镗铣加工中心的滑枕挠度补偿方法及变形分析
第4章滑枕挠度补偿的设计
镗床是tx1600g镗铣加工中心重要的组成部分，其各坐标轴的行程如下：x 轴行程1750mm, z轴行程1000mm, y轴行程1200mm。键床主轴直径240mm,采用方形滑枕式结构，在镗削加工中，滑台带动滑枕在z方向运动，确定z轴位 置，滑枕带动主轴和刀具在y方向进行镗削。在y方向加工深孔时，滑枕伸出的 长度比较大，加上滑枕、主轴、其它附件的重力及镗削力的影响，滑枕在伸出方 向形成了悬臂梁结构，发生弯曲变形，产生挠度误差。这种挠度误差严重影响到 机床的定位精度和加工精度，故对挠度误差进行补偿是十分必要的。
4.1挠度补偿方法
目前对于滑枕产生的挠度误差，采取的方法有平衡重锤法、补偿法、电液比 例控制法等。平衡重锤法是由机械平衡锤和机电补偿装置补偿滑枕挠度，主要优 点是结构简单，使用方便，缺点是增加了机床的整机重量，对机床其它轴的进给 运动产生一定影响，对机床的刚度要求高[46]。拉杆补偿法在滑枕上半侧安装一组 拉杆，由液压油缸提供拉力来补偿滑枕的挠度变形，能有效的补偿挠度误差，但 拉杆的偏心作用将会导致滑枕在轴向产生一定量的附加变形，而且拉杆拉力的确 定及精确加载问题都难确定[47_48]。电液比例控制法应用电液比例阀和压力传感器 来控制活塞杆的压力和位移，取得了一定的补偿效果。拉杆补偿法和电液比例控 制法都需要液压缸，都无法避免液压系统存在的缺点，如液压件漏油、补偿滞后、 油液升温等[49]。
本课题中针对滑枕的挠度变形，利用基于umac的开放性数控系统进行挠度 补偿，该补偿方法不需要机械和控制辅助结构，补偿精度不受辅助结构的影响， 简单易行，且经济性好。
4.2滑枕挠度变形分析
滑枕端面尺寸264mmx245mm,总长2540mm，y轴方向行程1200mm。材料 使用灰铸铁ht300，弹性模量e=150gpa，密度p=7300kg/m3，泊松比n=0.25。
实体建模时，为提高有限元模型准确性，将螺纹孔、小凸台和倒角等结构忽 略不计。对辅助系统等非主要的零部件（如光栅尺、拖链等）不进行有限元建模，将其视为远程质量施加在滑枕有限元模型上。滑枕实体模型如图4.1所示。滑枕、 主轴电机以及导轨的重力，则通过重力场施加在滑枕有限元模型上；加工过程中 的计算镗削力，通过远程载荷将其施加在主轴的内孔面与端面。导轨与支撑部件 的接触面应用全固定，与驱动丝杠相接触的螺母内表面应用全固定约束。其滑枕 模型施加的载荷与约束如图4.2所示。
在solidworks simulation中以机床零点为起点，每隔100mm取点，进行仿真。
通过仿真数据得出，滑枕在y向和x向的变形量很小，在z方向的变形量大，即挠度误差（z方向的变形量）是影响镗轴精度的主要因素。在y方向行程1200mm处挠度变形如图4.3所示，滑枕各行程在z向变形量如表4.1所示。由表4.1可得，随着滑枕行程的增加，挠度误差呈非线性增加。
表4.1滑枕各行程在z向的变形量
行程/mm
z向变形量/min
行程/mm
z向变形量尔m
0
-0.05
700
-17.35
100
-0.15
800
-23.45
200
-0.52
900
-31.89
300
-2.16
1000
-42.37
400
-5.23
1100
-55.86
500
-9.02
1200
-72.50
600
-12.55
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4.1挠度补偿方法
目前对于滑枕产生的挠度误差，采取的方法有平衡重锤法、补偿法、电液比 例控制法等。平衡重锤法是由机械平衡锤和机电补偿装置补偿滑枕挠度，主要优 点是结构简单，使用方便，缺点是增加了机床的整机重量，对机床其它轴的进给 运动产生一定影响，对机床的刚度要求高[46]。拉杆补偿法在滑枕上半侧安装一组 拉杆，由液压油缸提供拉力来补偿滑枕的挠度变形，能有效的补偿挠度误差，但 拉杆的偏心作用将会导致滑枕在轴向产生一定量的附加变形，而且拉杆拉力的确 定及精确加载问题都难确定[47_48]。电液比例控制法应用电液比例阀和压力传感器 来控制活塞杆的压力和位移，取得了一定的补偿效果。拉杆补偿法和电液比例控 制法都需要液压缸，都无法避免液压系统存在的缺点，如液压件漏油、补偿滞后、 油液升温等[49]。
本课题中针对滑枕的挠度变形，利用基于umac的开放性数控系统进行挠度 补偿，该补偿方法不需要机械和控制辅助结构，补偿精度不受辅助结构的影响， 简单易行，且经济性好。
4.2滑枕挠度变形分析
滑枕端面尺寸264mmx245mm,总长2540mm，y轴方向行程1200mm。材料 使用灰铸铁ht300，弹性模量e=150gpa，密度p=7300kg/m3，泊松比n=0.25。
实体建模时，为提高有限元模型准确性，将螺纹孔、小凸台和倒角等结构忽 略不计。对辅助系统等非主要的零部件（如光栅尺、拖链等）不进行有限元建模，将其视为远程质量施加在滑枕有限元模型上。滑枕实体模型如图4.1所示。滑枕、 主轴电机以及导轨的重力，则通过重力场施加在滑枕有限元模型上；加工过程中 的计算镗削力，通过远程载荷将其施加在主轴的内孔面与端面。导轨与支撑部件 的接触面应用全固定，与驱动丝杠相接触的螺母内表面应用全固定约束。其滑枕 模型施加的载荷与约束如图4.2所示。
在solidworks simulation中以机床零点为起点，每隔100mm取点，进行仿真。
通过仿真数据得出，滑枕在y向和x向的变形量很小，在z方向的变形量大，即挠度误差（z方向的变形量）是影响镗轴精度的主要因素。在y方向行程1200mm处挠度变形如图4.3所示，滑枕各行程在z向变形量如表4.1所示。由表4.1可得，随着滑枕行程的增加，挠度误差呈非线性增加。
表4.1滑枕各行程在z向的变形量
行程/mm
z向变形量/min
行程/mm
z向变形量尔m
0
-0.05
700
-17.35
100
-0.15
800
-23.45
200
-0.52
900
-31.89
300
-2.16
1000
-42.37
400
-5.23
1100
-55.86
500
-9.02
1200
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