精密滑枕熱變形補償機構(gòu)研究

■中捷機床有限公司　（遼寧沈陽 110142）　郭志超 孫中權(quán) 王世超

精密滑枕熱變形補償機構(gòu)研究

■中捷機床有限公司（遼寧沈陽 110142）郭志超 孫中權(quán) 王世超

摘要：本文分析了溫度對精密滑枕產(chǎn)生的影響，介紹一種數(shù)控機床的滑枕熱變形補償機構(gòu)，以低熱膨脹系數(shù)連桿將滑枕前端與滑枕位移測量系統(tǒng)相連，能夠?qū)?shù)控機床滑枕熱變形進(jìn)行實時測量，實現(xiàn)位移的精確補償。

滑枕是龍門式機床產(chǎn)品的關(guān)鍵部件之一，而工作狀態(tài)下的滑枕由于內(nèi)外部熱源不斷作用，使其各局部位置溫度不斷變化，在形成非均勻溫度場的同時還帶給了滑枕復(fù)雜的熱變形特性，進(jìn)而導(dǎo)致滑枕定位的理論值與實際值產(chǎn)生偏差，嚴(yán)重影響了機床加工精度。

研究表明：精密加工中由熱變形引起的加工制造誤差占總誤差的比例可達(dá)40%～70%。為了消除溫度變化對滑枕定位精度的影響，本文采用機械式補償結(jié)構(gòu)，將滑枕變形實時反饋到測量系統(tǒng)，從而提高零件的加工精度。

1. 滑枕熱變形分析

對滑枕熱變形及其影響的控制主要有事先控制法與事后補償法兩種方法：事先控制法就是在機床滑枕的設(shè)計階段通過合理地布置滑枕內(nèi)部結(jié)構(gòu)、優(yōu)化各組件熱源特性，實現(xiàn)滑枕整體結(jié)構(gòu)的熱特性最優(yōu)化。事后補償法一種是在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)成形之后，利用實時反饋檢測系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)熱變形進(jìn)行補償，一種是通過檢測手段尋求滑枕熱變形規(guī)律后，通過機床操作系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂蒲a償。可以說合理的滑枕結(jié)構(gòu)設(shè)計是保證機床加工精度的基礎(chǔ)，而嚴(yán)格的事后補償是保障機床加工精度的重要手段。

本文的重點就在于其事后補償階段，并研究了一種用于數(shù)控機床滑枕熱變形補償?shù)男滦蜋C構(gòu)。

（1）滑枕結(jié)構(gòu)介紹。文中研究的為大型龍門加工中心滑枕，其整體長度4m，有效行程2.5m，采用環(huán)抱式滑枕結(jié)構(gòu)如圖1所示?；碓诨硗鈿?nèi)垂直方向的移動即Z軸。同時Z軸采用矩形滑枕，設(shè)有靜壓導(dǎo)軌面，可以承受極大的抗扭力。

（2）滑枕內(nèi)外部熱源分析。該滑枕的內(nèi)部熱源有：電機生成熱、減速器生成熱、主軸前后軸承生成熱、滑枕與滑枕外殼間液壓面油溫?zé)帷?/p>

將正常工作的滑枕結(jié)構(gòu)的三維模型置于ANSYS中，完成其處于各種熱源下相對于停機時的變形情況，如圖2所示為各種熱源條件下主軸端面的位移變化。

圖1

圖2

從圖中不難看出在受上述各種熱源的影響時，滑枕下端面的變形關(guān)于中心對稱，即可認(rèn)為刀尖的X、Y向在受上述溫度影響時不發(fā)生變化，對應(yīng)的刀尖位移只是滑枕受熱伸長的Z向位移，且伸長量隨溫度變化顯著。如圖3所示為實地檢測環(huán)境溫度恒定時的滑枕從開機起4h內(nèi)的Z向伸縮位移曲線，可見其在開機的前3h內(nèi)由滑枕內(nèi)部摩擦生成熱導(dǎo)致的溫度

變形誤差為0.1mm。綜上若要保持該滑枕的XY平面運行精度，就要對滑枕的Z向熱變形位移給予補償。但是由于滑枕工作狀態(tài)的區(qū)別，客觀環(huán)境溫度差異等的影響，圖3中的這一曲線無法作為經(jīng)驗性的數(shù)據(jù)參與到機床的系統(tǒng)補償中。故此時通用的做法是對滑枕添加1個能實時反饋其伸縮變形的位移傳感器檢測系統(tǒng)，將伸長量反饋給數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行補償。但該機構(gòu)補償精度受位移傳感器精度影響較大，并且對測量環(huán)境要求較高，測量后信號的傳遞容易受到干擾。

2. 補償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了更精確地獲取機床滑枕的這種軸向（Z向）伸縮狀況，我們設(shè)計了一款新型的機械結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

該結(jié)構(gòu)的原理就是用一根剛性較高的低熱敏材料“連桿”將滑枕前端與滑枕位移測量系統(tǒng)相連，當(dāng)滑枕受熱產(chǎn)生伸縮變形時，滑枕前端便會產(chǎn)生相對的位移變化，這種位移變化會通過“連桿”傳遞到相應(yīng)的位移測量系統(tǒng)，而由于“連桿”的熱敏感性較低，所以其長度幾乎不變，故此時測量系統(tǒng)測取的位移變化即為滑枕熱伸長帶來的滑枕端面的位移變化，其將自動添加到滑枕的Z向位移檢測系統(tǒng)中，進(jìn)而實現(xiàn)滑枕的溫度補償。

（1）結(jié)構(gòu)介紹。該機械反饋結(jié)構(gòu)的突出創(chuàng)新點就在于滑枕上端與測量系統(tǒng)相連接的“組架”結(jié)構(gòu)。

如圖5所示，圖中測量部分（非綠色區(qū)域）為其與“連桿”連接及測量系統(tǒng)連接部分，支撐部分（綠色區(qū)域）為其與滑枕上端面連接其固定支撐作用部分，而兩部分通過2塊厚度適中的薄鋼片連接。采用雙薄片連接的好處是既能保障其XY平面的剛度要求，又能保障其變形時讀數(shù)頭的垂直性。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計模擬驗證。圖6所示為應(yīng)力分布圖，連接片最大等效應(yīng)力值很小，其對應(yīng)的接觸面壓力約為10-6N，即該測量系統(tǒng)內(nèi)部力傳遞帶來的誤差可忽略不計。

圖3　滑枕軸向熱變形—時間曲線

圖4

圖5

圖6　應(yīng)力效果圖

圖7　滑枕熱伸長

圖8　檢測結(jié)構(gòu)Z向熱變形分布

如圖7、圖8所示為滑枕底端固定、環(huán)境溫度變化8℃時，滑枕主體與測量系統(tǒng)的Z向（滑枕長度方向）變形情況，如圖滑枕相對測量位置伸縮40道時（其大于正常工作時的伸縮位移），測量裝置自身只有1.5μ m的變形值，即其可將幾乎全部的滑枕熱變形反饋到光柵尺測量系統(tǒng)中，進(jìn)而保

證了滑枕的Z向位移精度。

3. 結(jié)語

本結(jié)構(gòu)具有以下特點：

（1）結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，定位準(zhǔn)確，節(jié)省額外監(jiān)測系統(tǒng)費用。

（2）不受滑枕尺寸及裝配位置的限制。采用上述技術(shù)方案，通過連接桿將滑枕前端與光柵尺讀數(shù)頭相連，能夠?qū)?shù)控機床滑枕熱變形進(jìn)行實時測量，確?；頍嶙冃螖?shù)據(jù)及時反饋給機床數(shù)控系統(tǒng)，實時進(jìn)行精確補償。

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收稿日期：（20141110）