[发明专利]一种考虑重力和热影响的机床几何精度主动设计方法

说明书

一种考虑重力和热影响的机床几何精度主动设计方法，明确机床实际运行时所受重力载荷、热载荷、散热边界条件和约束条件；利用有限元软件根据重力载荷、热载荷与散热量分析重力和热综合影响下机床变形，获得到达热平衡态时，机床各部件导轨安装面、部件间结合面变形量数据；根据导轨安装面、部件间结合面变形量数据，基于反变形原理，在设计导轨安装面直线度以及部件间结合面平面度时，使导轨和部件间结合面做大小相等、方向相反的变形。本发明以抵消重力与热变形误差为目标，能够保证机床在实际工况下仍具有良好的几何精度。

技术领域

本发明属于机床设计领域，涉及一种考虑重力和热影响的机床几何精度主动设计方法。

背景技术

为了保证机床精度满足设计要求，需要在设计阶段对零部件进行合理设计，并通过维护等措施保证机床的精度保持性及可靠性。现今机床在设计时多凭经验以及依照国标、参照国外，在设计阶段不考虑力、热等因素对零部件精度的影响，装配完成后的精度在理想态时满足要求。目前，国产数控机床的设计、制造、装配、检测是在静态、常温下进行的，生产厂家为了达到机床的精度要求，工程上会有很多方法抵消重力、内应力等因素的影响。举例来说：通过反复刮研导轨安装面、结合面、扭螺钉等方式来保证导轨的直线度；通过调整地脚螺栓来保证工作台在垂直面内运动的直线度等几何精度。而机床实际受重力以及热等因素的影响，在这些工况下机床精度会发生变化，从而使机床精度不满足设计要求。在使用阶段，往往借助误差补偿的思想来保证几何精度，该措施虽然能被动保证数控机床的精度，但不能从根本上解决问题，因此无法保证机床的精度保持性，同时也不能对随机性误差进行补偿。

国产数控机床在现有的保证措施下，其几何精度在出厂时一般均能满足设计要求，与国外同类型的机床相比相差不大。工程上的这些临时措施看似达到目的，但实际上也埋下了很多隐患，如螺钉与导轨联接处及地脚螺栓与床身联接处会产生较大的装配应力，最终会大大影响机床精度的保持性。

由上述分析可知，目前用于保证国产数控机床精度的措施会显著影响机床的精度保持性等性能。因此，如何提出考虑机床工况的几何精度主动设计技术，在保证机床精度的基础上，也能保证机床的精度保持性、稳定性、可靠性以及一致性，是一个亟需解决的重要问题。

发明内容

本发明的目的在于针对当前机床制造主机厂缺乏科学合理的考虑重力和热影响的机床几何精度设计方法的问题，提出一种考虑重力和热影响的机床几何精度主动设计方法，以抵消重力与热变形误差为目标，突破原有依靠经验或依照国标来进行机床设计的模式，保证机床在实际工况下仍具有良好的几何精度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种考虑重力和热影响的机床几何精度主动设计方法，包括以下步骤：

步骤1：明确机床实际运行时所受重力载荷、热载荷、散热边界条件和约束条件，并计算得到所受重力载荷、热载荷与散热量；

步骤2：将所述步骤1中计算得到的机床实际运行时所受重力载荷、热载荷、散热量和约束条件作为有限元分析的边界条件，利用有限元软件根据重力载荷、热载荷与散热量分析重力和热综合影响下机床变形，获得到达热平衡态时，机床各部件导轨安装面、部件间结合面变形量数据；

步骤3：根据所述步骤2中得到的导轨安装面、部件间结合面变形量数据，基于反变形原理，在设计导轨安装面直线度以及部件间结合面平面度时，使导轨和部件间结合面做大小相等、方向相反的变形，以抵消或补偿受重力和热后发生的变形。

本发明进一步的改进在于，步骤1中，查询机床实际使用地点的重力加速度，在有限元软件中将重力载荷以重力加速度的形式加载到机床，并在有限元软件中计算得到重力载荷。

本发明进一步的改进在于，步骤1中，热载荷包括主轴轴承发热量和机床导轨摩擦发热量；

主轴轴承发热量通过下式计算：