鏜削主軸滑枕變形誤差補(bǔ)償機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
第5章鏜削主軸滑枕變形誤差補(bǔ)償機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)5.1補(bǔ)償原理分析由前一章的分析可知，鏜削主軸滑枕的撓曲變形主要是由于受到自重與鏜削 力的共同作用所導(dǎo)致的。因此，主軸滑枕變形補(bǔ)償?shù)幕舅枷胧牵和ㄟ^(guò)施加外力 來(lái)平衡掉主軸滑枕由于自重與鏜削力所導(dǎo)致的變形。5.1.1補(bǔ)償方案分析基于上述所提到的主軸滑枕?yè)锨a(bǔ)償思想，本章提出了兩種補(bǔ)償方案：1.繩索 配重補(bǔ)償；2. “液壓一拉桿”補(bǔ)償。第一種方案（繩索配重補(bǔ)償法）的基本思想是：在主軸滑枕的前端施加一組 垂直向上的外力，是通過(guò)兩個(gè)向上的牽引繩施加的外力F，由于滑枕在向外伸出時(shí) 因受力而會(huì)有一個(gè)向下的彎曲變形，此時(shí)施加牽引力F可以平衡掉主軸滑枕所受 向下的部分力，從而實(shí)現(xiàn)了主軸滑枕?yè)锨冃握`差的補(bǔ)償，補(bǔ)償受力分析圖如圖 5-1所示。在圖5.1中，q為主軸滑枕與主軸總成重力所等效的均布載荷，F(xiàn)Q為鏜削工作時(shí)主軸滑枕所受的向下的鏜削力，F(xiàn)為兩個(gè)繩索垂直于滑枕上表面的牽引力。采用繩索牽引力補(bǔ)償方案時(shí)，補(bǔ)償牽引力F所作用的位置基本上可以分成三種：靠左、靠中、靠右，結(jié)合實(shí)際分析。最理想的補(bǔ)償位置是靠左的位置，這樣可以真正實(shí)現(xiàn)很好的補(bǔ)償效果，如圖5.2所示，但是由于本課題所研發(fā)的加工中心是將適用于深孔的鏜削加工，滑枕需要在大孔、深孔中伸縮，所以圖5.2這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)限制了加工中心對(duì)深孔的鏜削加工。a補(bǔ)償牽引力F所作用的位置基本靠中時(shí)，這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一定深孔的鏜削加工，雖然牽引力作用點(diǎn)位置的變形 是被消除了，但是滑枕的前端與中間位置會(huì)出現(xiàn)波浪起伏的變形，所以此種變形 補(bǔ)償不夠理想，如圖5.3所示。a補(bǔ)償牽引力F所作用的位置靠右時(shí)，補(bǔ)償?shù)男Ч?要差于靠中位置補(bǔ)償。綜上所述，第一種繩索牽引力補(bǔ)償方案不能使主軸滑枕的撓曲變形難題得到 合理的解決，繩索牽引力補(bǔ)償是一種繩索配重補(bǔ)償，配重的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜， 而且由于配重使得鏜削主軸箱的重量得到急劇增加，從而會(huì)影響到主軸箱上升方 向進(jìn)給系統(tǒng)的性能，所以，第一種補(bǔ)償方案存在很多無(wú)法解決掉的實(shí)際問(wèn)題。第二種方案（液壓一拉桿補(bǔ)償）的基本思想是：是在第一種補(bǔ)償方法上演變 而來(lái)的，是將前一種補(bǔ)償方法補(bǔ)償力的方向進(jìn)行改變，補(bǔ)償力的方向由垂直變?yōu)?與主軸軸線同向，其基本結(jié)構(gòu)是在滑枕內(nèi)部的上端安裝兩個(gè)拉桿，拉桿的末端與 液壓缸相連，液壓缸為拉桿提供補(bǔ)償拉力，補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)如圖5.4所示。由于主軸滑枕的彎曲變形是由于受到自重與鏜削力所導(dǎo)致的，根據(jù)材料力學(xué) 知識(shí)得知，可以將工作狀態(tài)中的主軸滑枕簡(jiǎn)化成懸臂梁的受力及變形模型，將主 軸滑枕及主軸總成的重力等效為均布載荷q，滑枕前端所受的鏜削力F。，則滑枕的受力及變形情況可簡(jiǎn)化為圖5.5所示用“液壓一拉桿”補(bǔ)償法對(duì)滑枕?yè)锨冃芜M(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，主軸滑枕的綜合受力分析如圖5.6所示，液壓拉桿對(duì)滑枕前端的拉力分別為？1與？2，為了使拉桿作用力對(duì)滑枕不產(chǎn)生偏心壓縮的結(jié)果，使每個(gè)液壓拉桿力作用點(diǎn)與滑枕截面中心0的距離均為e;拉桿中心到滑枕中心連線與滑枕水平面的夾為角0，滑枕截面示意圖如圖5.7所示。對(duì)液壓拉桿補(bǔ)償原理進(jìn)一步分析，鏜削主軸滑枕在外伸加工時(shí)，由于受到前端的鏜削力F。以及重力的均布載荷q作用，使得滑枕產(chǎn)生一個(gè)方向?yàn)槟鏁r(shí)針的彎矩Mi。然而，在液壓拉桿對(duì)滑枕?yè)锨冃芜M(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，作用在滑枕前端面的拉桿力F (FiF^Fd，拉桿補(bǔ)償力F會(huì)使滑枕相對(duì)于根部的0點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)順時(shí)針彎矩M2，如圖5.8所示。綜上所述，第二種補(bǔ)償方案從理論上分析是一種可行性極大的補(bǔ)償方案，從 圖5.8可知，只要使得Mi與¥2大小相等，即兩個(gè)彎矩相互抵消，就可以實(shí)現(xiàn)滑 枕?yè)锨冃蔚难a(bǔ)償，所以，本課題采用“液壓一拉桿”補(bǔ)償法對(duì)滑枕?yè)隙冗M(jìn)行補(bǔ)償。5.1.2補(bǔ)償設(shè)計(jì)分析根據(jù)材料力學(xué)的知識(shí)可知，一個(gè)施加在物體上的力，會(huì)使物體發(fā)生變形，這 種變形不管是微觀還是宏觀的，它的變形量都會(huì)隨著施加力的增大而變大，本文 研究的滑枕變形就是材料力學(xué)中所提到的撓度，所以，液壓拉桿補(bǔ)償方式就是用 拉桿力所產(chǎn)生的撓度來(lái)抵消滑枕工作時(shí)的自身?yè)隙取?.1.3補(bǔ)償?shù)睦Υ_定利用Solidworks建模軟件的估算模塊求出未知量重力均布載荷《=8180N/m; 前章計(jì)算出的鏜削力尸。=l〇19N;液壓拉桿的位置參數(shù)<9=45°，f?=165mm;當(dāng)滑枕 伸出******行程L=1200mm時(shí)，將其參數(shù)帶入公式（5-6)中，可得滑枕行程為1200mm 時(shí)，所需的補(bǔ)償力的計(jì)算初始值。同理，算出滑枕在500-1200mm的8個(gè)不同行程時(shí)的補(bǔ)償力的初始值，由表 4.3可知，滑枕行程在100-400mm行程范圍內(nèi)滑枕的變形很小，所以只算出 500-1200mm行程時(shí)的補(bǔ)償力，利用有限元的方法對(duì)滑枕施加拉桿補(bǔ)償力后的變形 分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)補(bǔ)償力的初始值進(jìn)行修正，直至滑枕的撓曲變形量滿足要 求為止，補(bǔ)償力的數(shù)據(jù)如表5.2所示。 表5.2各個(gè)行程時(shí)的補(bǔ)償力數(shù)值 Table 5.2 Each stroke compensating force value 行程/mm 補(bǔ)償力/KN 行程/mm 補(bǔ)償力/KN 1200 16.70 800 9.36 1100 15.35 700 7.64 1000 13.21 600 6.05 900 11.21 500 4.61 5.2補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)本課題所設(shè)計(jì)的“液壓一拉桿”補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，兩根拉桿安裝在 滑枕實(shí)體內(nèi)部的上端，提供拉力的液壓缸安裝在拉桿的尾部，且與電磁比例閥相 連接，補(bǔ)償裝置示意圖如5.9所示，根據(jù)主軸滑枕的工作過(guò)程可知，滑枕在前后伸縮時(shí)，在X、Y方向變形量很 小，因此拉桿的強(qiáng)度設(shè)計(jì)主要以抗拉強(qiáng)度極限>；]為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在鏜削加工過(guò)程中，主軸滑枕不僅在Z軸方向上有變形，而在X、Y軸方向 上也有微小的變形，所以，在考慮到拉桿材料的抗拉強(qiáng)度之外，還要考慮到材料 的韌性，所以******45鋼或40Cr鋼作為拉桿材料45鋼常用于制造強(qiáng)度較高的運(yùn)動(dòng) 部件，具有良好的綜合力學(xué)性能，40Cr鋼也是調(diào)質(zhì)處理的鋼，具有較高的硬度及 耐磨性，45鋼和40Cr鋼對(duì)比可知，兩種鋼材的價(jià)格差不多，但是由于40Cr鋼其 硬度及耐磨性較好的原因，相對(duì)45鋼而言難加工。本課題采用45鋼作為拉桿的 材料，由機(jī)械手冊(cè)查表可知45鋼的抗拉強(qiáng)度極限>；| = 600M/^，代入強(qiáng)度校核公式可以求出拉桿的直徑范圍d^ll.52mm，在設(shè)計(jì)中為了考慮到標(biāo)準(zhǔn)件間的連 接通用性，液壓拉桿的直徑<^為15/72/72。5.3補(bǔ)償效果的有限元分析 5.3.1補(bǔ)償后的撓曲變形得到滑枕500-1200mm中8個(gè)不同行程時(shí)的補(bǔ)償力初始值后，利用有限元的方 法對(duì)滑枕施加拉桿補(bǔ)償力后進(jìn)行變形分析，可得到滑枕?yè)锨冃窝a(bǔ)償后的變形量， 補(bǔ)償后滑枕行程在1200mm處的綜合變形云圖如圖5.10所示。由圖5.10可知，滑枕?yè)锨冃窝a(bǔ)償后的******撓曲綜合變形量?jī)H為9.94nm，相對(duì)補(bǔ)償前的變形量86.06nm，補(bǔ)償后的變形量值減小了 88.44%，完全滿足了精密復(fù)合式鏜銑床的滑枕變形精度要求，且使得在整個(gè)行程范圍內(nèi)滑枕的撓曲******變形量均在l〇Hm之內(nèi)，補(bǔ)償前后滑枕的撓曲******綜合變形量對(duì)比如表5.3所示。5.3.2拉桿補(bǔ)償力擬合曲線主軸滑枕在〇-1200mm的形程內(nèi)，拉桿的補(bǔ)償力應(yīng)該是一個(gè)連續(xù)變化的值，本 課題關(guān)于補(bǔ)償力的確定是基于最小二乘法的方法，最小二乘法是一種常見(jiàn)的工程 問(wèn)題處理方法，廣泛應(yīng)用于多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，常用于從一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（Xl，yi) (i=0,l,2"v，m)中尋找自變量x與因變量y之間的函數(shù)關(guān)系；目前，減小機(jī)床幾何誤差主要的方法有：誤差預(yù)防法和誤差補(bǔ)償法，誤差預(yù)防是指減少或改變誤差源的角度以達(dá)到減小誤差的目的；誤差補(bǔ)償法則是在原誤差源模型中引入新的誤差源來(lái)抵消或減弱原誤差元引起的誤差，拉桿液壓補(bǔ)償法屬于第二種。5.4本章小結(jié)本章以復(fù)合式鏜銑加工中心滑枕?yè)锨冃螢槔?，研究其滑枕?yè)锨冃握`差補(bǔ) 償問(wèn)題，提出了兩種補(bǔ)償方案，在綜合分析方案的優(yōu)劣性后，最終以“液壓一拉 桿”補(bǔ)償方法為設(shè)計(jì)方案，通過(guò)理論計(jì)算和有限元仿真得出拉桿補(bǔ)償力的值，運(yùn) 用最小二乘法擬合得到拉桿補(bǔ)償力與滑枕行程的函數(shù)關(guān)系以及對(duì)應(yīng)的曲線，利用有限元分析方法驗(yàn)證了補(bǔ)償效果，拉桿補(bǔ)償力可實(shí)現(xiàn)從零到******補(bǔ)償力的無(wú)極加 載，加載補(bǔ)償力后滑枕的******撓曲變形量被控制在l(Vm之內(nèi)，結(jié)果表明液壓拉桿 補(bǔ)償效果達(dá)到了預(yù)定期望，顯著提高了機(jī)床的加工精度。