CN106563976B - 一种提高镗孔加工同轴度的静压油膜补偿方法 - Google Patents

一种提高镗孔加工同轴度的静压油膜补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高镗孔加工同轴度的静压油膜补偿方法，包括以下步骤：S1：根据镗床主轴轴向移动所处的位置差，预测计算镗刀点的挠度变形差；S2：再根据挠度变形差计算主轴箱前后静压导轨支撑的油膜厚度补偿量；S3：再根据油膜厚度补偿量和静压导轨支撑的内在特性，确定前后静压导轨支撑各油腔的目标压力和目标流量；S4：根据各油腔的目标压力和目标流量，对各油腔的实时压力和实时流量进行调整，改变油膜厚度，使主轴箱产生预期的补偿倾斜量，实现主轴移动前后镗刀点位置保持不变的目标。该提高镗孔加工同轴度的静压油膜补偿方法具有可简化镗床主轴箱的补偿结构、减少原材料和能量消耗、有利于机床结构紧凑化、易于控制、可靠性高的。

Description

一种提高镗孔加工同轴度的静压油膜补偿方法
技术领域
本发明涉及重型数控落地铣镗床镗孔加工时的同轴度精度控制技术，尤其涉及一种提高镗孔加工同轴度的静压油膜补偿方法。
背景技术
重型数控落地铣镗床是装备制造业的重要加工设备，广泛应用于冶金、能源、交通、电力等行业特大型箱体以及壳体类零件孔和面的粗加工、半精加工及精加工。主轴是数控落地铣镗床的核心功能部件，其性能直接影响加工效率、精度和质量。
现有的落地型大型铣镗床在加工大型箱体较大跨距的前后内孔时，镗床主轴箱需要轴向移动较大的距离。由于主轴箱体重量很大，处在不同位置时镗刀处的挠度变形差别也较大，常常导致加工零件前后内孔的同轴度差别较大，难以满足大型零件内孔加工的同轴度高精度要求。
为了提高同轴度加工精度，公告号为CN102248183A的中国专利文献公开了一种主轴箱三吊点平衡补偿结构与方式，其结构主要由平衡、倾斜补偿单元、主轴箱三吊点机构组成，主轴箱上设置有前、中、后三个吊点，三个吊点通过连接绳索、滑轮组与平衡锤的重心相连，在前、后吊点处设置有补偿油缸，补偿油缸前面设置有电液比例阀、液控单向阀、电磁换向阀组成的油路控制装置；平衡补偿方式为，通过数控系统实时测量主轴的工况，采用电液比例阀控制油缸内的油压。
该专利所述的平衡补偿结构与方式，能实时地对主轴箱的倾斜度进行修正，但存在如下不足：
(1)需要单独配置平衡锤、连接绳索和滑轮组，结构较复杂；
(2)增加了主轴箱重量，增大了原材料消耗和能量消耗；
(3)增加了机床部件占用的空间，不利于结构紧凑化；
(4)增加了故障点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可简化镗床主轴箱的补偿结构、减少原材料和能量消耗、有利于机床结构紧凑化、易于控制、可靠性高的提高镗孔加工同轴度的静压油膜补偿方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种提高镗孔加工同轴度的静压油膜补偿方法，包括以下步骤：
S1：根据镗床主轴箱轴向移动所处的位置差x，预测计算镗刀点的挠度变形差；Δf镗刀，垂直方向(x)，Δf镗刀，水平方向(x)
S2：再根据挠度变形差计算主轴箱前后静压导轨支撑的油膜厚度补偿量Δf前油膜,垂直方向、Δf后油膜,垂直方向、Δf前油膜,水平方向和Δf后油膜,水平方向；
S3：再根据油膜厚度补偿量和静压导轨支撑的内在特性，确定前后静压导轨支撑各油腔的目标压力和目标流量；
S4：根据各油腔的目标压力和目标流量，对各油腔的实时压力和实时流量进行调整，改变油膜厚度，使主轴箱产生预期的补偿倾斜量，实现主轴箱移动前后镗刀点位置保持不变的目标。
在执行所述步骤S1时，按以下步骤进行：
S11：根据镗刀加工零件的切削参数包括转速n、孔径D和切深h，计算得到镗刀点在圆周方位θ时，镗削加工的切向力Ft(θ,n,D,h)和法向力Fn(θ,n,D,h)；
S12：根据镗削加工切向力Ft(θ,n,D,h)、法向力Fn(θ,n,D,h)、位置差x、主轴箱前后静压导轨支撑跨距l，镗床主轴的重量G，分别在水平面和纵向竖直平面内建立力矩平衡方程，计算得到：
前静压导轨支撑上下油垫的支承反力：F前导轨支撑，垂直方向(Ft,Fn,G,θ,x,l)；
前静压导轨支撑两侧油垫的支承反力：F前导轨支撑，水平方向(Ft,Fn,θ,x,l)；
后静压导轨支撑上下油垫的支承反力：F后导轨支撑，垂直方向(Ft,Fn,G,θ,x,l)；
后静压导轨支撑两侧油垫的支承反力：F后导轨支撑，水平方向(Ft,Fn,θ,x,l)；
S13：假定前、后静压导轨支撑上下油垫和水平油垫的刚度为无穷大，根据简支梁变形计算公式和已经知的Ft(θ,n,D,h)、Fn(θ,n,D,h)、x、l、G，计算镗刀点在垂直方向和水平方向的挠度f1，镗刀，垂直方向(x)、f1，镗刀，水平方向(x)；
S14：假定前、后静压导轨支撑垂直方向的刚度分别为k前导轨支撑，垂直方向，k后导轨支撑，垂直方向，根据油膜变形及承载变化计算公式和已知的F前导轨支撑，垂直方向(Ft,Fn,G,θ,x,l)和F后导轨支撑，垂直方向(Ft,Fn,G,θ,x,l)，分别计算前后静压导轨支撑上下油垫的油膜厚度变形量f前油膜,垂直方向和f后油膜,垂直方向；
假定前、后静压导轨支撑水平方向的刚度分别为k前导轨支撑，水平方向，k后导轨支撑，水平方向，根据油膜变形及承载变化计算公式和已知的F前导轨支撑，水平方向(Ft,Fn,θ,x,l)和F后导轨支撑，水平方向(Ft,Fn,θ,x,l)，分别计算前后静压导轨支撑两侧油垫的油膜厚度变形量f前油膜,水平方向和f后油膜,水平方向；
假定镗床主轴系统的刚度为无穷大，根据支点变形引起的直线几何放大规律，计算得到由f前油膜,垂直方向、f后油膜,垂直方向、f前油膜,水平方向和f后油膜,水平方向导致镗刀点在垂直方向和水平方向的挠度f2，镗刀，垂直方向(x)、f2，镗刀，水平方向(x)，所述主轴系统包括由主轴箱前后静压导轨支撑的油膜支承的所有部件；
S15：综合考虑镗床主轴系统变形以及前后静压导轨支撑油膜变形的影响，则镗刀点在垂直方向和水平方向的综合挠度为：
f镗刀，垂直方向(x)＝f1，镗刀，垂直方向(x)+f2，镗刀，垂直方向(x)，
f镗刀，水平方向(x)＝f1，镗刀，水平方向(x)+f2，镗刀，水平方向(x)；
S16：以镗刀位置x＝x0作为位置基点，根据步骤S11至S15所述计算方法，计算得到镗刀点垂直方向和水平方向的挠度参考值f镗刀，垂直方向(x0)和f镗刀，水平方向(x0)；
S17：根据镗刀点垂直方向和水平方向的挠度参考值，计算镗刀点变形的补偿量：
Δf镗刀，垂直方向(x)＝f镗刀，垂直方向(x)-f镗刀，垂直方向(x0)，
Δf镗刀，水平方向(x)＝f镗刀，水平方向(x)-f镗刀，水平方向(x0)。
在执行所述步骤S2时，根据支点变形引起的直线几何放大规律，逆求得到前、后静压导轨支撑上下油垫和两侧油垫油膜厚度的补偿量Δf前油膜,垂直方向、Δf后油膜,垂直方向，Δf前油膜,水平方向和Δf后油膜,水平方向。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的提高镗孔加工同轴度的静压油膜补偿方法，根据镗床主轴箱轴向移动所处的位置差，预测计算镗刀点的挠度变形差，再根据挠度变形差计算主轴箱前后静压导轨支撑的油膜厚度补偿量，再根据油膜厚度补偿量和静压导轨支撑的内在特性，确定前后静压导轨支撑各油腔的目标压力和目标流量，最后根据各油腔的目标压力和目标流量，对各油腔的实时压力和实时流量进行调整，改变油膜厚度，使主轴箱产生预期的补偿倾斜量，实现了主轴箱移动前后镗刀点位置保持不变的目标。采用该方法不需要单独配置平衡锤、连接绳索和滑轮组，大大简化了镗床主轴箱的补偿结构；不需要额外增加镗床主轴箱的重量，减少了原材料消耗和能量消耗；节省了机床部件占用的空间，有利于结构紧凑化；易于控制，故障点少，可靠性高。
附图说明
图1是本发明的一种实施例的流程图。
图2是镗床主轴装配结构示意图。
图中各标号标示：
1、镗床主轴；2、主轴箱；3、镗刀点；4、前静压导轨支撑；5、后静压导轨支撑。
具体实施方式
图1示出了本发明一种提高镗孔加工同轴度的静压油膜补偿方法实施例流程，图2是镗床主轴及相关部件的装配结构示意图，镗床主轴1装设于主轴箱2内，镗刀点3设于镗床主轴1前端，主轴箱2前后与镗床主轴1之间设有前静压导轨支撑4和后静压导轨支撑5，该方法包括以下步骤：
S1：根据镗床主轴箱轴向移动所处的位置差x，预测计算镗刀点的挠度变形差；Δf镗刀，垂直方向(x)，Δf镗刀，水平方向(x)
S2：再根据挠度变形差计算主轴箱前后静压导轨支撑的油膜厚度补偿量Δf前油膜,垂直方向、Δf后油膜,垂直方向、Δf前油膜,水平方向和Δf后油膜,水平方向；
S3：再根据油膜厚度补偿量和静压导轨支撑的内在特性，确定前后静压导轨支撑各油腔的目标压力和目标流量；
S4：根据各油腔的目标压力和目标流量，对各油腔的实时压力和实时流量进行调整，改变油膜厚度，使主轴箱产生预期的补偿倾斜量，实现主轴箱移动前后镗刀点位置保持不变的目标。
采用该方法不需要单独配置平衡锤、连接绳索和滑轮组，大大简化了镗床主轴箱的补偿结构；不需要额外增加镗床主轴箱的重量，减少了原材料消耗和能量消耗；节省了机床部件占用的空间，有利于结构紧凑化；易于控制，故障点少，可靠性高。
在本实施例中，执行所述步骤S1时，按以下步骤进行：
S11：根据镗刀加工零件的切削参数包括转速n、孔径D和切深h，计算得到镗刀点在圆周方位θ时，镗削加工的切向力Ft(θ,n,D,h)和法向力Fn(θ,n,D,h)；
S12：根据镗削加工切向力Ft(θ,n,D,h)、法向力Fn(θ,n,D,h)、位置差x、主轴箱前后静压导轨支撑跨距l，镗床主轴的重量G，分别在水平面和纵向竖直平面内建立力矩平衡方程，计算得到：
前静压导轨支撑上下油垫的支承反力：F前导轨支撑，垂直方向(Ft,Fn,G,θ,x,l)；
前静压导轨支撑两侧油垫的支承反力：F前导轨支撑，水平方向(Ft,Fn,θ,x,l)；
后静压导轨支撑上下油垫的支承反力：F后导轨支撑，垂直方向(Ft,Fn,G,θ,x,l)；
后静压导轨支撑两侧油垫的支承反力：F后导轨支撑，水平方向(Ft,Fn,θ,x,l)；
S13：假定前、后静压导轨支撑上下油垫和水平油垫的刚度为无穷大，根据简支梁变形计算公式和已经知的Ft(θ,n,D,h)、Fn(θ,n,D,h)、x、l，G，计算镗刀点在垂直方向和水平方向的挠度f1，镗刀，垂直方向(x)、f1，镗刀，水平方向(x)；
S14：假定前、后静压导轨支撑垂直方向的刚度分别为k前导轨支撑，垂直方向，k后导轨支撑，垂直方向，根据油膜变形及承载变化计算公式和已知的F前导轨支撑，垂直方向(Ft,Fn,θ,x,l)和F后导轨支撑，垂直方向(Ft,Fn,θ,x,l)，分别计算前后静压导轨支撑上下油垫的油膜厚度变形量f前油膜,垂直方向和f后油膜,垂直方向；
假定前、后静压导轨支撑水平方向的刚度分别为k前导轨支撑，水平方向，k后导轨支撑，水平方向，根据油膜变形及承载变化计算公式和已知的F前导轨支撑，水平方向(Ft,Fn,θ,x,l)和F后导轨支撑，水平方向(Ft,Fn,θ,x,l)，分别计算前后静压导轨支撑两侧油垫的油膜厚度变形量f前油膜,水平方向和f后油膜,水平方向；
假定镗床主轴系统的刚度为无穷大，根据支点变形引起的直线几何放大规律，计算得到由f前油膜,垂直方向、f后油膜,垂直方向、f前油膜,水平方向和f后油膜,水平方向导致镗刀点在垂直方向和水平方向的挠度f2，镗刀，垂直方向(x)、f2，镗刀，水平方向(x)，主轴系统包括由主轴箱前后静压导轨支撑的油膜支承的所有部件；
S15：综合考虑镗床主轴系统变形以及前后静压导轨支撑油膜变形的影响，则镗刀点在垂直方向和水平方向的综合挠度为：
f镗刀，垂直方向(x)＝f1，镗刀，垂直方向(x)+f2，镗刀，垂直方向(x)，
f镗刀，水平方向(x)＝f1，镗刀，水平方向(x)+f2，镗刀，水平方向(x)；
S16：以镗刀位置x＝x0作为位置基点，根据步骤S11至S15所述计算方法，计算得到镗刀点垂直方向和水平方向的挠度参考值f镗刀，垂直方向(x0)和f镗刀，水平方向(x0)；
S17：根据镗刀点垂直方向和水平方向的挠度参考值，计算镗刀点变形的补偿量：
Δf镗刀，垂直方向(x)＝f镗刀，垂直方向(x)-f镗刀，垂直方向(x0)，
Δf镗刀，水平方向(x)＝f镗刀，水平方向(x)-f镗刀，水平方向(x0)。
该镗刀点的挠度变形差预测计算方法所得结果精确，为提高静压油膜补偿精度打下基础；在其他实施例中，也可采用红外测量装置或激光测量装置来辅助镗刀点的挠度变形差预测计算。
在本实施例中，执行所述步骤S2时，根据支点变形引起的直线几何放大规律，逆求得到前、后静压导轨支撑上下油垫和两侧油垫油膜厚度的补偿量Δf前油膜,垂直方向、Δf后油膜,垂直方向，Δf前油膜,水平方向和Δf后油膜,水平方向。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (2)

1.一种提高镗孔加工同轴度的静压油膜补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据镗床主轴箱轴向移动所处的位置差x，预测计算镗刀点的挠度变形差Δf镗刀，垂直方向(x)，Δf镗刀，水平方向(x)；
S2：再根据挠度变形差计算主轴箱前后静压导轨支撑的油膜厚度补偿量△f前油膜,垂直方向、△f后油膜,垂直方向、△f前油膜,水平方向和△f后油膜,水平方向；
S3：再根据油膜厚度补偿量和静压导轨支撑的内在特性，确定前后静压导轨支撑各油腔的目标压力和目标流量；
S4：根据各油腔的目标压力和目标流量，对各油腔的实时压力和实时流量进行调整，改变油膜厚度，使主轴箱产生预期的补偿倾斜量，实现主轴箱移动前后镗刀点位置保持不变的目标;
在执行所述步骤S1时，按以下步骤进行：
S11：根据镗刀加工零件的切削参数包括转速n、孔径D和切深h，计算得到镗刀点在圆周方位θ时，镗削加工的切向力Ft(θ,n,D,h)和法向力Fn(θ,n,D,h)；
S12：根据镗削加工切向力Ft(θ,n,D,h)、法向力Fn(θ,n,D,h)、位置差x、主轴箱前后静压导轨支撑跨距l，镗床主轴的重量G，分别在水平面和纵向竖直平面内建立力矩平衡方程，计算得到：
前静压导轨支撑上下油垫的支承反力：F前导轨支撑，垂直方向(Ft,Fn,G,θ,x,l)；
前静压导轨支撑两侧油垫的支承反力：F前导轨支撑，水平方向(Ft,Fn,θ,x,l)；
后静压导轨支撑上下油垫的支承反力：F后导轨支撑，垂直方向(Ft,Fn,G,θ,x,l)；
后静压导轨支撑两侧油垫的支承反力：F后导轨支撑，水平方向(Ft,Fn,θ,x,l)；
S13：假定前、后静压导轨支撑上下油垫和水平油垫的刚度为无穷大，根据简支梁变形计算公式和已经知的Ft(θ,n,D,h)、Fn(θ,n,D,h)、x、l、G，计算镗刀点在垂直方向和水平方向的挠度f1，镗刀，垂直方向(x)、f1，镗刀，水平方向(x)；
S14：假定前、后静压导轨支撑垂直方向的刚度分别为k前导轨支撑，垂直方向，k后导轨支撑，垂直方向，根据油膜变形及承载变化计算公式和已知的F前导轨支撑，垂直方向(Ft,Fn,G,θ,x,l)和F后导轨支撑，垂直方向(Ft,Fn,G,θ,x,l)，分别计算前后静压导轨支撑上下油垫的油膜厚度变形量f前油膜,垂直方向和f后油膜,垂直方向；
假定前、后静压导轨支撑水平方向的刚度分别为k前导轨支撑，水平方向，k后导轨支撑，水平方向，根据油膜变形及承载变化计算公式和已知的F前导轨支撑，水平方向(Ft,Fn,θ,x,l)和F后导轨支撑，水平方向(Ft,Fn,θ,x,l)，分别计算前后静压导轨支撑两侧油垫的油膜厚度变形量f前油膜,水平方向和f后油膜,水平方向；
假定镗床主轴系统的刚度为无穷大，根据支点变形引起的直线几何放大规律，计算得到由f前油膜,垂直方向、f后油膜,垂直方向、f前油膜,水平方向和f后油膜,水平方向导致镗刀点在垂直方向和水平方向的挠度f2，镗刀，垂直方向(x)、f2，镗刀，水平方向(x)，所述主轴系统包括由主轴箱前后静压导轨支撑的油膜支承的所有部件；
S15：综合考虑镗床主轴系统变形以及前后静压导轨支撑油膜变形的影响，则镗刀点在垂直方向和水平方向的综合挠度为：
f镗刀，垂直方向(x)＝f1，镗刀，垂直方向(x)+f2，镗刀，垂直方向(x)，
f镗刀，水平方向(x)＝f1，镗刀，水平方向(x)+f2，镗刀，水平方向(x)；
S16：以镗刀位置x＝x0作为位置基点，根据步骤S11至S15所述计算方法，计算得到镗刀点垂直方向和水平方向的挠度参考值f镗刀，垂直方向(x0)和f镗刀，水平方向(x0)；
S17：根据镗刀点垂直方向和水平方向的挠度参考值，计算镗刀点变形的补偿量：
△f镗刀，垂直方向(x)＝f镗刀，垂直方向(x)-f镗刀，垂直方向(x0)，
△f镗刀，水平方向(x)＝f镗刀，水平方向(x)-f镗刀，水平方向(x0)。
2.根据权利要求1所述的提高镗孔加工同轴度的静压油膜补偿方法，其特征在于：在执行所述步骤S2时，根据支点变形引起的直线几何放大规律，逆求得到前、后静压导轨支撑上下油垫和两侧油垫油膜厚度的补偿量△f前油膜,垂直方向、△f后油膜,垂直方向，△f前油膜,水平方向和△f后油膜,水平方向。
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