重型數(shù)控機(jī)床長導(dǎo)軌熱特性仿真及誤差補(bǔ)償方法的探討

摘　要：機(jī)床導(dǎo)軌是機(jī)床各主要部件相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)的基準(zhǔn)，其精度直接影響機(jī)床成形運(yùn)動(dòng)之間的相互位置關(guān)系，因此它是產(chǎn)生工件形狀誤差和位置誤差的主要因素之一，機(jī)床導(dǎo)軌的熱變形是引起導(dǎo)軌導(dǎo)向誤差的一個(gè)主要原因。數(shù)控機(jī)床工作過程中，導(dǎo)軌與工作臺(tái)之間的摩擦生熱會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)軌在高溫下產(chǎn)生熱形變而影響機(jī)床加工精度。本文通過ANSYS軟件對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌進(jìn)行有限元建模，并對(duì)其運(yùn)行過程中的熱特性進(jìn)行仿真，進(jìn)而分析了影響熱變形的主要因素，最后提出了對(duì)其熱誤差補(bǔ)償?shù)尼槍?duì)措施。
　　關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；導(dǎo)軌；熱特性；有限元仿真
　　數(shù)控機(jī)床已經(jīng)日漸成為制造業(yè)生產(chǎn)的重要裝備，其在推動(dòng)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著極為重要的作用和影響，這就讓對(duì)其可靠性的分析顯得非常重要現(xiàn)代科技的發(fā)展越來越快，工件加工精度和效率的標(biāo)準(zhǔn)也越來越高，所以要求裝備制造產(chǎn)品的擁有更高的精度和水準(zhǔn)。在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給速度提高的同時(shí)，各零部件接觸面間會(huì)因摩擦產(chǎn)生大量熱量，使得零部件出現(xiàn)熱變形而影響數(shù)控機(jī)床的加工精度。而在其中，導(dǎo)軌與工作臺(tái)之間的摩擦生熱會(huì)致使導(dǎo)軌在高溫下發(fā)生變形，由熱變形而引起的后果，導(dǎo)軌偏移、定位誤差及導(dǎo)軌面隆起等會(huì)改變工件與刀具之間的相對(duì)位置，進(jìn)而影響數(shù)控機(jī)床的加工精度。本文通過ANSYS軟件對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌運(yùn)行過程中的熱特性進(jìn)行仿真，提出了對(duì)其熱誤差補(bǔ)償?shù)姆桨柑接憽?/span>
　　本文的研究對(duì)象為XK2535數(shù)控龍門銑床，床身長15m，寬為1.5m，材料為HT300，其上承受立柱、橫梁、滑枕和溜板等部件重量。
　　1　基于ANSYS的導(dǎo)軌熱特性建模
　　1.1導(dǎo)軌幾何建模簡(jiǎn)化及參數(shù)設(shè)置
　　導(dǎo)軌和工作臺(tái)之間為鑄鐵面間的潤滑，將模型中動(dòng)摩擦系數(shù)取為0.08，將導(dǎo)軌面和工作臺(tái)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)平均速度設(shè)置為6m/min^[2]，從而將摩擦發(fā)熱量計(jì)算得出為2384W/m，模型中水平壁對(duì)流換熱的系數(shù)是1.712W/m·K，豎直壁是1.882W/m·K。其中，導(dǎo)軌材料性能參數(shù)如表1所示。

　　建模時(shí)，在盡可能確保零件原始結(jié)構(gòu)保持不變的基礎(chǔ)上，可以針對(duì)模型中對(duì)精度影響不大的零件進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化^[3]：
　　1）省去螺釘和螺栓孔，并通過相應(yīng)的約束進(jìn)行代替。由于模型中螺釘、螺栓孔結(jié)構(gòu)小且數(shù)量多但對(duì)模型整體影響不大。
　　2）省去模型中的小臺(tái)階、倒角等對(duì)模型的實(shí)際分析計(jì)算結(jié)果影響很小的結(jié)構(gòu)。
　　3）忽略模型中的滾珠絲杠和軸承系統(tǒng)，它們?cè)趯?dǎo)軌摩擦生熱的熱源中占比很小，可以忽略。
　　1.2導(dǎo)軌熱分析有限元建模
　　ANSYS對(duì)復(fù)雜的實(shí)體模型進(jìn)行建模時(shí)，其性能效率不如CAD/CAM軟件。因此先通過Pro/E構(gòu)建導(dǎo)軌的實(shí)體模型，然后利用ANSYS從數(shù)據(jù)接口讀入，并對(duì)導(dǎo)軌模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分及分析計(jì)算。選用的ANSYS四面體耦合場(chǎng)實(shí)體單元SOLID98，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度，對(duì)模型簡(jiǎn)化后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終建立的導(dǎo)軌有限元模型。
　　2　仿真結(jié)果及熱變形因素分析
　　仿真前對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行適當(dāng)假設(shè)以簡(jiǎn)化計(jì)算過程：1）單位時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)軌和工作臺(tái)的摩擦生熱與流入導(dǎo)軌面的熱量恒定；2）對(duì)流換熱系數(shù)為常數(shù)；3）導(dǎo)軌吸收摩擦產(chǎn)生的一半熱量；4）切屑熱對(duì)導(dǎo)軌的影響忽略不計(jì)。
　　根據(jù)確定的參數(shù)及邊界條件，通過ANSYS仿真得到導(dǎo)軌運(yùn)行30分鐘后的結(jié)果。由導(dǎo)軌溫度分布圖可知，導(dǎo)軌左右面的溫度分布不均，右導(dǎo)軌面溫度高于導(dǎo)軌左面，溫度最高為215°C，其中最大溫差約1°C。由于溫度分布不均，可以看出導(dǎo)軌兩端在Y方向上產(chǎn)生較大熱變形，其中最大熱變形量為9.25μm。由于導(dǎo)軌在Z向產(chǎn)生的熱變形很小，所以忽略其影響。
　　3　導(dǎo)軌熱變形補(bǔ)償
　　根據(jù)前文得到的數(shù)據(jù)，對(duì)M關(guān)鍵點(diǎn)的溫度與熱誤差進(jìn)行ANSYS建模分析，并結(jié)合PLC的運(yùn)算功能以及數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償模塊，可以對(duì)機(jī)床的熱形變誤差進(jìn)行補(bǔ)償。其可實(shí)現(xiàn)的方案有幾下幾類：
　　1）建立導(dǎo)軌熱誤差補(bǔ)償方程并導(dǎo)入可編程控制器PLC中作為熱誤差補(bǔ)償所用的計(jì)算器，根據(jù)PLC中計(jì)算的補(bǔ)償值結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)的控制功能對(duì)機(jī)床的零點(diǎn)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)改變，實(shí)現(xiàn)熱誤差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。
　　2）采用強(qiáng)制對(duì)流散熱方式。該方式只能在一定程度上控制動(dòng)導(dǎo)軌溫升。
　　3）導(dǎo)軌材料可采用熱膨脹系數(shù)較小的材料。
　　4）控制潤滑油膜的溫度，減少承載面油膜溫升對(duì)導(dǎo)軌的熱影響。
　　5）避免導(dǎo)軌承載部分做高速的變加速運(yùn)動(dòng)。采用快速伺服刀架，通過刀架的微量進(jìn)給，代替動(dòng)高速變加速運(yùn)動(dòng)。
　　4　結(jié)語
　　研究數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌的熱性能及誤差補(bǔ)償對(duì)于學(xué)習(xí)機(jī)械理論及實(shí)際應(yīng)用都有非常重要的意義。通過ANSYS軟件對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌在運(yùn)行過程中的熱特性進(jìn)行仿真，并分析了影響熱變形的主要因素，得到了導(dǎo)軌在工作時(shí)的溫度場(chǎng)和熱變形，最后對(duì)數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償?shù)姆桨高M(jìn)行了探討，提出一些方案可行的建議，為其熱誤差補(bǔ)償提供了一定的思路。

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