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^施加外力 來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撓曲補(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)了主軸滑枕撓曲變形誤差的補(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)償方案存在很多無法解決掉的實(shí)際問題。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) 知識得知，可以將工作狀態(tài)中的主軸滑枕簡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化為圖5.5所示用“液壓一拉桿”補(bǔ)償法對滑枕撓曲變形進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，主軸滑枕的綜合受力分析如圖5.6所示，液壓拉桿對滑枕前端的拉力分別為？1與？2，為了使拉桿作用力對滑枕不產(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，在液壓拉桿對滑枕撓曲變形進(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 枕撓曲變形的補(bǔ)償，所以，本課題采用“液壓一拉桿”補(bǔ)償法對滑枕撓度進(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)生的撓度來抵消滑枕工作時(shí)的自身撓度。5.1.3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 法對滑枕施加拉桿補(bǔ)償力后進(jìn)行變形分析，可得到滑枕撓曲變形補(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，滑枕撓曲變形補(bǔ)償后的******撓曲綜合變形量僅為9.94nm，相對補(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的工程 問題處理方法，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撓曲變形為例，研究其滑枕撓曲變形誤差補(bǔ) 償問題，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。