[發明專利]一種重型龍門機床超跨距橫梁垂直導軌面起拱曲線設計方法

有效

• 申請號: 201310134241.0
• 申請日: 2013-04-17
• 公開（公告）號: CN103207938A
• 公開（公告）日: 2013-07-17
• 發明（設計）人: 程強;羅銳;張翠;楊文通;蔡力鋼
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

技術領域

本發明涉及到重型龍門機床制造領域，更具體地涉及到對此類機床橫梁反變形加工的起拱曲線設計。

背景技術

重型數控龍門機床（圖1）是現代大型工件加工裝備中比較經濟的一種機床，具有加工跨距大加工效率高等特點，通常能實現輪廓銑削曲面加工并可獲得較高加工精度。圖1所示的數控重型龍門銑床由床身、滑座、立柱、橫梁、溜板和滑枕這幾大部分組成。溜板在橫梁上移動完成y向進給，滑座帶動整臺機床在床身上運動，完成X向進給；滑枕在溜板上上下移動完成z向進給。

機床橫梁是整個機床中很重要的支撐部件，由于其具有重載大跨距的特點，其動靜態性能對整臺機床的加工質量具有至關重要的影響。在加工過程中橫梁在自身及滑枕、溜板重力以及切削力等載荷的作用下必然會產生彎曲變形，因而會使機床刀尖偏離理想軌跡從而產生加工誤差。尤其對于機床橫梁垂直導軌面（z向），其主要承受來自溜板及滑枕的重力載荷，且由于橫梁自身重力作用故導致垂直導軌面變形量大，據試驗測定溜板在橫梁上移動時其垂直導軌面最大撓度可達1mm。

如圖2所示為溜板與橫梁的接觸情形，在橫梁上有三個導軌面，分別由上導軌x向導軌面及下導軌x、z向（垂直方向）兩個導軌面組成。溜板在這三個導軌面與橫梁接觸并沿著這三個導軌面左右移動以完成Y向進給，溜板在每一導軌面上的接觸位置分左右兩個接觸面（圖3）且溜板沿橫梁跨距較大，從而導致兩接觸面變形值不同，當溜板在橫梁上運動時就會在各導軌面上產生左右兩條變形曲線。這樣當溜板沿橫梁y向行走時，就會因垂直導軌面（z向）變形而產生yoz面內的直線度誤差δ_z，又由于左右接觸面的變形的不同而導致溜板產生繞x軸的轉角誤差ε_x。

目前為了解決大型機床橫梁由于重力變形產生幾何誤差的問題，一些高校及機床企業采取了對機床導軌面進行反變形起拱以抵消重力引起的撓度。目前提出的起拱方法主要是將溜板與橫梁接觸的左右兩個變形值的均值取反作為當前起拱變形值，以此方法獲得橫梁垂直導軌面的起拱曲線雖然可以消除一部分誤差影響，但由于未充分考慮溜板的左右接觸面變形值不同，故不能保證機床的起拱值的最優性，也不能保證機床在橫梁每一位置時的直線度誤差及轉角誤差均符合機床精度標準。

因此本發明提出一種針對重型龍門銑床超跨距橫梁垂直導軌面（z向）的起拱曲線設計方法。

發明內容

本發明的特征是針對重型龍門機床（圖1）大跨距橫梁垂直導軌面起拱曲線的設計提供一種有效的方法?？蔀榇祟悪C床橫梁制造過程中的反變形加工提供理論基礎。

具體步驟如下：

步驟一：建立起拱曲線優化模型

1）建立起拱曲線及誤差項表達式

起拱曲線的方程使用多項式進行擬合，考慮到起拱曲線要求精度較高，這里使用五次多項式進行擬合，即設起拱曲線為（1）式。

由于銑頭刀具的中心最直接反映了加工點的位置，且銑頭中心y向位置位于兩接觸面距離中心，故以兩接觸面變形均值作為溜板在yoz面內的直線度誤差，以兩接觸面變形值之差除以兩接觸面之距離作為yoz面內繞x軸的轉角誤（圖4）。為充分考慮溜板與橫梁導軌接觸時左右接觸面的影響這里將起拱曲線在每點的起拱值與變形曲線上的變形值相加作為當前的變形值并以（2）式和（3）式表達各誤差項。

其中g(x)——yoz面內的起拱曲線（其中a₀～a₅為優化變量），

f_左(x)——左接觸面變形擬合曲線（已通過曲線擬合得到）

f_右(x)——右接觸面變形擬合曲線（已通過曲線擬合得到）

δ_z——yoz面內的直線度誤差，ε_x——yoz面內繞x軸的轉角誤差。

Δl——兩接觸面間距離

2）目標函數建立

為了使整個橫梁行程的直線度及轉角誤差均達到理想最小值，本發明將各項誤差平方后沿整個橫梁行程進行積分并作為目標函數（其中a₀～a₅為優化變量）如式（4）。這里的平方是為了避免溜板沿橫梁移動時，直線度誤差及轉角誤差正負誤差相抵消。