[发明专利]一种重型龙门机床超跨距横梁垂直导轨面起拱曲线设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及到重型龙门机床制造领域，更具体地涉及到对此类机床横梁反变形加工的起拱曲线设计。

背景技术

重型数控龙门机床（图1）是现代大型工件加工装备中比较经济的一种机床，具有加工跨距大加工效率高等特点，通常能实现轮廓铣削曲面加工并可获得较高加工精度。图1所示的数控重型龙门铣床由床身、滑座、立柱、横梁、溜板和滑枕这几大部分组成。溜板在横梁上移动完成y向进给，滑座带动整台机床在床身上运动，完成X向进给；滑枕在溜板上上下移动完成z向进给。

机床横梁是整个机床中很重要的支撑部件，由于其具有重载大跨距的特点，其动静态性能对整台机床的加工质量具有至关重要的影响。在加工过程中横梁在自身及滑枕、溜板重力以及切削力等载荷的作用下必然会产生弯曲变形，因而会使机床刀尖偏离理想轨迹从而产生加工误差。尤其对于机床横梁垂直导轨面（z向），其主要承受来自溜板及滑枕的重力载荷，且由于横梁自身重力作用故导致垂直导轨面变形量大，据试验测定溜板在横梁上移动时其垂直导轨面最大挠度可达1mm。

如图2所示为溜板与横梁的接触情形，在横梁上有三个导轨面，分别由上导轨x向导轨面及下导轨x、z向（垂直方向）两个导轨面组成。溜板在这三个导轨面与横梁接触并沿着这三个导轨面左右移动以完成Y向进给，溜板在每一导轨面上的接触位置分左右两个接触面（图3）且溜板沿横梁跨距较大，从而导致两接触面变形值不同，当溜板在横梁上运动时就会在各导轨面上产生左右两条变形曲线。这样当溜板沿横梁y向行走时，就会因垂直导轨面（z向）变形而产生yoz面内的直线度误差δ_z，又由于左右接触面的变形的不同而导致溜板产生绕x轴的转角误差ε_x。

目前为了解决大型机床横梁由于重力变形产生几何误差的问题，一些高校及机床企业采取了对机床导轨面进行反变形起拱以抵消重力引起的挠度。目前提出的起拱方法主要是将溜板与横梁接触的左右两个变形值的均值取反作为当前起拱变形值，以此方法获得横梁垂直导轨面的起拱曲线虽然可以消除一部分误差影响，但由于未充分考虑溜板的左右接触面变形值不同，故不能保证机床的起拱值的最优性，也不能保证机床在横梁每一位置时的直线度误差及转角误差均符合机床精度标准。

因此本发明提出一种针对重型龙门铣床超跨距横梁垂直导轨面（z向）的起拱曲线设计方法。

发明内容

本发明的特征是针对重型龙门机床（图1）大跨距横梁垂直导轨面起拱曲线的设计提供一种有效的方法。可为此类机床横梁制造过程中的反变形加工提供理论基础。

具体步骤如下：

步骤一：建立起拱曲线优化模型

1）建立起拱曲线及误差项表达式

起拱曲线的方程使用多项式进行拟合，考虑到起拱曲线要求精度较高，这里使用五次多项式进行拟合，即设起拱曲线为（1）式。

由于铣头刀具的中心最直接反映了加工点的位置，且铣头中心y向位置位于两接触面距离中心，故以两接触面变形均值作为溜板在yoz面内的直线度误差，以两接触面变形值之差除以两接触面之距离作为yoz面内绕x轴的转角误（图4）。为充分考虑溜板与横梁导轨接触时左右接触面的影响这里将起拱曲线在每点的起拱值与变形曲线上的变形值相加作为当前的变形值并以（2）式和（3）式表达各误差项。

其中g(x)——yoz面内的起拱曲线（其中a₀～a₅为优化变量），

f_左(x)——左接触面变形拟合曲线（已通过曲线拟合得到）

f_右(x)——右接触面变形拟合曲线（已通过曲线拟合得到）

δ_z——yoz面内的直线度误差，ε_x——yoz面内绕x轴的转角误差。

Δl——两接触面间距离

2）目标函数建立

为了使整个横梁行程的直线度及转角误差均达到理想最小值，本发明将各项误差平方后沿整个横梁行程进行积分并作为目标函数（其中a₀～a₅为优化变量）如式（4）。这里的平方是为了避免溜板沿横梁移动时，直线度误差及转角误差正负误差相抵消。