CN114473537B - 一种机床的导轨安装基面刮研曲线设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种机床的导轨安装基面刮研曲线设计方法，用来补偿装配过程中机床姿态和重心位置变化过程中重力导致的变形误差。本发明的技术方案是使用有限元分析软件对机床基础件和装配后机床进行仿真分析。设计床身、立柱、溜板结构件刮研姿态的支撑位置，机床工作姿态的支撑位置和工作位置。接下来分别计算刮研姿态和工作姿态下重力引起的变形值，根据两者变形差别，计算刮研曲线，提高工作姿态下导轨安装基面的精度。本发明可有效避免装配过程中重复拆卸和重复刮研，加快装配速度，对精密机床的误差补偿具有指导性意义。

Description

一种机床的导轨安装基面刮研曲线设计方法
技术领域
本发明涉及机床误差补偿技术领域，特别是涉及一种基于机床姿态和重心位置变化的导轨安装基面刮研曲线设计方法。
背景技术
随着精密机床行业不断发展，产品对机床精度的要求越来越高。金属材料具有弹性，当机床处于工作状态时，由于机床和工件重力，刀具切削力，及装夹力作用下引起的刀具，工件和机床的变形称为力变形。力变形是机床误差主要来源之一。同时在机床装配中，几乎每一工步都会引入结构件姿态和重心位置变化带来的变形误差。结构件在刮研姿态下和在工作姿态下重力带来的变形不同。工作姿态下，在不同工作位置下结构件的变形也会不同。本发明针对机床重力引起的变形提出一种导轨安装基面刮研曲线设计方法，补偿变形误差。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种机床的导轨安装基面刮研曲线设计方法，减少装配过程中重力因素导致的导轨安装基面的误差，从而避免反复拆装和检测，提高工作效率和装配精度。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种机床的导轨安装基面刮研曲线设计方法，基于机床的姿态和重心位置变化，机床的结构件包括床身、立柱、溜板、主轴箱和工作台；床身与工作台通过Z导轨滑动连接，工作台能够在Z导轨上沿Z轴方向运动；立柱与溜板通过X导轨滑动连接，溜板能够在X导轨上沿X轴方向移动；溜板与主轴箱之间通过Y导轨滑动连接，主轴箱能够在Y导轨上沿Y轴方向运动；X导轨、Y导轨和Z导轨均通过螺栓固定在导轨安装基面上；X导轨包括X上导轨和X下导轨；X导轨包括Y左导轨和Y右导轨；Z导轨包括Z左导轨和Z右导轨；共六根导轨对应六个导轨安装基面，X上导轨和X下导轨对应的两个导轨安装基面为X导轨安装基面，位于立柱上；Y左导轨和Y右导轨对应的两个导轨安装基面为Y导轨安装基面，位于溜板上；Z左导轨和Z右导轨对应的两个导轨安装基面为Z导轨安装基面，位于床身上；设定加工待组装机床的结构件的各导轨安装基面时的状态为刮研姿态，设定安装好各结构件的机床工作时的状态为工作姿态；包括以下步骤：
(1)设置刮研姿态下立柱、溜板、床身的支撑地脚数量和位置；
(2)设置工作姿态下机床的支撑地脚数量和位置；
(3)设置机床工作姿态下各结构件的工作位置；
设置机床工作姿态下溜板的若干种工作位置，在X导轨上选择n1+1个工作位置；
设置机床工作姿态下主轴箱的若干种工作位置，在Y导轨上选择n2+1个工作位置；
设置机床工作姿态下工作台的若干种工作位置，在Z导轨上选择n3+1个工作位置；
(4)在刮研姿态下进行重力变形仿真，得到刮研姿态下的各导轨安装基面的变形曲线；
(5)求解工作姿态下的各导轨安装基面变形曲线；
(6)利用步骤(4)、(5)中得到的刮研姿态和工作姿态下各导轨安装基面的变形曲线，求解刮研曲线。
进一步的，步骤(5)具体如下：
(501)X导轨分析：移动溜板到设置的第一个工作位置，仿真得到第一个工作位置处X导轨安装基面的变形曲线，再移动溜板到下一个工作位置，仿真得到对应工作位置处X导轨安装基面的变形曲线，直到得出第n1+1个工作位置处X导轨安装基面的变形曲线；取所有n1+1个工作位置处X导轨安装基面的变形曲线的平均值，得到工作姿态下X导轨安装基面变形曲线；
(502)Y导轨分析：移动主轴箱到设置的第一个工作位置，仿真得到第一个工作位置处Y导轨安装基面的变形曲线，再移动主轴箱到下一个工作位置，仿真得到对应工作位置处Y导轨安装基面的变形曲线，直到得出第n2+1个工作位置处Y导轨安装基面的变形曲线；取所有n2+1个工作位置处Y导轨安装基面的变形曲线的平均值，得到工作姿态下Y导轨安装基面变形曲线；
(503)Z导轨分析：移动工作台到设置的第一个工作位置，仿真得到第一个工作位置处Z导轨安装基面的变形曲线，再移动工作台到下一个工作位置，仿真得到对应工作位置处Z导轨安装基面的变形曲线，直到得出第n3+1个工作位置处Z导轨安装基面的变形曲线；取所有n3+1个工作位置处Z导轨安装基面的变形曲线的平均值，得到工作姿态下Z导轨安装基面变形曲线。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明在设计导轨安装基面刮研曲线的时候，考虑机床多种工作位置导致的重心位置变化所产生的重力变形的差异，得到可综合考虑多种工作位置的导轨安装基面的重力变形。给出更加合理的工作姿态下的导轨安装基面的重力变形。
2.考虑刮研姿态和工作姿态下导轨安装基面的重力变形的差异，并通过设计刮研曲线，有效提高工作姿态下导轨安装基面的精度。同时，还可以有效避免装配过程中由于重力变形误差导致的重复拆卸和重复刮研，加快装配速度。
附图说明
图1是精密卧式机床基础结构件的机床图；
图2、图3是床身刮研姿态下支撑点设置示意图；
图4、图5是立柱刮研姿态下支撑点设置示意图；
图6、图7是溜板刮研姿态下支撑点设置示意图；
图8是刮研曲线设计方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明保护一种基于机床姿态和重心位置变化的导轨安装基面刮研曲线设计方法，机床的结构件包括床身5、立柱4、溜板3、主轴箱2和工作台1；见图1，床身5与工作台1通过Z导轨滑动连接，工作台1能够在Z导轨上沿Z轴方向运动；立柱4与溜板3通过X导轨滑动连接，溜板3能够在X导轨上沿X轴方向移动；溜板3与主轴箱2之间通过Y导轨滑动连接，主轴箱2能够在Y导轨上沿Y轴方向运动；X导轨、Y导轨和Z导轨均通过螺栓固定在导轨安装基面上；X导轨包括X上导轨和X下导轨；X导轨包括Y左导轨和Y右导轨；Z导轨包括Z左导轨和Z右导轨；共六根导轨对应六个导轨安装基面，X上导轨6和X下导轨对应的两个导轨安装基面为X导轨安装基面，位于立柱上，分别为X上导轨安装基面4-1和X下导轨安装基面4-2；Y左导轨和Y右导轨对应的两个导轨安装基面为Y导轨安装基面，位于溜板上，分别为Y左导轨安装基面3-1和Y右导轨安装基面3-2；Z左导轨和Z右导轨对应的两个导轨安装基面为Z导轨安装基面；位于床身上，分别为Z左导轨安装基面5-2和Z右导轨安装基面5-1；
其中，设定加工待组装机床的结构件的各导轨安装基面时的状态为刮研姿态，设定安装好各结构件的机床工作时的状态为工作姿态；刮研曲线设计方法包括以下步骤：
(1)设置立柱4、溜板3、床身5刮研姿态下的支撑地脚数量和位置。
床身5的支撑位置应尽量对称分布在前后床身的最大调整面内。故如附图2、3所示，设置6个支撑点7、8、9、10、11、12对称分布在床身两侧。由于床身后端较重，中间2个支撑点8，11选择靠近床尾放置。
立柱4的上端设置一个支撑点14，下端设置两个支撑点13、15。如附图4、5所示，立柱刮研姿态采用三点支撑。将立柱X轴导轨安装面朝上，置于调平垫铁上。
溜板3如附图6、7所示，溜板3采用四点支撑，四个支撑点分别为16、17、18、19。
(2)工作姿态下机床支撑点设置同床身1支撑点设置一样。
(3)设置机床工作姿态下各结构件的工作位置。
假设X，Y，Z导轨工作范围为lx，ly，lz。
设置机床工作姿态下溜板3的多种工作位置。在X导轨上选择n1+1个工作位置。在X导轨上选择的工作位置分别为0、lx/n1、2lx/n1……lx。
设置机床工作姿态下主轴箱2的多种工作位置。在Y导轨上选择n2+1个工作位置。在Y导轨上选择的工作位置分别为0、ly/n2、2ly/n2……ly。
设置机床工作姿态下工作台1的多种工作位置。在Z导轨上选择n3+1个工作位置。在Z导轨上选择的工作位置分别为0、lz/n3、2lz/n3……lz。
(4)进行机床在刮研姿态下的重力变形仿真。
借助有限元分析软件分别对刮研姿态下的床身5、立柱4、溜板3进行仿真，得到导轨安装基面的变形曲线：第i个导轨安装基面在刮研姿态下的变形曲线。其中，i(1≤i≤6)表示导轨安装基面编号，i取值从1到6分别为X上导轨、X下导轨、Y左导轨、Y右导轨、Z左导轨、Z右导轨。
(5)在机床工作姿态下进行重力变形仿真。
X导轨分析：移动溜板3到设置的第一个工作位置，仿真得到导轨安装基面的变形曲线，再移动溜板3到下一个工作位置，仿真得到对应工作位置处导轨安装基面的变形曲线，直到得出第n1+1个工作位置的变形曲线。经过n1+1次移动得到多种工作位置下的变形曲线。取所有变形曲线的平均值，得到工作姿态下的X导轨安装基面的变形曲线：其中i(1≤i≤2)。
Y导轨分析：移动主轴箱2到设置的第一个工作位置，仿真得到导轨安装基面的变形曲线，再移动主轴箱2到下一个工作位置，仿真得到对应工作位置处导轨安装基面的变形曲线，直到得出第n2+1个工作位置的变形曲线。经过n2+1次移动得到多种工作位置下的变形曲线，取所有变形曲线的平均值，得到工作姿态下的Y导轨安装基面的变形曲线:其中i(3≤i≤4)。
Z导轨分析：移动工作台1到设置的第一个工作位置，仿真得到导轨安装基面的变形曲线，再移动工作台1到下一个工作位置，仿真得到对应工作位置处导轨安装基面的变形曲线，直到得出第n3+1个工作位置的变形曲线。经过n3+1次移动得到多种工作位置下的变形曲线，取所有变形曲线的平均值，得到工作姿态下的Z导轨安装基面变形曲线:其中i(5≤i≤6)。
(6)求解导轨安装基面的刮研曲线。
每个导轨安装基面的刮研曲线的计算公式如下：
其中，i(1≤i≤6)表示导轨安装基面编号，i取值从1到6分别为X上导轨、X下导轨、Y左导轨、Y右导轨、Z左导轨、Z右导轨。δi表示第i个导轨安装基面的刮研曲线。表示第i个导轨安装基面在刮研姿态下的变形曲线。/>表示第i个导轨安装基面在工作姿态下的变形曲线。
通过上述方法，求得各导轨安装基面的刮研曲线。根据所求刮研曲线指导导轨安装基面的刮研。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种机床的导轨安装基面刮研曲线设计方法，基于机床的姿态和重心位置变化，机床的结构件包括床身、立柱、溜板、主轴箱和工作台；床身与工作台通过Z导轨滑动连接，工作台能够在Z导轨上沿Z轴方向运动；立柱与溜板通过X导轨滑动连接，溜板能够在X导轨上沿X轴方向移动；溜板与主轴箱之间通过Y导轨滑动连接，主轴箱能够在Y导轨上沿Y轴方向运动；X导轨、Y导轨和Z导轨均通过螺栓固定在导轨安装基面上；X导轨包括X上导轨和X下导轨；X导轨包括Y左导轨和Y右导轨；Z导轨包括Z左导轨和Z右导轨；共六根导轨对应六个导轨安装基面，X上导轨和X下导轨对应的两个导轨安装基面为X导轨安装基面，位于立柱上；Y左导轨和Y右导轨对应的两个导轨安装基面为Y导轨安装基面，位于溜板上；Z左导轨和Z右导轨对应的两个导轨安装基面为Z导轨安装基面，位于床身上；其特征在于，设定加工待组装机床的结构件的各导轨安装基面时的状态为刮研姿态，设定安装好各结构件的机床工作时的状态为工作姿态；包括以下步骤：
（1）设置刮研姿态下立柱、溜板、床身的支撑地脚数量和位置；
（2）设置工作姿态下机床的支撑地脚数量和位置；
（3）设置机床工作姿态下各结构件的工作位置；
设置机床工作姿态下溜板的若干种工作位置，在X导轨上选择 个工作位置；
设置机床工作姿态下主轴箱的若干种工作位置，在Y导轨上选择 个工作位置；
设置机床工作姿态下工作台的若干种工作位置，在Z导轨上选择 个工作位置；
（4）在刮研姿态下进行重力变形仿真，得到刮研姿态下的各导轨安装基面的变形曲线；
（5）求解工作姿态下的各导轨安装基面变形曲线；
（501）X导轨分析：移动溜板到设置的第一个工作位置，仿真得到第一个工作位置处X导轨安装基面的变形曲线，再移动溜板到下一个工作位置，仿真得到对应工作位置处X导轨安装基面的变形曲线，直到得出第个工作位置处X导轨安装基面的变形曲线；取所有个工作位置处X导轨安装基面的变形曲线的平均值，得到工作姿态下X导轨安装基面变形曲线；
（502）Y导轨分析：移动主轴箱到设置的第一个工作位置，仿真得到第一个工作位置处Y导轨安装基面的变形曲线，再移动主轴箱到下一个工作位置，仿真得到对应工作位置处Y导轨安装基面的变形曲线，直到得出第个工作位置处Y导轨安装基面的变形曲线；取所有/>个工作位置处Y导轨安装基面的变形曲线的平均值，得到工作姿态下Y导轨安装基面变形曲线；
（503）Z导轨分析：移动工作台到设置的第一个工作位置，仿真得到第一个工作位置处Z导轨安装基面的变形曲线，再移动工作台到下一个工作位置，仿真得到对应工作位置处Z导轨安装基面的变形曲线，直到得出第个工作位置处Z导轨安装基面的变形曲线；取所有个工作位置处Z导轨安装基面的变形曲线的平均值，得到工作姿态下Z导轨安装基面变形曲线；
（6）利用步骤（4）、（5）中得到的刮研姿态和工作姿态下各导轨安装基面的变形曲线，求解刮研曲线。
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