（机械制造及其自动化专业论文）铣车复合加工中心双驱进给系统同步热误差分析.pdf

硕+ 学位论文 摘要 随着数控机床向高速度、高精度、复合化、智能化方向发展，双轴驱动的 进给系统也开始应用于高档加工中心，用以抑制因高速进给时所产生的振动。例 如，日本的森精机为重心驱动。该机构的特点是通过两根滚珠丝杠按住移动结构 物的重心以抑制振动，具有缩短加工时间、提高真圆度、延长刀具寿命等许多优 点。但是，由于机床移动部件间的彼此位置不断变化引起机床运动部件重心位置 的变化，造成力矩的不平衡，引起驱动系统不必要的弹性变形，进而诱发振动， 影响加工精度。双驱动方式尽管会在很大程度上抑制振动产生，但双驱动系统也 有其自身难以避免的缺点一一引入同步误差。 数控机床的定位精度是反映机床性能的一项重要指标，是影响工件加工精度 的重要因素。两传动系统的同步性是影响数控机床定位精度的主要因素之一。滚 珠丝杠螺母副作为数控机床进给系统的关键传动件，它的精度至关重要。在机床 工作过程中，影响滚珠丝杠精度主要因素有：导程误差、预拉伸和两滚珠丝杠由 于负载的不均衡而造成扭矩的变动差异性、热温升差异量。其中热温升差异量的 产生是由于滚珠丝杠和螺母、轴承座上轴承内外圈相对运动所产生的热变形，它 严重影响定位精度的主要因素之一。 本课题是兰州理工大学、青海一机和华中科技大学共同承担的2 0 1 0 年高档数 控机床与基础制造装备科技重大专项一一动梁无滑枕立式铣车复合加工中心 ( 2 0 10 z x 0 4 0 0 1 0 3 2 ) 研制中的子课题，针对以上问题对机床双驱滚珠丝杠进给 系统的温度场以及热变形的数学模型、边界条件计算、热特性分析等方面进行了 研究。主要内容如下： 1 对动梁无滑枕立式铣车复合加工中心进行了介绍，明确了机床主要技术指 标。对双驱滚珠丝杠传动系统的温度场与热变形进行了研究。 2 利用有限元法建立温度场的数学模型，基于热弹性和有限元原理建立热变 形的有限元方程并建立机床滚珠丝杠进给系统s o l i dw o r k s 模型。分析滚珠丝杠进 给系统的热源，计算发热量，确定热量传递方式与边界条件，用a n s y sw o r k b e n c h 软件对其进行网格划分并计算出滚珠丝杠进给系统的温度场分布，分析温度场的 变化。 3 以a n s y sw o r k b e n c h 通用有限元分析软件为工具，把稳态温度作为热载 荷加载到有限元模型上。结合滚珠丝杠进给系统的约束，计算滚珠丝杠进给系统 的热变形。 4 阐述了滚珠丝杠热变形的检验标准及热变形基本理论，并提出了相应的热 误差抑制措施。 关键词：双驱滚珠丝杠；有限元；温度场；热变形；a n s y sw o r k b e n c h i 铣车复合加工中心双驱进给系统同步热误差分析 a bs t r a c t w i t ht h ep r o g r e s so ft h et i m e s ，c n cm a c h i n et o o lw a sb e c o m i n gl a r g e r , m o r e p r e c i s ea n di n t e l l i g e n t t h ed e s i g no ft a n d e md r i v ew a su s e di nh i g hs p e e dm a c h i n i n g c e n t e r i tw a su s e dt oi n h i b i tt h ev i b r a t i o nw h i c hw a sc a u s e db yh i g hs p e e df e e d f o r e x a m p l e ，d c gw a st h ed r i v i n g m e t h o do fm o r is e i k i t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e m e c h a n i s mw a st h a tt h ev i b r a t i o nc o u l db es u p p r e s s e da c c o r d i n gt oh o l d i n gt h ec e n t e r o fg r a v i t yo fm o b i l es t r u c t u r e i tc o u l ds h o r t e np r o c e s s i n gt i m e ，i m p r o v ee v e n n e s sa n d e x t e n dt h el i f eo fc u t t e r b u tt h ed u a ld r i v es y s t e mh a di t si n e v i t a b l es h o r t c o m i n g s i t w a st h ei n t r o d u c t i o no fs y n c h r o n o u se r r o r t h ep o s i t i o n i n gp r e c i s i o no ft h en c m a c h i n ew a sa ni m p o r t a n ti n d e xt h a tc o u l dr e f l e c tm a c h i n ep e r f o r m a n c e a n di tw a s a ni m p o r t a n tf a c t o rt h a tc o u l da f f e c tm a c h i n i n ga c c u r a c y t h es y n c h r o n i z a t i o no ft h e t w ot r a n s m i s s i o ns y s t e mw a so n eo ft h em a i nf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c e dt h ep o s i t i o n i n g a c c u r a c yo fc n cm a c h i n et o o l s t h eb a l ls c r e ww a sak e yc o m p o n e n to fc n c m a c h i n et o o lf e e ds y s t e m a n di t sp o s i t i o n i n ga c c u r a c yw a sc r u c i a l i nt h ew o r k i n g p r o c e s so ft h em a c h i n et o o l ，t h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n t s c r e wa c c u r a c yw a st h e d i f f e r e n c eo fl e a de r r o r ，p r es t r e t c h i n g ，s c r e wt o r q u ea n dt h e r m a lt e m p e r a t u r er i s e t h et h e r m a lt e m p e r a t u r er is ew a sr e s u l t e df r o mt h e r m a ld e f o r m a t i o no fb a l ls c r e w , n u t a n db e a r i n g i ts e r i o u s l ya f f e c t e dt h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c y i nc o m b i n a t i o nw i t hv e r t i c a lm i l l i n gc o m p o s i t ep r o c e s s i n gc e n t e rw h i c hw a sa n a t i o n a lm a j o rp r o j e c ts h a r e db yl a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ，q i n g h a if i r s t m a c h i n et o o lp l a n ta n dh u a z h o n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y a n di nv i e w o ft h ea b o v ep r o b l e m s ，w ed i ds o m er e s e a r c ho nt e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a l d e f o r m a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e l ，b o u n d a r yc o n d i t i o nc a l c u l a t i o n ，t h e r m a la n a l y s i s a n ds oo n t h em a i nc o n t e n t sw e r ea sf o l l o w s ： 1 f i r s t l y ，e s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft e m p e r a t u r ef i e l dv i at h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o d s e c o n d l y , e s t a b l i s ht h et h e r m a ld e f o r m a t i o nf i n i t ee l e m e n te q u a t i o n w h i c hw a sb a s e do nt h et h e r m a le l a s t i ca n df i n i t ee l e m e n tp r i n c i p l e t h i r d l y , e s t a b l i s h t h es o l i dw o r k sm o d e lo fm a c h i n es c r e wf e e d i n gs y s t e m 2 a n a l y z et h eh e a ts o u r c eo ff e e ds y s t e m c a l c u l a t et h ec a l o r i f i cc a p a c i t y m a k e s u r eh e a tt r a n s f e rm o d ea n db o u n d a r yc o n d i t i o n c a l c u l a t et h e t r a n s i e n tt e m p e r a t u r e f i e l da n ds t e a d yt e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o no ft h es c r e wf e e ds y s t e mv i aa n s y s w o r k b e n c h 3 c a l c u l a t et h e r m a ld e f o r m a t i o no ft h es c r e wf e e d i n gs y s t e m i tw a sa c h i e v e db y u p l o a d i n gs t e a d ys t a t et e m p e r a t u r et of i n i t ee l e m e n tm o d e lm e a n w h i l ec o m b i n i n g s c r e wf e e ds y s t e mr e s t r i c t i o n 4 p u tf o r w a r dt h ec o r r e s p o n d i n ge r r o rc o m p e n s a t i o nm e c h a n i s mt h a tc a u s e db y i i 硕+ 学何论文 d u a ld r i v es c r e wt h e r m a ld e f o r m a t io n k e yw o r d s ：d u a ld r i v es c r e w ；f i n i t ee l e m e n t ；t e m p e r a t u r e f i e l d ；t h e r m a l d e f o r m a t i o n ；a n s y sw o r k b e n c h i i i 硕十学 = 奇= 论文 1 1 引言 第一章绪论 随着机床复合化、柔性化、高速高精化发展，对机床精度的要求更高。热误 差成为影响机床精度的主要问题。因而对热误差的研究及其抑制成为机床制造技 术中很重要且极为迫切的研究课题之一。而随着相关技术的发展，双轴驱动的设 计也开始应用于高速的加工中心，用以抑制因高速进给所产生的振动。双轴驱动 虽然可以带来高刚性、高响应与大推力的优点，但也有其难以避免的缺点，即： 引入同步误差。滚珠丝杠作为进给系统主要的传动元件，是进给中的主要误差源。 影响滚珠丝杠精度的主要因素有：导程误差、预拉伸和丝杠扭矩的变动差异 性、热温升量。因此在滚珠丝杠的制造和装配过程中，要特别控制这几项因素以 降低双轴驱动时的不同步性。而热误差是由于滚珠丝杠在执行进给运动时，轴承 产生的摩擦热，电机的发热以及丝杠与螺母之间的摩擦热而产生热变形。滚珠丝 杠的热变形致使进给系统产生相应的位置误差心1 。随着科技发展，机床进给丝杠 的转速及精度不断提高，热变形问题更加突出。而高速度、高精度机床对温度的 变化更加敏感。因此为了保证机床精度的提高，对双驱滚珠丝杠热变形误差进行 研究和热特性分析非常重要。 1 2 课题来源与研究意义 1 2 1 课题来源 课题来源于兰州理工大学、青海一机及华中科技大学共同承担的2 0 1 0 年高 档数控机床与基础制造装备科技重大专项一动梁无滑枕立式铣车复合加工中心 ( 2 0 l o z x 0 4 0 0 1 0 3 2 ) 。 1 2 2 研究意义 数控机床以优异稳定的精度、卓越的柔性自动化性能、灵捷多样化的功能引 起世人瞩目。它开创了机械产品向机电一体化发展的先河，成为先进制造技术中 的一项核心技术。当前，数控机床的发展主要体现为高效、高速、高精度、高可 靠性、多轴化、复合化、网络化、智能化、绿色化及柔性化。而近年来，用户对 产品的个性化要求日益强烈，五轴联动加工中心的要求更趋向于适合小批量生产， 甚至要适应单件或少量产品的生产，为此开发了各种复合化程度更高的复合机床， 追求一次装卡就完成全部加工。复合机床逐渐成为最新的发展动向。 而精度作为数控机床的技术关键，是衡量综合水平的重要性能指标之一。数 控机床的精度指标主要有加工精度、几何精度和定位精度等，精度是通过误差来 反映的1 。提高数控机床精度就是减小机床的误差。数控机床精度受到机床结构、 铣下复合加t 中心双驱进给系统同步热误差分析 装配精度、伺服系统性能、工艺参数以及外界环境等因素的影响。 双驱动是双立柱机床主要驱动形式1 ，为了满足输出大功率的要求，两个电 机驱动丝杠带动同一部件，这对独立工作的电机同步性有严格的要求，即所谓同 步双驱动。在现代数控机床中，进给一般都是通过伺服电机直接驱动滚珠丝杠实 现。同步进给是指按工艺所要求的精度，实现多个进给装置的相对同步运行( 速度 同步) 或绝对同步运行( 角度或位移) 或者要求速度、位移实现双重同步运行，甚至 包含加速度的三重动态同步阳1 。对同步精度和快速性的要求，要比在单回路时对 速度、位移控制的要求更高。由于在多个回路间存在着强烈的耦合和诸多不确定 性，有必要通过分析同步误差来研究新的高精度快速同步进给理论和实现方法。 本课题研究的动梁无滑枕立式铣车复合加工中心是整体式立柱结构，虽然是整体 立柱，但立柱上导轨布局形式与龙门式机床完全相同，横梁上下移动实现垂向进 给，两个立柱之间的横梁、刀架等大型移动部件并不总是对称受力，以及其它各 种扰动等不确定性因素的影响，因而不能保证两个滚珠丝杠的位置一致性。这种 不一致性产生的机械耦合将降低同步进给精度及加工质量，所以实现同步进给是 这类机床降低误差、保证加工精度的关键。要实现同步进给，就要从包括伺服电 机发脉冲是否同步，双电机驱动是否同步，双驱滚珠丝杠进给中热变形是否一致， 双丝杠的精度，轴承座的加工精度，两轴承座的同轴度，两丝杠的平行度等方面 进行分析。本文主要研究双驱滚珠丝杠热变形对同步进给的影响并提出相应的抑 制热变形措施。 1 3 课题国内外研究现状及发展趋势 1 3 1 国外研究现状 从研究文献看，提高数控机床的精度 1 有两种基本方法：误差预防法和误差 补偿法。误差预防法是通过设计和制造途径消除或减少可能的误差源，该方法具 有很大的局限性，即使可能，在经济上的代价也是非常昂贵的。误差补偿法是针 对存在的原始误差在相应的负方向上利用计算机制造一种新的误差，对其加以抵 消，该方法所需费用低且调整简便，所以备受研究人员关注随1 。数控机床误差补 偿的内容包括误差检测、误差建模和误差补偿，在这个领域领跑的依然是西方工 业发达国家。 机床热变形误差是影响机床精度的主要原因之一。热误差的主要影响因素是 内部热源，各种发热元件包括电动机、摩擦运动副和切削热等。其中，摩擦副， 如齿轮、轴承等的发热影响最大。误差补偿是提高机床精度的一种既有效又经济 的手段，目前已成为国内外现代精密工程的重要技术支柱之一。在国外，从事机 床误差补偿技术比较有影响的有美国、日本、德国等旧1 。例如，美国密西根大学 于1 9 9 7 年成功地将热误差补偿技术应用于通用公司下属一家离合器制造厂的1 5 0 多台车削中心上，使其加工精度提高了l 倍以上。但目前国外数控机床误差补偿技 术大规模、大批量在工业中应用并不多，技术上还没达到商业化程度n 0 j 。 2 硕士学位论文 要完全消除机床内部热源的发热及在短时间内均衡机床内部温度场是不可能 的，为此采用热误差在线间接补偿是近年来广泛研究的一种控制机床热变形的策 略。其补偿技术一般由机床的某些敏感点温度变化测量系统、热误差信号的建模 和数据处理、利用数控系统进行热误差补偿控制三部分组成。 由机床热变形引起的加工误差不便直接测量，通常采用测量机床上某些敏感 点温度的变化建立温度变化和机床热变形之间关系的数学模型，间接对热误差补 偿控制。采用的数学模型可分为经验模型和数值模拟模型。 1 9 7 5 年，日本的o k u s h i m a 1 等提出用线形、单变量数学模型来确定立式铣床 某些敏感点温度的变化和主轴热伸长之间的定量关系，从此开始了热变形的定量 研究工作。1 9 8 6 年，印度的v e n u g o p a lr 指出，尽管热能对机床精度的影响极其复 杂，但其却是显著的、可预见的，为采用热误差补偿技术控制机床热变形提供了 理论依据2 l 。2 0 世纪9 0 年代末，加拿大c o n c o r d i a 大学教授a t r i am h 等提出了一 种优化机床热变形实时补偿的新方法一通用模型法和s 域i h c p 法来求解机床热变 形，解决了经验模型中补偿函数相对于位移函数、位移函数相对于温度分布函数 需要离线调整的缺点，而且求解效率高n 副。美国密歇根大学c h e nj s 教授等于19 9 8 年发表了“r e a lt i m ec o m p e n s a t i o nf o rt i m ev a r i a n tv o l u m e t r i ce r r o r so na m a c h i n i n gc e n t e r ”一文，提出了包括几何误差在内的多达3 2 个误差源的在线测量、 数据处理和误差补偿系统们。 此外，对机床热变形进行建模和实时补偿的方法还有时间序列分析、鲁棒建 模及神经网络等。 1 3 2 国内研究现状 近几年，国内对数控机床热变形也进行了比较深入的研究，在数控温度补偿 控制这一领域也做出了贡献，并获得了很多成果，特别是提出了热敏感点理论： 机床表面有些点的温度变化将引起机床热误差的明显改变，只要这些点的温度不 变，机床热误差也基本不变，这些点就是影响机床热误差的关键点，也就是机床 热误差补偿中的温度测点及控制点。但是如何找到温度敏感点是一个难题，尽管 有很多方法，比如有限元分析、高斯积分法、聚类与相关分析法、热模态分析优 化法等，这些方法在热敏感点的确定上有些帮助，但最终还是要通过大量的实验 来检测1 5 1 。 在热误差建模方面，清华大学的陈等人在原有的2 1 项几何误差基础上，结合 时间域和三维空间域，包含了用于描述机床热变形的11 项误差，定义了新的3 2 项 机床误差，并针对不同类型的热误差分别建立了误差补偿模型n 引。上海交通大学、 浙江大学、北京机床研究所、天津大学、华中科技大学、清华大学、哈尔滨工业 大学等也有不少学者从事热误差建模、补偿的研究。例如，上海交通大学的杨建 国通过对c n c 车削中心的热模态分析和研究，对机床上的温度传感器分布进行优 化，并提出了热误差鲁棒性建模的新方法，有效地减少了由于温度测量噪声引起 的误差，增强了热误差数学模型对环境温度变化的适应性n7 1 。目前，b p 神经网络 铣车复合加丁中心双驱进给系统同步热误差分析 方法、r b f 神经网络方法、多体系统方法正成为热误差建模研究的热点。在温度 检测方面较常用的方法有逐步线性回归法、热误差模态分析法和模糊聚类分析法 矗盘【1 8 】 寸 。 在同步控制方面，目前国内多采用主从式或者称为跟随式控制，即一驱动电 机做主动控制，另一驱动电机控制信号作同步跟随，以保证两丝杠的驱动动作一 致n 引。对于这样一种双驱形式，独立的热补偿控制很难得到应用，因为，当一丝 杠由于热变形需要做补偿时，补偿信号控制对应电机工作，同时，另一电机也将 跟随此电机做相应运动，即补偿其中一根滚珠丝杠热误差的同时，也对另一根丝 杠起同样的补偿作用。问题在于，双驱动丝杠的热变形状态并不是同步的，这样 的补偿可能导致另一根丝杠过补偿或者完全是反向补偿，这将导致整个加工状态 误差的变化和不可控性。另一种控制称为独立控制，即两根丝杠的驱动电机以独 立的信号分别驱动，信号反馈会在控制系统内部作比较以达到控制的同步性。独 立控制是双驱动丝杠热补偿的基础条件，热误差补偿控制可以作为一个嵌入式子 系统，独立于主控制之外心引。当滚珠丝杠热误差产生时，每个丝杠的驱动电机都 能独立地对此误差作补偿控制。 同步控制方面，国内已有一定的成果。例如：沈阳机床( 集团) 有限责任公 司研制成功g m c 2 0 6 0 u 桥式龙门五轴加工中心。机床在x 向双向驱动的同步控制及 调整技术、五坐标联动误差补偿技术等有所进展。秦川机床集团公司2 0 0 8 年开发 出v t m 2 6 0 型龙门式铣车复合加工中心，机床具有七轴五联动功能，复合化程度 较高，同步控制技术有很大突破瞳。 1 4 课题研究目标、研究内容 1 4 1 研究目标 本课题针对动梁无滑枕立式铣车复合加工中心精密双驱滚珠丝杠进给系统， 对双滚珠丝杠进行热误差分析。由于对单根滚珠丝杠的热变形特征的研究是双驱 滚珠丝杠的基础，课题从研究单丝杠的变形出发，进而提出双驱滚珠丝杠进给热 误差的相应抑制措施，使整个双驱滚珠丝杠进给系统的精度得到有效提升。 1 4 2 研究内容 针对双驱丝杠首先在理论上对其进行有限元分析，采用a n s y sw o r k b e n c h 软件对机床滚珠丝杠进给系统进行热变形方面的有限元分析，对滚珠丝杠进给系 统的温度场和热变形进行分析，然后进行相应的同步热误差抑制措施，使机床达 到加工精度的要求。其主要内容有以下几个方面。 1 机床纵向进给系统驱动方式的选择与分析 主要对动梁无滑枕立式铣车复合加工中心驱动方式的选择以及工作原理进行 了分析。明确了课题任务及机床主要技术指标，并且对双滚珠丝杠位置同步控制 进行了研究。 4 硕+ 学位论文 2 滚珠丝杠进给系统的有限元建模 利用有限元法建立温度场的数学模型，基于热弹性和有限元原理建立热变形 的有限元方程。建立机床滚珠丝杠进给系统s o l i dw o r k s 模型。在设计允许的范围 内对结构复杂的主要零部件进行简化，并将其转换到有限元分析软件a n s y s w o r k b e n c h 中得到这些零部件的几何模型，为了方便有限元网格的划分对零件进 行分组切割，复杂结构采用自由划分网格的方式，将材料属性赋到单元上从而建 立机床滚珠丝杠进给系统的有限元模型。 3 滚珠丝杠进给系统的温度场分析 机床丝杠在高速回转条件下，滚珠丝杠进给系统热特性很重要，它所产生的 热变形是影响加工精度的主要因素。要研究其热特性，必须先确定滚珠丝杠进给 系统的温度场。为此，分析滚珠丝杠进给系统的热源，计算发热量，确定热量传 递方式与边界条件，用a n s y sw o r k b e n c h 软件计算出滚珠丝杠进给系统的温度 场分布，分析温度场的变化。 4 滚珠丝杠进给系统的热变形及其抑制措施 阐述滚珠丝杠热变形的检验标准，并从滚珠丝杠的主要技术参数中选取了符 合有限元分析方法的检验项目。对滚珠丝杠抑制热变形的措施进行了描述，对预 拉伸进行分析计算，确定本台机床双驱滚珠丝杠进给系统的丝杠预拉伸量。 在上述理论基础上，提出相应的抑制双驱滚珠丝杠进给系统热变形的方法、 控制滚珠丝杠进给系统的热变形原理、设计了相应的机械结构，并且进行试验， 得出相应的试验结论。 5 对整个工作进行了回顾和总结，指出了论文研究工作中还存在的一些问 题，并对进一步的研究工作进行了展望。 铣车复合加工中心双驱进给系统同步热误差分析 第二章机床双驱进给系统驱动方式的选择和分析 2 1 机床简介 动梁无滑枕立式铣车复合加工中心属高档数控加工装备，在广泛调研的基础 之上，综合并吸收国外铣车复合加工中心的结构特点，设计的新产品。具有结构 先进，功能复合，多轴联动特点；所开发的铣车复合加工中心主要构成包括基础 支承件( 包括床身、立柱、横梁) 、直驱摆头动力刀架、直驱主轴、双驱进给系统、 直驱转台、刀库与刀具交换机构以及润滑系统、液压系统、冷却系统、电控系统、 全封闭防护罩、排屑系统等。机床结构模块化与功能复合化，x 、y 、z 、a 、c 五轴联动控制，实现铣、镗、车、钻、扩、铰、攻丝等功能。直驱摆头动力刀架 采用无滑枕结构，选择较大的支撑跨距与导向长度，提高了抗弯惯性矩与刚度。 2 1 1 技术指标： 回转工作台直径：q 1 2 5 0 1 6 0 0 m m ： 直驱主轴最高转速：1 2 0 0 0 r m i n ： 回转工作台最高转速：1 5 0 r m i n ； x y z 轴定位精度：s o 0 0 6 m m 1 0 0 0 m m ： 重复定位精度：s o 0 0 3 m m ： 双驱滚轴丝杠进给速度：4 0 m m i n ： 联动轴数：5 ； 机床m t b f 达到：9 0 0 小时。 2 1 2 机床三维结构图 动梁无滑枕立式铣车复合加工中心结构图如下所示： 图2 1 动梁无滑枕立式铣车复合加工中心 6 硕士学位论文 2 2 双驱滚珠丝杠进给系统结构解析 本论文研究的内容属于课题中的研究任务五：精密双驱进给系统优化与控制 技术研究。 立式铣车复合加工中心是一种具有高速、高精度和多轴加工能力的机床，高 速加工技术要求数控机床的进给驱动系统具有高速度和高加速度。在高速度和高 加速度运行工况下，进给驱动机构的动态特性将对机床的加工质量和效率产生显 著影响，对于单根滚珠丝杠驱动的机构，由于驱动力不是非常准确地作用在运动 件的重心，因而在高切削速度尤其在较大进给速度条件下，有产生扭转运动的趋 势。这种扭转运动和由于运动件产生的惯性作用，都会引起机床的振动，使机床 构件例如床身或立柱等发生弯曲和变形。双驱技术可以显著减少高速运动时设备 ( 移动部件) 的振动和变形，并能实现很高的位置环增益，大幅提高加工中心的刚 性和响应性，实现稳定驱动，在加工时间、加工精度、加工质量、刀具寿命等方 面，都能实现最本质的改善。但是，双驱技术的使用，两根滚珠丝杠由于热变形 而引起的热误差、受到不同载荷引起的变形而引起的相互偏差，往往会导致滚珠 丝杠副同步性的恶化和加工精度的降低，这是本任务要解决的一个关键技术问题。 双驱滚珠丝杠进给系统三维结构图如下所示： 图2 2 双驱滚珠丝杠进给系统三维结构图 两滚珠丝杠不对称负载、制造安装误差、产生的滚珠丝杠热变形引起的热误 差等因素，都不同程度的影响到伺服电机控制环的稳定性以及同步误差。为了实 现双驱滚珠丝杠同步传动，对此采用自适应控制技术，通过光栅尺作为线位移检 测装置检测两根丝杠之间的同步误差，经过自适应力产生的反馈作用来修改两根 丝杠c n c 系统控制的偏载扭矩临界值，使其在速度和位置上保持一致，提高滚珠 丝杠副同步性精度，抑制两根滚珠丝杠之间相互偏差产生的偏心载荷，实现同步 传动，提高定位精度。 铣车复合加t 中心双驱进给系统同步热误筹分析 2 3 双驱技术的应用 2 3 1 双驱技术的简介 在2 0 世纪8 0 年代中期以后，一系列高速度、高精度的机床相继问世。最初10 年中，人们主要关注于进给轴和主轴电机的大型化和高速化，以及由此产生的热 处理技术和数控装置高速化等课题，并在这些方面取得了一些重大成果n 引。但是 在随后的5 年，对高速度和高精度技术的探求却走上了一条歧路。速度的提高仅仅 缩短了一点加工时间，而如果要追求加工精度和加工面的质量，则必须在速度上 加以妥协。随着数控机床向着高速、高精、高效等高要求的发展，数控机床进给系 统传统的“回转伺服电机+ 滚珠丝杠”结构存在的转动惯量大、扭转刚度低、摩擦 磨损和发热严重、存在传动误差、弹性变形引起工作台爬行、反向死区引起非线 性误差等一系列“先天性”缺陷便逐步暴露出来，影响机床的动态性能。 众所周知，我们在推着物体移动时，如果没有推到其重心位置，很容易造成物体 转动，出现不稳定。因此“重心驱动 就是利用了“要推重心 这一简单的原理。 双驱技术n 钉就是把运动组件配置在两根滚珠丝杠之间，形成一个理想的却是 虚拟的重心，但却能产生与实际的驱动力通过重心完全相同的效果。极好地抑制 了各轴进行驱动时产生的振动和弯曲，即使运动组件在进行高速运动时，重心也 不会发生变化，从而实现了稳定驱动。 重心驱动是一项基于机械运动动力学理论发展而成的技术心们。每一个机床工 程师都明白推动重心是最理想的方法，但是却并不十分了解其重要性及原因。日 本森精机认为，在加工过程中驱动力都不是非常准确地作用在运动件的重心。因 而在高切削速度尤其在较大进给速度条件下，有产生扭转运动的趋势。这不可避 免的扭转运动和由于运动件产生的惯性作用，都会引起机床的振动和使机床构件 例如机床床身或立柱等铸件等发生弯曲和变形。但人们却没有足够地认识这一点， 也没有很好地解决这一长期困扰制造业的技术难题。很明显的一个从根本的解决 问题的方案是在机床结构的设计上，将驱动力尽可能作用于运动件的重心，但在 实际中又出现一个问题，我们不能把一根滚珠丝杠直接地通过其重心( 中间有机床 零部件，没有空间位置) 。 森精机制作所的设计师在新开发的双驱动的立式加工中心上，把z 轴和y 轴的 运动组件配置在两根滚珠丝杠之间，形成一个理想的却是虚拟的重心，但却能产 生与实际的驱动力通过重心完全相同的效果。极好地抑制了各轴进行驱动时产生 的振动和弯曲，即使运动组件在进行高速运动时，重心也不会发生变化，从而实 现了稳定驱动。 8 硕士学位论文 2 3 2 双驱的原理 双驱原理图如下所示： 图2 3 在构件一端施力图2 4 在重心施力 一 乏谴 图2 5 在重心处有物体图2 6 在重心两端平均施力 在构件的一端施力，会破坏平衡、产生振动，如图2 3 所示。在重心施力，可 笔直推进而不产生振动，如图2 4 所示。但由于机床重心处有物体，所以不能直接 将力加于其上，如图2 5 所示。如果在重心两端平均施力，就可以笔直移动，如图 2 6 所示。 众所周知，在推动物体时，不按在正中间可能会使物体转动并且不稳。但如 果按在正中间的话物体就不会发生转动，只会进行平稳的移动，重心驱动就是这 样一个简单的道理。 图2 7 在物体边缘施力不稳现象 9 铣车复合加工中心双驱进给系统同步热误差分析 2 3 3 双驱的优点 图2 8 所示为日本森精机重心驱动设备和其他设备之间产生振动的对照图。 振幅大的柱状图表示未采用重心驱动的移动时伴随的振动幅度。振幅小的柱状图 为n v 4 0 0 0d c g 时的情况。效果显而易见【2 1 1 。 e = l v 倒 1 a 臣 号 譬 蒋 转 【8 丁 ，一 1 1 2 2 _ ，一 鬻 0 5 9 t 2 一 隔 1 3 8 0 1 3 - 。 x y 圈非重心3 匡动 z l 重心b 医动 图2 8 日本森精机重心驱动设备和其他设备之间产生振动的振幅对照图 振动随时间的变化如图2 9 所示。重心驱动设备很快就消除了振动，反之其他 设备的振动则持续了较长时间。 时可( 秒) 1i 瞳，c 愆动_ 重心驱动 图2 9 日本森精机重心驱动设备和其他设备之间消除振动所需时间对照图 1 0 o 5 o 一0 o o 、】 l 王 硕+ 学位论文 2 3 4 双驱技术在本课题中的实施 1 满足降低振动的需要 本课题中所涉及的铣车复合加工中心在多数情况下要进行曲面加工。我们可 将曲面看作是小折线的连结。每个折线角度每改变一点，移动方向就会随之变化。 如果不降低速度而进行方向转换，即使轻微的方向变化也需要很大的加速度。加 速开始之处，全部出现以驱动点和重心距离为比例的回转振动。这种现象在曲面 加工中坐标轴急速改变移动方向的情况下较为显著。移动方向急速变化的一实例 是圆形切削的反转问题，也就是0 度、9 0 度、18 0 度、2 7 0 度位置的过渡切削问题。 如果镗孔加工直径较大的孔，镗削困难时，要使用简单的立铣刀进行轮廓加工来 完成，圆度就变得极为重要。这同时也涉及到了移动方向改变产生振动的问题。 双驱传动具有振动小的优点，此项技术用于横梁驱动有较大的优势。 2 满足结构特性的要求 首先，该课题经过调研和综合分析，所提出的整体方案设计中，立柱为龙门式 结构，横梁在龙门上移动，横梁支撑跨距较大，单驱动很难实现对横梁的运动控 制，课题组提出了采用双驱技术的横梁上下移动驱动方案。 考虑到在复合加工中心横梁上摆头动力主轴头在移动时，随着摆头动力主轴 头在移动位置的变化，横梁与摆头动力主轴头组合体的重心在发生变化，但其重 心位置处于横梁长度范围内，即横梁范围内部的位置，当然也无法将滚珠丝杠准 确的安装在重心上。 为了解决此问题，只要将重心置于两个驱动点中间就可以很好地解决这个问 题。将两个滚珠丝杠的中心连线，线的中点如能与移动物的重心重合最为适宜。 本课题中双滚珠丝杠驱动方案在z 轴( 横梁上下移动方向) 上应用，将两套滚 珠丝杠对称地安装在机床立柱铸件两侧，形成重心驱动。 2 4 双滚珠丝杠位置同步控制 根据f a n u c 3 1 i 控制系统介绍，双滚珠丝杠位置同步控制中，将一个轴作为 主控轴，另一个为从控轴实现双驱系统的同步控制。为消除因解除急停等情况时 所造成的机床坐标值的差值，系统使用同步建立功能自动地补偿误差。 控制器发生主动轴移动的信号同时送给从动轴，于是，主、从具有相同的路 径。同时移动过程中不断检测同步误差，并向从动侧输出补偿指令。 同步控制原理图如下所示： 铣车复合加工中心双驱进给系统同步热误差分析 主控轴位 从控轴位 图2 1 0 双滚珠丝杠位置同步控制原理图 测 对于长行程的同步轴，由于测量尺的绝对精度( 误差) 和热膨胀可能发生( 扭 转) 误差，在这样的情况下，同步轴的主、辅电机互相干涉，由此如果电机流过 大电流，电机可能过热，这主要是测量的位置误差所致。螺距补偿可以补偿测量 尺的误差，但不能补偿因温度变化而产生的热膨胀误差。在此情况下，f a n u c 数控系统采用同步轴的自动补偿法进行补偿，该功能检测主、从轴的转矩差值并 把这差值用来校正从动轴的位置以减少转矩误差。如图2 1 1 所示。 2 。5 本章小结 图2 1 1 同步轴自动补偿原理图 本章主要对动梁无滑枕立式铣车复合加工中心进行了介绍。明确了课题任务 及机床主要技术指标，并对双驱进给系统驱动进行了详细的分析。对双滚珠丝杠 位置同步控制进行了研究。 1 2 硕士学位论文 第三章双驱滚珠丝杠进给系统温度场分析 热变形是影响机床加工精度重要原因之一，因此在立式铣车复合加工中心中， 作为机械传动机构的双驱滚珠丝杠螺母副，其温升就更加直接得影响着机床的定 位精度m 3 。 为了对双驱滚珠丝杠进给系统进行热特性分析，需建立其有限元模型。而建 立模型首先要明确其所需的温度场及热变形理论。用s o l i dw o r k s 建立滚珠丝杠的 三维模型，然后利用有限元分析软件a n s y sw o r k b e n c h 对所建立的三维模型进行 了网格划分，得到其网格模型。 机床的热变形将引起定位精度的改变，它不单是滚珠丝杠进给时螺旋的摩擦 热引起的，而且还受到电机，轴承等的摩擦发热以及润滑剂的温升，环境温度， 热辐射等的诸多热源影响。因此，温度场也在上述多种因素综合作用下相应而生。 对双驱滚珠丝杠进给系统进行温度场计算是热变形分析的关键。首先从各部 分零件的摩擦力矩入手，从而计算相应的发热量b 利。其次是对边界条件的处理。 对滚珠丝杠进给系统来说，需对其热源及边界条件进行分析。 3 1 温度场计算基本理论 3 1 1 温度场基本方程 1 导热基本定律 单位时间内通过垂直于热流方向单位面积的热流量，其数值与该处温度梯度 的绝对值成正比，方向和温度梯度成反比。即心别： q = - 2 ( 3 1 ) 式中，g 一热流密度( w m 2 ) 名一导热系数( w ( m ) ) 丁一物体的温度( ) 拧一等温面法向 其中：一五娶：五娶琢+ 兄，孥刀，+ 丸孥 o no x7 咖 。 c ) z 式中，五， ，五一材料沿x ，y ，z 方向上的导热系数 仇，力，吃一等温面沿x ，y ，z 方向上的分量 x ，y ，z 一笛卡尔坐标的三个方向轴 2 导热微分方程及定解条件 温度场指的是机床各点的温度分布，即：物体上某点的温度随该点所处的空 间坐标位置和所处的时间而变。随时间而变的温度场为瞬态温度场。当机床开动 以后，各点的温度逐渐升高，等到生热和散热达到平衡时，这时的温度场不随时 铣车复合加一i ：中心双驱进给系统同步热误差分析 间变化，称为稳态温度场。 首先研究在坐标系中，导热固体内部任一微元体的瞬态热平衡。这里只讨论 固体和静止流体，并假定物体是连续和均质的。 图3 1 导热微元体模型 如图3 1 所示，在导热物体中取一微元体，由能量守恒定律得心钉： 幺+ q = a u 在x 处，通过微元体表面导入微元体的热流量为： 仇：一名竺西仡 一 徼 在x + 出处，通过微元体表面导出微元体的热流量为： 甄+ 孥出： + 呈( 一五笔舭) 出 蹴c ! 譬o x = 一兄窘撇 在x 方向上导入微元体的净热流量为： q = q 也一窘批 同理，在y 和z 方向上导入微元体的净热流量为： g = 允等蝴 q = 穆蚴 划= 9 + 9 + q z 1 4 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 硕+ 学位论文 叫窘+ 窘+ 窘，一 单位时间内微元体内内热源产生的热量为乜印： 9 = p q d x d y d z 式中，p 一材料密度( k g m 3 ) g 一物体内部体热源强度( w m 3 ) 单位时间内微元体热力学能( 内能) 的增量为： a u ：艘竺d x d y d z 西 式中，c 一材料比热( j ( k g ) ) t = t ( x ，y , z ，t ) 一物体的温度函数 t 一时间( s ) 将式( 3 8 - - 一3 1 0 ) 代入式( 3 2 ) ，整理后得： 胪詈叫譬+ 鲤a y + 譬帅g 若材质不是均匀的，即各相异性， ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 这时得到更为普遍的导热微分方程： 胪詈= 昙c 彳，罢，+ 导c 彳y 等，+ 昙c 彳：警，+ p q c 3 m ， 式( 3 1 1 ) 、( 3 1 2 ) 称为导热微分方程，是导热的能量方程。 导热微分方程是一普适方程，因而要获得特定情况下导热问题的解必须加限 制条件。包括边界条件和时间条件： ( 1 ) 时间条件 时间条件是指给定某一时刻导热物体内的温度分布。以该时刻作为时间的起 点，则时间条件称为初始条件。即乜53 ： t ( x ，y , z ，t ) = t o ( 常数) ( 3 1 3 ) 这是稳态导热，导热物体内的温度分布不随时间变化，初始条件没有意义， 所以非稳态导热的求解才有初始条件。 ( 2 ) 边界条件 边界条件是指导热物体边界处的温度或表面传热情况。由于物体边界传热的 特点不同，边界条件通常分为以下三类心引： 1 ) 第一类边界条件( 强制条件) ： t = t ( x ，y ，z ，t )( 在r 1 边界上) ( 3 1 4 a ) 当边界条件均匀时，式( 3 1 3 ) 可简化为： t = t ( t ) ( 在r 1 边界上)( 3 1 4 b ) 2 ) 第二类边界条件( 自然边界条件) ： 五罢+ 2 ，a 却tn m 署吃训w 力 ( 在r 2 边界