精密滑枕热变形补偿机构研究

2015-02-19中捷机床有限公司辽宁沈阳110142郭志超孙中权王世超

金属加工(冷加工) 2015年8期

关键词：滑枕热源机床

■中捷机床有限公司　（辽宁沈阳 110142）　郭志超孙中权王世超

精密滑枕热变形补偿机构研究

■中捷机床有限公司（辽宁沈阳 110142）郭志超孙中权王世超

摘要：本文分析了温度对精密滑枕产生的影响，介绍一种数控机床的滑枕热变形补偿机构，以低热膨胀系数连杆将滑枕前端与滑枕位移测量系统相连，能够对数控机床滑枕热变形进行实时测量，实现位移的精确补偿。

滑枕是龙门式机床产品的关键部件之一，而工作状态下的滑枕由于内外部热源不断作用，使其各局部位置温度不断变化，在形成非均匀温度场的同时还带给了滑枕复杂的热变形特性，进而导致滑枕定位的理论值与实际值产生偏差，严重影响了机床加工精度。

研究表明：精密加工中由热变形引起的加工制造误差占总误差的比例可达40%～70%。为了消除温度变化对滑枕定位精度的影响，本文采用机械式补偿结构，将滑枕变形实时反馈到测量系统，从而提高零件的加工精度。

1. 滑枕热变形分析

对滑枕热变形及其影响的控制主要有事先控制法与事后补偿法两种方法：事先控制法就是在机床滑枕的设计阶段通过合理地布置滑枕内部结构、优化各组件热源特性，实现滑枕整体结构的热特性最优化。事后补偿法一种是在产品结构成形之后，利用实时反馈检测系统对结构热变形进行补偿，一种是通过检测手段寻求滑枕热变形规律后，通过机床操作系统进行适当的控制补偿。可以说合理的滑枕结构设计是保证机床加工精度的基础，而严格的事后补偿是保障机床加工精度的重要手段。

本文的重点就在于其事后补偿阶段，并研究了一种用于数控机床滑枕热变形补偿的新型机构。

（1）滑枕结构介绍。文中研究的为大型龙门加工中心滑枕，其整体长度4m，有效行程2.5m，采用环抱式滑枕结构如图1所示。滑枕在滑枕外壳内垂直方向的移动即Z轴。同时Z轴采用矩形滑枕，设有静压导轨面，可以承受极大的抗扭力。

（2）滑枕内外部热源分析。该滑枕的内部热源有：电机生成热、减速器生成热、主轴前后轴承生成热、滑枕与滑枕外壳间液压面油温热。

将正常工作的滑枕结构的三维模型置于ANSYS中，完成其处于各种热源下相对于停机时的变形情况，如图2所示为各种热源条件下主轴端面的位移变化。

图1

图2

从图中不难看出在受上述各种热源的影响时，滑枕下端面的变形关于中心对称，即可认为刀尖的X、Y向在受上述温度影响时不发生变化，对应的刀尖位移只是滑枕受热伸长的Z向位移，且伸长量随温度变化显著。如图3所示为实地检测环境温度恒定时的滑枕从开机起4h内的Z向伸缩位移曲线，可见其在开机的前3h内由滑枕内部摩擦生成热导致的温度

变形误差为0.1mm。综上若要保持该滑枕的XY平面运行精度，就要对滑枕的Z向热变形位移给予补偿。但是由于滑枕工作状态的区别，客观环境温度差异等的影响，图3中的这一曲线无法作为经验性的数据参与到机床的系统补偿中。故此时通用的做法是对滑枕添加1个能实时反馈其伸缩变形的位移传感器检测系统，将伸长量反馈给数控系统进行补偿。但该机构补偿精度受位移传感器精度影响较大，并且对测量环境要求较高，测量后信号的传递容易受到干扰。

2. 补偿系统结构设计

为了更精确地获取机床滑枕的这种轴向（Z向）伸缩状况，我们设计了一款新型的机械结构，如图4所示。

该结构的原理就是用一根刚性较高的低热敏材料“连杆”将滑枕前端与滑枕位移测量系统相连，当滑枕受热产生伸缩变形时，滑枕前端便会产生相对的位移变化，这种位移变化会通过“连杆”传递到相应的位移测量系统，而由于“连杆”的热敏感性较低，所以其长度几乎不变，故此时测量系统测取的位移变化即为滑枕热伸长带来的滑枕端面的位移变化，其将自动添加到滑枕的Z向位移检测系统中，进而实现滑枕的温度补偿。

（1）结构介绍。该机械反馈结构的突出创新点就在于滑枕上端与测量系统相连接的“组架”结构。

如图5所示，图中测量部分（非绿色区域）为其与“连杆”连接及测量系统连接部分，支撑部分（绿色区域）为其与滑枕上端面连接其固定支撑作用部分，而两部分通过2块厚度适中的薄钢片连接。采用双薄片连接的好处是既能保障其XY平面的刚度要求，又能保障其变形时读数头的垂直性。

（2）结构设计模拟验证。图6所示为应力分布图，连接片最大等效应力值很小，其对应的接触面压力约为10-6N，即该测量系统内部力传递带来的误差可忽略不计。