能滿足類似文中介紹的大跨距橫梁的精度要求。而通過有限元分析及數據擬合獲取橫梁的仿形加工軌跡曲線，并進一步對橫梁進行仿形加工，這種方法能有效地解決大型橫梁的加工難題，保障了大跨距橫梁產品的高精度要求得以實現，同時還為其他類似零件提供了典型示范。