精密滑枕熱變形補償機構研究

■中捷機床有限公司　（遼寧沈陽 110142）　郭志超 孫中權 王世超

精密滑枕熱變形補償機構研究

■中捷機床有限公司（遼寧沈陽 110142）郭志超 孫中權 王世超

摘要：本文分析了溫度對精密滑枕產生的影響，介紹一種數控機床的滑枕熱變形補償機構，以低熱膨脹系數連桿將滑枕前端與滑枕位移測量系統相連，能夠對數控機床滑枕熱變形進行實時測量，實現位移的精確補償。

滑枕是龍門式機床產品的關鍵部件之一，而工作狀態下的滑枕由于內外部熱源不斷作用，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雜的熱變形特性，進而導致滑枕定位的理論值與實際值產生偏差，嚴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構，將滑枕變形實時反饋到測量系統，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計階段通過合理地布置滑枕內部結構、優化各組件熱源特性，實現滑枕整體結構的熱特性最優化。事后補償法一種是在產品結構成形之后，利用實時反饋檢測系統對結構熱變形進行補償，一種是通過檢測手段尋求滑枕熱變形規律后，通過機床操作系統進行適當的控制補償。可以說合理的滑枕結構設計是保證機床加工精度的基礎，而嚴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控機床滑枕熱變形補償的新型機構。

（1）滑枕結構介紹。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，采用環抱式滑枕結構如圖1所示。滑枕在滑枕外殼內垂直方向的移動即Z軸。同時Z軸采用矩形滑枕，設有靜壓導軌面，可以承受極大的抗扭力。

（2）滑枕內外部熱源分析。該滑枕的內部熱源有：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熱。

將正常工作的滑枕結構的三維模型置于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于中心對稱，即可認為刀尖的X、Y向在受上述溫度影響時不發生變化，對應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所示為實地檢測環境溫度恒定時的滑枕從開機起4h內的Z向伸縮位移曲線，可見其在開機的前3h內由滑枕內部摩擦生成熱導致的溫度

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的區別，客觀環境溫度差異等的影響，圖3中的這一曲線無法作為經驗性的數據參與到機床的系統補償中。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，將伸長量反饋給數控系統進行補償。但該機構補償精度受位移傳感器精度影響較大，并且對測量環境要求較高，測量后信號的傳遞容易受到干擾。

2. 補償系統結構設計

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

該結構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相連，當滑枕受熱產生伸縮變形時，滑枕前端便會產生相對的位移變化，這種位移變化會通過“連桿”傳遞到相應的位移測量系統，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向位移檢測系統中，進而實現滑枕的溫度補償。

（1）結構介紹。該機械反饋結構的突出創新點就在于滑枕上端與測量系統相連接的“組架”結構。

如圖5所示，圖中測量部分（非綠色區域）為其與“連桿”連接及測量系統連接部分，支撐部分（綠色區域）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頭的垂直性。

（2）結構設計模擬驗證。圖6所示為應力分布圖，連接片最大等效應力值很小，其對應的接觸面壓力約為10-6N，即該測量系統內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　應力效果圖

圖7　滑枕熱伸長

圖8　檢測結構Z向熱變形分布

如圖7、圖8所示為滑枕底端固定、環境溫度變化8℃時，滑枕主體與測量系統的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中，進而保

證了滑枕的Z向位移精度。

3. 結語

本結構具有以下特點：

（1）結構緊湊，安裝方便，定位準確，節省額外監測系統費用。

（2）不受滑枕尺寸及裝配位置的限制。采用上述技術方案，通過連接桿將滑枕前端與光柵尺讀數頭相連，能夠對數控機床滑枕熱變形進行實時測量，確保滑枕熱變形數據及時反饋給機床數控系統，實時進行精確補償。

參考文獻：

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收稿日期：（20141110）