重型机床横梁重力变形对几何精度的影响试验研究

重型机床横梁重力变形对几何精度的影响试验研究
发布时间：2021-06-22T09:39:21.223Z 来源：《基层建设》2021年第8期作者：张文广王春周
[导读] 摘要：重型机床具有结构尺寸大、载荷重、工作行程大、驱动单元功率大、等特点，其精度受到其组成零部件制造和装配误差，自重、切削力引起的变形及由于动刚度变化产生的误差；以及外界振动、湿度、气流变化等环境影响。

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摘要：重型机床具有结构尺寸大、载荷重、工作行程大、驱动单元功率大、等特点，其精度受到其组成零部件制造和装配误差，自重、切削力引起的变形及由于动刚度变化产生的误差；以及外界振动、湿度、气流变化等环境影响。

因此，重型机床的真实精度受到多因素、多场耦合综合作用，其精度模型、精度检测、误差建模与辨识等技术更为复杂。

关键词：重型机床；横梁；重力变形；几何精度；影响试验
1 前言
在大跨距龙门架中，横梁本身的自重变形及执行部件的连续进给运动等综合因素会导致横梁的挠曲下垂变形，使其与工作台的平行度难以控制。

在重型机床的制造过程中，利用有限元仿真模拟计算反变形解决此问题，但是由于零件制造过程中，实际零件与设计指标有微量差异，如材料成分、密度的差异性等。

导致计算结果与实际的工艺预变形曲线有一定的误差导致超差，往往需要经过多次修正达到使用要求，为解决这一难题，对理论计算数据及实测数据进行对比分析，完善制造工艺，保证横梁一次性安装合格。

2 试验研究的方法
目前国内外对的数控机床精度建模及分析主要集中在中小型数控机床，针对重型机床的研究较少。

因此，国内重型机床行业迫切需要针对重型机床的精度模型和测试、评价标准开展深入研究，以提高我国重型机床的档次和水平。

横梁在重力作用下的变形由弯曲和扭转组成。

由于弯曲和扭转的有限差分校正模型不同，使用该方法计算横梁重力变形曲线时，需要将有限元仿真中的弯曲及扭转数据进行分离，才能分别校正。

图 1横梁扭心观察点设置
图 2有限元计算横梁截面扭心位置
横梁的变形主要包括弯曲和扭转。

推导基于有限差分法的横梁反变形模型。

横梁的变形主要包括弯曲和扭转。

推导基于有限差分法的横梁反变形模型。

图3横梁结构俯视图
将横梁简化为一简支梁，重力作为均布载荷施加于横梁，以重力载荷集度来表示均布载荷的大小。

由于横梁受重力作用产生的变形只发生在X-Z平面内，因此将该变形问题视为平面问题。

对横梁弯曲变形、扭转进行建模如下：
图 4梁重力变形曲线的计算模型简图
图 5横梁重力变形曲线的计算模型简图
有限差分法弯曲变形理：
有限差分法扭转变形理论模型：
设计实验测量横梁重力变形曲线，通过该曲线反推横梁微段的当量抗弯刚度（EI）v，利用该变量校正有限元计算结果。

基于有限差分法的横梁弯曲校正模型：
基于有限差分法的横梁扭转校正模型：
将弯曲变形和扭转变形校正后的结果相加得到准确的横梁重力变形曲线。

本试验针对四台机床共三种不同规格的横梁进行三维建模，有限元分析及计算，得到横梁自重弯曲的理论数值以及横梁压重变形的理论数值，针对实物按照理论计算的条件要求进行检测，对比两者数据进行分析。

实物检测方法按如下技术路线进行：
自重变形检测——反曲线加工及反扭曲加工——反曲线直线度检测——压重变形检测——总装完成后工作状态扭曲变形检测——机床精度检测（G5）
（1）自重变形检测
自重变形的检测方法为通过合像水平仪检测导轨直线度，直线度曲线即为横梁自重变形曲线。

合象水平仪是利用棱镜将水准器中的汽泡象放大，来提高读数的精确度，利用杠杆、微动螺杆这一套传动机构来提高读数的灵敏度。

所以被测量件倾斜0.01毫米/米时，就可精确的在合象仪中读出。

在检测前将横梁导轨大面朝上水平放置，此时横梁不受重力影响，在重力方向的导轨面上加工一条检测带，加工完成后将横梁垂直放置，横梁因自重发生变形，此时检测预先加工的检测带，该检测带的直线度即反映了在重力影响下的变形曲线。

将合象水平仪放置在被检验件的工作表面上，由于被检验面的倾斜而引起两气泡象的不重合，则转动螺杆，一直到两气泡象重合为止，此时即可得出读数。

被检验件的实际倾斜度，可通过下式进行计算：实际倾斜度=刻度值×支点距离×刻度盘读数，按每单位长度进行连续测量，将数据按顺序绘制曲线即得到变形曲线。

（2）反变形直线度检测
通过第1部的检测结果结合有限元计算的理论数据对横梁进行反变形加工。

同时根据本课题一季度试验情况，增加导轨上面下凹加工，试验可否解决横梁扭曲问题。

加工完成后横梁下导轨90度面应呈现上凸曲线，上导轨大面应呈现下凹曲线，加工完成后使用准直仪通过90度桥板在横梁水平状态下进行进行直线度检测。

将仪器主体放置在被测件的一端，反射镜座放在被测件上，并且要与仪器主体在同一水平面内。

将反射镜座靠近自准直仪的主体，使反射镜正对物镜，使十字线像出现在目镜视场的正中或附近。

仔细地沿测量方向移动反射镜座，以桥板长度为测量单位，在每个测量单位上读数，并进行数据处理形成连续曲线。

导轨上面下凹加工检测可通过机床自身拉表检测。

（3）部装完成后压重变形检测
部装完成后将带有滑座的横梁垂直放置，滑座处于横梁中间位置，此时按滑枕重量选择合适重物或直接使用滑枕进行压重变形检测，检测方法按第1步执行。

（4）机床精度检测
本项检测主要为“刀架移动对工作台面的平行度”检测，其序号通常为G5，其检验数据主要反映了横梁在重力方向的变形。

3 试验装置
3.1根据生产现场情况，选择2台2.5米双柱立式车床，1台3.5米双柱立式车床，1台4米双柱立式车床。

3.2合像水平仪1台、准直仪 1台、200mm桥板1件、250mm桥板1件、460mm桥板1件。

3.3百分表若干、千分表若干、大理石平尺1套
4 试验情况介绍
4.1理论计算与实际采集数据对比
表1
注：因实际生产进度要求，压重变形前预先进行了反变形加工，因此上表种压重变形的数值为反变形加工后的实测数值与检测数值的和值。

（数据详见文件附1-附4）
以2.5米立车为例，如图6及图7、图8所示，二者均呈现下凹曲线，实测数值大于理论计算数值约0.01mm。

图6
图7 2428自重变形实测曲线图图8 2405自重变形实测曲线图
由于横梁结构复杂且内部筋板对于横梁自身刚性起到了重要作用，铸造导致的筋板厚度差异可能是导致横梁自重变形数值大于理论计算数值的原因。

4.2分析并制定试验加工数据
（1）根据表1中自重变形及压重变形的理论数据计算得知当刀架移动至横梁中间位置时，横梁下凹，根据机床精度检验要求G5项0.02mm内合格，结合实测数据给定反变形加工曲线为有效行程上凸，具体2.5米立车为有效行程上凸0.048-0.068mm、3.5米立车为有效行程上凸0.075mm、5米立车为有效行程上凸0.11mm。

反变形加工后进行压重变形检测，压重质量按滑座加刀架重量进行。

以DVT350（2U05）为例子，图9为反变形加工后实测下导轨曲线，图10为反变形加工后压重实测下导轨变形曲线。

图9 图9
从表1及相应曲线图可以看出理论计算与实际检测数据在趋势及数量级上基本相同，且均小于实际检测数据。

分析原因可能为受设备精度限制以及磨削加工温度场对金属零件热变形的影响，反变形加工后曲线与设定理想加工曲线略有差别，且压重状态与滑座滑枕实际压重状态无法达到一致，导致数据均存在差异。

5 试验结论及建议
本次试验的四台双柱立车再进过反变形及反曲线加工后G5项精度均一次交检合格，初步达到了本项目试验研究的目的。

（G5检测数据详见文件附1-附4）
建议有限元分析数据应充分考虑到结合面的结合方式，计算时按照刀架的有效行程进行计算。

6 试验参与单位及人员
试验参与单位：工艺部、设计部、机加一厂、装配三厂、装配一厂
试验参与人员：刘双江、王春周、郭文武等
参考文献：
[1]叶片零件毛坯余量分布优化问题研究[J].陈满意，李斌，段正澄.机械科学与技术.2006（02）
[2]面向开放式数控系统平台的NC代码解释器开发[J].伍抗逆，李斌，陈吉红.中国机械工程.2006（02）
项目名称：重型机床重力变形及误差辨识技术研究，项目来源：黑龙江省自然科学基金，项目负责人：刘双江，起止日期：2016.7.1-2019.7.1。